1、引言
随着我国经济的快速发展以及西部大开发战略的进展，公路、铁路隧道的大量修建是形势发展的需要，且隧道逐渐向深埋、长大方向发展。较之以前的浅埋短隧道，深埋长隧道可能遇到的工程地质问题及地质灾害会更多、更严重。在施工过程中经常会因遇到断层、暗河、破碎带、等不良地质体而导致塌方、泥石流、涌水、岩爆等地质灾害。这些灾害的出现,往往会影响施工进度,造成人员伤亡,给施工单位、国家和人民带来严重的经济损失。
超前地质预报是隧道地质工作调查的一个重要部分。隧道地质调查工作（尤其是长大山岭隧道与水下隧道）与其他工程的地质工作有一个很大的不同之点，就是其他工程（例如路基桥基等工程）绝大部分地质工作都是在勘测阶段完成，在施工过程中只进行少量的补充修正。而隧道工程的地质工作，在勘测阶段往往只能完成一部分，只能起到定性的或局部定量的评价，还有很大一部分地质工作，必须在隧道施工过程中，在隧道坑道进行勘探及量测，以便修正补充精密调查与施工中地质情况不符的地方，据此变更设计、改变施工方法及施工管理等。由此可见,超前预报工作在隧道工程中的地位和作用都是十分重要的。
2、隧道超前地质预报现状
隧道超前地质预报的内容主要包括地下水、地层岩性、断层、破碎带、节理、岩体类别等。重点是预报破碎带、地下水状况及断层的位置及其可能对施工造成的影响。目前超前地质预报使用到的方法技术主要包括以下几种：TSP法、探地雷达法、工程地质调查与推断、水平钻探等，另外还有一些不常用到的方法技术如：水平声波剖面法、红外探水法及陆地声纳法等。
TSP法作为一种长距离超前地质预报方法已发展成为国内外最先进的预报方法。它主要是采用回声测量原理，具有其他方法不可比拟的优点：适用范围广、预报距离长、与TBM施工干扰少,能加快施工进度，能给出断层带和含水层的三维空间位置，TSP技术配备有功能强大的后处理功能,能快速的分析前方围岩情况、及时提交资料，对于连续探测而言,TSP综合费用最低。同时通过TSPwin软件处理可以获得:P波、SH波、SV波的时间剖面、提取的反射层、深度偏移剖面、各反射层能量大小、岩石物理力学参数以及反射在探测范围内的2D或3D空间分布等成果。通过分析这些信息能够对隧道工作面前方围岩工程地质情况的性质、位置和规模进行比较准确的探测和预报,包括:（1）含水情况；（2）软弱岩层的分布；（3）节理、裂隙发育情况；（4）断层及影响带；（5）溶洞、暗河、煤层等。当然，TSP法在实际工作中也存在许多问题，其中最主要的问题是不良地质条件的判读缺乏明确的指标，更多依赖于物探技术人员和地质专家的经验。另外对于与隧道走向近乎平行的断裂带、饱水带，以及几何形状为圆锥体或圆柱体的溶洞等等，尚无法识别或是识别效果很差。
探地雷达法属于短期预报方法，它的探测速度较快,但是其探测距离与分辨率的矛盾无法克服、多次波及其他杂波干扰严重,原始记录的信杂比低,有效波的识别及其成果解译十分困难，而且所获得的被探测对象的空间信息量太少,其资料成果的解释往往存在多解性。
水平声波剖面法实际上也是地震波反射法的一种,因而TSP法所存在的部分技术问题水平声波剖面法同样存在，而其却不具备TSP法的优点。在地质条件不太复杂的情况下,该方法对掌子面前方50ｍ内的地质状况的预报比较准确。
红外探水法对预报掌子面前方有无潜伏的含水体是有效的,但对含水层的位置、赋水形态、出水量都无法知晓,对无水情况下的地质灾害则难以预报。
陆地声纳法目前还很不成熟,存在着许多问题。
3、方法原理简介
从上述的超前地质预报技术现状可以看出，TSP法无疑是目前国内外最先进的超前地质预报方法，但是它还是存在着不少缺点，特别是对于地质条件复杂的地区，TSP法的资料解释存在着很严重的多解性，所以多种预报方法相结合，利用综合物探的方法进行超前地质预报就显得很有必要。通过对比各种预报方法的优缺点，笔者认为以长距离预报见长的TSP法和短距离预报快速的探地雷达法的有效结合，基本上可以满足大部分情况的隧道预报。对于其他特殊情况再考虑综合其他预报方法。
3.1 TSP法
TSP(Tunnel Seismic Prediction)法是一种新颖、快速、有效、无损的反射地震技术。它是为隧道超前地质预报而专门设计的,可以在隧道施工、地下矿藏、洞穴和地下暮穴开挖前提供帮助,其目的在于迅速超前地提供在开挖周围及前方的三维空间的工程地质预报。TSP和其它反射地震波方法一样,采用了回声测量原理(图1)。地震波在指定的震源点(通常在隧道的左边墙或右边墙,大约24个炮点布成一条直线)用小药量激发产生。地震波在岩石
图1 TSP203系统隧道预报原理
Fig.1 The principle of TSP203 system
中以球面波形式传播。当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面,例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时,一部分地震信号反射回来,一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收.反射信号的旅行时间和反射界面的距离成正比,故而能提供一种直接的测量。
3.2 探地雷达法
探地雷达(ground penetrating radar)是基于不同介质的电性差异，利用高频电磁波，探测隐蔽介质分布和目标体的一种高新地球物理方法。当发射天线T以宽频带、短脉冲方式向地下发射电磁波时，遇到具有不同介电特性的介质时(如空洞、分界面)，就会有部分电磁波能量反射(回波)，接收天线接收反射回波并记录反射时间，与此同时接收天线还接收到了雷达波在空气中以及沿介质体表层传播的直达波(如图2)。
对于反射波我们可以用下面的反射波旅行时间计算公式：
……………………(1)
式中，－反射波走时，单位为ns；（1ns＝10
-9秒）
－电磁波在介电常数为的目标层中的传播速度，单位为m/ns；
S、d分别为发射天线和接收天线距离与反射界面的埋深。
图2 雷达记录示意图
Fig.2 Schematic diagram of GPR record
由上所述，雷达反射波的旅行时，会随被测介质的厚度而变化。于是，把发射与接收天线在被测介质表面同步移动，便可将反射界面的反射波依次排列成二维图象。根据二维图象我们可以判读出探测目标体的状况。
4、应用实例分析
笔者参与了湖南常（德）—吉（首）、邵(阳)－怀(化)高速公路建设过程中的部分隧道超前地质预报工作，主要采取了以TSP203系统长距离预报为主，同时与探地雷达相结合的方案。其中对于围岩较好的区域采用TSP法就可以得到很好的预报效果，对于某些围岩较差的地段，根据TSP法的预测结果，再用地质雷达加以确认，这种长短预报方法的有效结合取得了良好的效果，对施工起到了很好的指导作用,基本达到了预期的探测目的。下面通过在大湾隧道右线YK78＋761－YK78＋861区段的一次预报结果加以说明。大湾隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路隧道，其右线YK78＋761－YK78＋861段地形相对平缓，隧道埋深浅（属浅埋段）。地层岩性为：志留系周家溪群，黄褐色强风化－弱风化砂质板岩夹泥质板岩、硅质板岩和炭质板岩，区段内受区域构造影响，挤压褶曲明显，局部柔褶现象极为发育，并伴有挤压片理等迹象。为了探明掌子面前方的地质情况，我们首先采用了TSP203系统进行长距离预报，其探测结果如图3所示，根据探测结果可以推断出掌子面前方的地质情况如表1所示。
从推断结果看，前方的地质情况比较复杂，且掌子面前方50米内（YK78＋793处）就有一个比较明显的弱反射（推断为破碎带）。为了确保有效指导施工，当施工至YK78＋767时，我们采用探地雷达做了进一步的探测，其结果如图4所示。从图中可以看出距离掌子面差不多26米（YK78＋793）处，有一明显反射界面，与TSP203的探测结果相当吻合，故确定为破碎带。随后的开挖结果证明了预报结果的准确性（见图5）。
图3 深度偏移剖面图
Fig.3 The section of depth excursion
表 1 TSP203的探测结果
|
序号 |
里 程 |
长度（m） |
推 断 结 果 |
|
1 |
YK78+761～773 |
12 |
强风化岩层，节理裂隙较发育。 |
|
2 |
YK78+773～797 |
24 |
弱风化岩层， YK78+793处节理发育，
含水丰富，推断为破碎带。 |
|
3 |
YK78+797～803 |
6 |
强风化岩层，节理裂隙发育。 |
|
4 |
YK78+803～817 |
14 |
弱风化岩层，局部节理发育。 |
|
5 |
YK78+817～830 |
13 |
弱风化岩层，节理裂隙较发育。 |
|
6 |
YK78+830～835 |
5 |
弱风化岩层，局部夹软弱岩层、节理发育。 |
|
7 |
YK78+835～861 |
26 |
弱风化岩层，局部节理发育。 |
Table 1 The detected result of TSP203
图4 地质雷达探测结果 图5 YK78＋793开挖结果
Fig.4 The detected result of GPR Fig.5 The excavated result of YK78＋793
5、结论及建议
通过大量的工程实践，笔者对于隧道的超前地质预报工作和隧道施工也有了较深刻的认识，提出几点结论：（1）隧道施工需要特别重视地质勘察工作，除了业主提供的详勘地质报告以外，施工单位仍需做细致的超前地质预报工作，准确掌握和判明隧道开挖掌子面前方的地质情况，以确保施工安全有效地顺利进行。（2）对于绝大部分隧道的地质预报工作，TSP法和探地雷达的有效结合基本可以满足需要，特别是某些围岩较好的区段TSP法就可以得到满意的预报结果；但对于某些复杂地质情况，应针对其特有的不良工程特性，采用相应的、行之有效的综合物探手段，有必要时还可以适当选择水平钻探。（3）对于超前预报方法所推测出来的某些特复杂、可能会发生严重工程事故的不良地段，建议按照其最不利因素组合的情况来施工。（4）TSP法的智能化和解释精度还有待进一步的提高。
参考文献（References）:
[1] 李华,朱自强,李键.TSP203系统在岩体分级中的应用研究[J]. 工程地球物理学报, 2005, 2(6):449～453.
[2] Dickmann, T.; Sander, B.K.Drivage-concurrent tunnel seismic prediction (TSP): results from Vereina north tunnel mega-project and Piora pilot gallery Geomechanics Abstracts Volume: 1997, Issue: 2, February, 1997, pp. 82
[3] 李大心.探地雷达方法与应用．北京：地质出版社，1994．
[4] 钟宏伟,赵凌. 我国隧道工程超前预报技术现状分析[J]. 人民长江, 2004,09:16-18.
期刊VIP网，您身边的高端学术顾问
文章名称：
隧道超前地质预报的方法探讨
文章地址：
http://www.qikanvip.com/jianzhugongcheng/297.html
