隧道超前地質預報技術應用現狀及其發展趨勢

摘要：隧道超前地質預報技術是隧道施工過程中必不可少的重要環節，對于防治隧道施工過程中的地質災害、實現生產安全、提高施工的綜合效益具有重要的意義和作用。本文首先對隧道施工超前地質預報技術的應用現狀進行了深入分析，包括地質分析法、物探法當中的TSP法和地質雷達法，然后對上述幾項地質預報技術的應用優勢及應用不足等使用現狀情況進行了探討，最后對隧道施工超前地質預報技術未來的技術、需求、壓力等發展趨勢進行了展望，以期對本領域相關研究提供一定的參考。

關鍵詞：隧道超前地質預報技術;TSP法;地質雷達;應用現狀;發展趨勢

1 緒論

隨著國民經濟迅速發展，我國的交通網絡建設正在不斷完善，全新的公路、鐵路交通網線正在朝著西部等偏遠山區不斷延伸。各種類型的隧道（洞）在交通網絡建設中地位愈來愈顯示出重要作用。據預測，我國將在近幾十年內完成鐵路交通、公路交通以及水利水電、能源礦山、市政工程等領域大量隧道（洞）工程的修建，我國將成為世界上隧道修建規模最大、難度最高的國家。

近年來我國的山嶺深大隧道及跨海隧道等高難度隧道工程不斷涌現，對工程地質勘察工作的要求也不斷加大。然而，由于施工區域復雜多變的地質條件以及現有地質勘探手段的局限性，無法及時、精準地揭示隱蔽于隧道沿線的諸如節理、斷層、溶洞、破碎巖體等不良地質體，這成為隧道施工過程中出現塌方、突水等地質災害的重大誘因。

為了及時、有效地掌握隧道施工期間掌子面前方的地質情況，以減少或杜絕施工過程中的地質災害、實現生產安全，就必須做好隧道施工過程中超前地質預報的相關工作。如在貴州省赤望高速公路白臘坎至黔西段第六合同段中，因為采用了合理的隧道施工超前地質預報，最終極大地減少了安全事故的發生，有效提高了隧道工程的綜合效益。[1]本文在前人研究的基礎之上，對隧道超前地質預報技術應用現狀進行了深入的分析，并對其未來發展過程中的問題和趨勢進行了探討，為超前地質預報技術的綜合研究提供了參考。

2 隧道超前地質預報技術的應用現狀

2.1 地質分析法

地質分析法是目前隧道施工中最基本、應用最廣泛的超前地質預報技術方法，其主要是根據掌子面、隧洞及區域地表條件的地質調查結果進行超前預報。通過地質分析法能夠判斷施工所在區域地質情況，劃分風險等級，重點辨識高風險區域，同時，還可以通過對隧道掌子面前方的不良地質現象進行預測勘察，依照預測可能出現的類型、規模、部位，在隧道施工前制定出相應的超前地質預報方案，確保施工過程中選用工藝與措施的科學合理性，降低事故發生率。改預報方法主要針對于埋深較淺、地質構造不太復雜的地質，準確度高，不適合在深埋隧道以及地質構造復雜多變地區采用，因為，無法保障預測準確性，并且該方法開展工作難度較大。[2]

2.2 物探法

物探法是根據隧道工程巖土體不同的物理特點，采用不同的探測方式和探測儀器對隧道內部進行地球物理變化的探測，該方法是一種間接測試的方式。由于物探法對于隧道掌子面的施工不會造成影響，并且也不會破壞地質，所以該方法在近些年得到了快速發展。

物探法主要有包括以下兩種方法：

（1）TSP法。該方法始創于20世紀90年代末，是由瑞士安伯格測量技術公司所研發的一套超前預報系統。TSP（隧道地震勘探）屬于多波多分量探測技術，其主要通過利用地震波在不均勻地質體中產生的反射波特性原理，檢測出掌子面前方巖性的變化，起到對隧道掌子面前方及周圍臨近區域地質情況進行預測。TSP法主要應用于100200米中、長距離超前地質探測預報中，其應用優勢主要有探測距離遠、抗干擾性強以及分辨率高等。目前已經成功地在法國、日本等多個國家的公路和鐵路隧道、輸水隧洞等進行了千余次卓有成效的地質超前預報工作，同時，TSP法也獲得了我國隧道工程技術人員的一致認同，在國內得到了快速發展并被成功地應用于公路和鐵路隧道工程中。

（2）地質雷達法。地質雷達法是利用隧道前方巖石介質界面的電磁特性差異而產生的電磁反射波進行隧道超前預報，其發射的是高頻的電磁脈沖，在復雜的地質環境下，電磁波的衰減很快。在巖性較好情況下該方法一般能夠探測開挖面前方10～30 m范圍內及隧道周圍的地質狀況。該方法具有成本低、使用簡單，可操作性強等優勢。[3]

3 隧道超前地質預報技術的發展趨勢

從超前探測技術的發展現狀來看，技術本身仍存在諸多難題亟待突破，尤其是如何綜合應用多種全新的探測技術和方式以滿足深大山嶺隧道和跨海隧道等工程的施工安全需要。因此，未來隧道超前地質預報技術發展所面臨的形勢、需求及壓力均非常緊迫。[4]

3.1 綜合應用多種探測技術

單一超前地質預報方法的準確度并不完全可靠，目前還沒有哪種預報方法能對所有地質缺陷都做出準確預報。只有將多種超前預報技術進行結合，取長補短、互為驗證，互為補充，才能夠實現降低多解性、提高探測可靠性的目的。筆者認為可以將地質分析法、地質雷達與TSP法三種超前地質預報技術相結合，以TSP法為主要方法，以地質分析法和地質雷達法為輔助方法，建立系統立體的綜合超前預報方法。

3.2 定量化超前預報技術

鉆爆法是隧道施工過程中一種重要有效的施工方法，目前鉆爆法施工隧道超前地質預報技術已經趨于成熟，未來發展的方向在于怎樣實現定量化超前預報。定量化超前預報是指利用先進的定向激發探測方式，對施工區域各種復雜的地質環境實現精確地質數據的定量化分析和提示。實現定量化超前預報的核心和關鍵在于創新探水定量這一難題。在定量化探水方面，僅有核磁共振法和激發極化法這兩種物探方法被證明對水量有較敏感的響應，[4]但是隧道內利用核磁共振和激發極化進行最后的定量探水目前處于起步階段，也就是最多半定量估算的水平，未來還需要開展大量的室內和現場測試來查明具體地質條件下兩者與水量的內在關系，以研發出真正切實有效的定量探水方法，實現對地質情況的精準預報。

3.3 TBM施工隧道超前地質預報技術

TBM法是歐美、日本等發達國家廣泛采用的一種隧道施工方法，我國也在逐漸接受和推廣。TBM法的地層適應性差，對超前地質預報的安全性和適應性要求較高，需要根據隧道掌子面的具體特點，判斷掌子面的水體情況，綜合應用兩到三種超前地質預報技術，以長、中、短距離相互搭配，

優勢互補，降低多解性為原則進行預報，此外，利用掘進機破巖震動激發的被動源地震波法可實時探測反饋前方的地質情況，具有很好的前景;將觀測系統通過利用多同性源屏蔽聚焦激發極化技術可以布置在掌子面上，有效的縮小了占用空間，在TBM應用中，也據用較好的前景。在定量估算水量過程中，激發極化技術的應用是很好的可行方法，必要時可將單孔定向雷達裝配 TBM 機械上。[4]與此同時，地球物理儀器的搭載技術是TBM的一個特殊的需求，在未來的技術研究中，相關技術人員將把如何實現超前地質預報儀器與TBM 機械的一體化搭載和自動化快速測量最為極力解決的重要問題。[4]

3.4 隨鉆或鉆孔精細超前探測技術

通常來說，鉆孔地球物理技術能夠科學地探明隧道掌子面中的含水量情況，并為是否會影響隧道工程的施工質量提供參考。隨鉆或鉆孔精細超前探測技術的分辨率越高，結構面的成像越好。在進行隧道施工前，通過對隨鉆或鉆孔精細超前探測技術的科學合理運用，實現超前地質預報中對隧道內部結構特點的更好了解，從而起到降低地質災害的發生。

此外，隨著我國科學技術研究人員對探測技術的不斷研究與探討，已研發了跨孔地質雷達、跨孔彈性波等跨孔成像探測技術，研究成效有所進展，但是，在未來的研中，需要加大對提高空間分辨率技術方面的提升。在充分考慮探測效率因素上，更重視對單孔探測技術的應用。當前，在隧道超前探測中，單孔地質雷達成為唯一可用的單孔探測技術，其探測半徑較大，且具有隨鉆探測的可能性。[4]但由于電磁波傳播的全方向性，目前單孔雷達無法測定目標體的方位角，單孔雷達定向探測理論和技術是今后研究的重點之一。

4 結語

筆者在總結前人已有研究成果的基礎上，結合自身參與的工程實踐以及開展的相關調研，對隧道超前地質預報技術的應用現狀進行了深入分析，并展望了該技術未來的發展趨勢。對于該領域的研究者和應用者來說，應立足當前，放眼未來，充分厘清具體隧道工程的結構特點，探討采用合理的探測技術，力求不斷提高探測結果的準確性，使超前地質預報能夠為隧道工程施工提供良好的服務，以此不斷推動我國隧道工程更好的發展。

參考文獻：

[1]王亞平.淺析隧道施工超前地質預報研究現狀及發展趨勢[J].江西建材，2015（23）：196.

[2]安紅潤，姬文瑞.隧道施工超前地質預報研究現狀及發展趨勢[J].建筑工程技術與設計，2015（34）：2526.

[3]于耀.隧道施工超前地質預報研究現狀及發展趨勢[J].工業，2015（12）：00241.

[4]李術才，劉斌，孫懷鳳，等.隧道施工超前地質預報研究現狀及發展趨勢[J].巖石力學與工程學報，2014，33（6）：10901113.

項目基金：楊凌職業技術學院2017年度自然科學研究基金項目“地質雷達與TSP在隧道超前地質預報中的綜合應用及分析研究”（課題編號：A2017018;項目主持人：高熙賀）

作者簡介：高熙賀（1983），男，漢族，吉林長春人，碩士，講師，研究方向：工程地質、礦產地質、巖土工程、城市軌道交通運營管理。