隧道超前地质预报的技术研究

蒋佳

摘要：在隧道工程施工阶段，容易遇到断层破碎带、溶洞、富水层等地质情况，这些地质会影响施工效率和施工质量，前期勘察设计资料与实际地质情况的匹配程度也相对较低。而开展超前地质预报，可以帮助施工单位准确掌握隧道掌子面前方信息，在此基础上，对设计方案和施工方法进行调整，有利于确保工程施工的顺利进行。因此，对此项课题进行研究，具有十分重要的意义。

关键词：隧道;超前地质预报;技术

1超前地质预报的主要难点

1.1地质勘探的局限性

由于隧道埋深较大，测量难度较大。同时，由于其自身断面尺寸的影响，水平钻或超前掘进等检测方法存在很大的局限性。施工周期长，成本高。

1.2地质和物理性质差异较大

详细地质超前预报包括地质构造、工程地质、水文等内容。其中，岩体的结构特征、工程特征和完整性主要体现在力学性质上，而水文特征主要体现在电性差异上。任何单一类型的地球物理方法都难以涵盖机械和电气性能的变化。

1.3复杂地震波相位

隧道中的地震反射波是三维的。有必要分析反射波的不同方向、波速、位置和性质。同时，表面波、纵波和转换波的识别比在地表观测到的地震相位要复杂得多。

1.4预报要求的内容多、质量高

隧道超前预报主要涉及三个地质问题：一是构造软弱带问题，包括断层、溶洞、破碎带等不良地质体的性质、规模、位置和产状;二是危险的含水、含气构造，包括含水断层、含水溶洞和含水松散体的位置、规模、富水性和水压;天然气产生、储存和覆盖的地质条件;三是围岩的工程类别。这三个问题都是工程物探的难题。

2隧道超前地质预报的技术

2.1地震波法

TSP（TunnelSeismicPrediction）隧道超前地质预报系统是由瑞士Amberg公司研制的一种超前地质预报产品，目前在我国应用十分广泛。TSP隧道超前地质预报技术属于反射地震波法，是通过人工震源产生的一部分球面波通过隧道轴线方向向掌子面前方传播，当掌子面前方遇到地层界面、溶洞、裂隙等不良地质体时，将产生反射波，根据反射波的反射时间、传播速度、强度、波形和方向等通过不同的数据形式表现出来，然后被高灵敏传感器接收，通过电脑处理来预测掌子面方不良地质体的相关性质与产状。

2.2声波测试

声波对裂纹响应非常敏感。当遇到裂纹时，界面效应发生，波能量消耗，波形变得复杂，波速减慢。此外，声波速度还与岩体强度有关。声波测试方法有很多种，主要包括岩石表面测试和孔内测试：岩石表面测试在开挖段进行。由于隧道开挖和爆破，形成了许多拉伸裂缝，地表岩石的实测波速略低于实际岩体的波速。钻孔测试可分为单孔和双孔。单孔测试是将发射源和接收器放在同一个孔中，但只能测量钻孔周围一个波长范围内的地质条件。双孔测试是将发射源和接收器放置在不同的钻孔中，测试两个钻孔之间的岩石波速。

2.3地质雷达技术

探地雷达是一种短距离、有效的地下水探测预报方法。它利用电磁波的双向传播时间差来确定前方地质体的形状和属性。其工作原理是将连续的电磁波传输到隧道前方。由于前方地质体的荷电性质不同，在遇到不良地质体界面时会有所反映。接收设备将接收返回的电磁波，回波的频率、振幅和相位将相应地改变。根据前方不良地质体的特点，分析其类型和规模。在实际应用中，探地雷达能更好地反馈前方围岩性质的变化。在识别致密破碎带、断层破碎带等不良地质体方面具有一定优势，对岩溶及含水层影响明显。但是，探地雷达探测距离太短，在探测过程中容易受到其他杂波的干扰，另外，不良地质体的垂向发育和倾角存在一定的局限性，影响了预测结果，因此，有必要配合其他方法进行综合勘探。

2.4红外探测

所有物体都发射不可见的红外能量，该能量与物体的发射率成正比。发射率取决于物体的材料及其表面状况。当隧道头部前方和周围介质为单一介质时，测得的红外场为法向场。当前方有隐蔽的含水构造或水体时，其产生的场强应叠加在法向场上，使法向场发生畸变。据此判断隧道前方一定范围内是否有含水构造。红外辐射曲线的上升或下降可以确定是否存在水，在其他情况下是否存在水。红外探测的特点是可以探测到隧道的整个空间和各个方向。这仪器操作简单。可预测隧道周边空间及开挖前方30m范围内是否有隐蔽水体或含水建筑物。可在施工间隔内进行测试，不占用施工时间。然而，这种方法只能确定没有水，并且没有定量的解释。

2.5偏移成像技术

TST可将波场分离和波速扫描确定的最优速度作为基础，使用合成孔径偏移成像技术。就是将目标点散热强度作为切入点，通过延时叠加的方式，使观测孔径内的散热信号不断叠加，最终对地层分层位置的反射界面进行精确反映。就是计算围岩波速和地震回波走时，并依据计算结果找到异常界面所处位置。此外，对围岩阻抗变化进行明确，可以对地震回波的幅值变化和极性变化进行運用，通过这种措施，使异常界面两侧围岩物性差异被准确反映。

2.6电磁波法

电磁波法利用电磁波在不同介质中的传播和反射特性进行地质预测。目前常用的方法是地质雷达。利用地质雷达进行超前预报时，当当前方岩完整时，可预报25m的距离;当岩石不完整或有构造时，预测距离也可达到15m左右。雷达探测效果主要取决于不同介质的介电常数。如果介质间的介电常数差较大，则检测效果较好。在隧道内测试时，由于干扰因素较多，往往会产生虚假异常，形成误判。因此，应加强数据采集和处理，尽可能消除干扰，提高检测精度。

2.7综合超前预报方法

随着技术水平的快速发展和施工环境的复杂，隧道施工超前地质预报技术已从单一的预报技术发展到综合预报系统。目前，先进的地质预报技术主要有地质调查法、地震波法、电磁法、直流法等，施工现场综合运用多种地质预报方法，对掌子面前方的不良地质条件进行预测，数据处理和预测结果更加准确、清晰。建立五阶段综合调查体系，建立高风险岩溶隧道地质灾害灾害预警机制。采用定性分析与定量分析相结合的方法，建立了隧道前方不良地质体综合分析预测体系，并通过现场预测结果进行了验证。

2.8隧道综合预报体系

在进行隧道综合超前地质预报时，每种预报方法的探测原理、探测距离、探测范围都不相同，其对隧道前方不良地质体的地质构造的判别程度也不相同，根据不同地质构造的地球物理特性，以“地质调查与物探技术相结合、长中短距离相结合、洞内外相结合、定性与定量分析相结合、经验法与专家系统分析相结合”五结合为原则，建立综合超前预报体系。

结论

随着科学技术的发展，电子技术和计算机技术的应用，以及特殊物探手段的不断发展，先进地质预报通过与宏观地质预报相结合，对地质灾害进行评估，及时发出警报，中长期预测（TRT）、短期预测（地质雷达）、特殊方法预测（钻孔电视）采取有效的应急建设措施，为重大地质灾害的防治提供有力保障。

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