隧道超前地質預報的技術研究

蔣佳

摘要：在隧道工程施工階段，容易遇到斷層破碎帶、溶洞、富水層等地質情況，這些地質會影響施工效率和施工質量，前期勘察設計資料與實際地質情況的匹配程度也相對較低。而開展超前地質預報，可以幫助施工單位準確掌握隧道掌子面前方信息，在此基礎上，對設計方案和施工方法進行調整，有利于確保工程施工的順利進行。因此，對此項課題進行研究，具有十分重要的意義。

關鍵詞：隧道;超前地質預報;技術

1超前地質預報的主要難點

1.1地質勘探的局限性

由于隧道埋深較大，測量難度較大。同時，由于其自身斷面尺寸的影響，水平鉆或超前掘進等檢測方法存在很大的局限性。施工周期長，成本高。

1.2地質和物理性質差異較大

詳細地質超前預報包括地質構造、工程地質、水文等內容。其中，巖體的結構特征、工程特征和完整性主要體現在力學性質上，而水文特征主要體現在電性差異上。任何單一類型的地球物理方法都難以涵蓋機械和電氣性能的變化。

1.3復雜地震波相位

隧道中的地震反射波是三維的。有必要分析反射波的不同方向、波速、位置和性質。同時，表面波、縱波和轉換波的識別比在地表觀測到的地震相位要復雜得多。

1.4預報要求的內容多、質量高

隧道超前預報主要涉及三個地質問題：一是構造軟弱帶問題，包括斷層、溶洞、破碎帶等不良地質體的性質、規模、位置和產狀;二是危險的含水、含氣構造，包括含水斷層、含水溶洞和含水松散體的位置、規模、富水性和水壓;天然氣產生、儲存和覆蓋的地質條件;三是圍巖的工程類別。這三個問題都是工程物探的難題。

2隧道超前地質預報的技術

2.1地震波法

TSP（TunnelSeismicPrediction）隧道超前地質預報系統是由瑞士Amberg公司研制的一種超前地質預報產品，目前在我國應用十分廣泛。TSP隧道超前地質預報技術屬于反射地震波法，是通過人工震源產生的一部分球面波通過隧道軸線方向向掌子面前方傳播，當掌子面前方遇到地層界面、溶洞、裂隙等不良地質體時，將產生反射波，根據反射波的反射時間、傳播速度、強度、波形和方向等通過不同的數據形式表現出來，然后被高靈敏傳感器接收，通過電腦處理來預測掌子面方不良地質體的相關性質與產狀。

2.2聲波測試

聲波對裂紋響應非常敏感。當遇到裂紋時，界面效應發生，波能量消耗，波形變得復雜，波速減慢。此外，聲波速度還與巖體強度有關。聲波測試方法有很多種，主要包括巖石表面測試和孔內測試：巖石表面測試在開挖段進行。由于隧道開挖和爆破，形成了許多拉伸裂縫，地表巖石的實測波速略低于實際巖體的波速。鉆孔測試可分為單孔和雙孔。單孔測試是將發射源和接收器放在同一個孔中，但只能測量鉆孔周圍一個波長范圍內的地質條件。雙孔測試是將發射源和接收器放置在不同的鉆孔中，測試兩個鉆孔之間的巖石波速。

2.3地質雷達技術

探地雷達是一種短距離、有效的地下水探測預報方法。它利用電磁波的雙向傳播時間差來確定前方地質體的形狀和屬性。其工作原理是將連續的電磁波傳輸到隧道前方。由于前方地質體的荷電性質不同，在遇到不良地質體界面時會有所反映。接收設備將接收返回的電磁波，回波的頻率、振幅和相位將相應地改變。根據前方不良地質體的特點，分析其類型和規模。在實際應用中，探地雷達能更好地反饋前方圍巖性質的變化。在識別致密破碎帶、斷層破碎帶等不良地質體方面具有一定優勢，對巖溶及含水層影響明顯。但是，探地雷達探測距離太短，在探測過程中容易受到其他雜波的干擾，另外，不良地質體的垂向發育和傾角存在一定的局限性，影響了預測結果，因此，有必要配合其他方法進行綜合勘探。

2.4紅外探測

所有物體都發射不可見的紅外能量，該能量與物體的發射率成正比。發射率取決于物體的材料及其表面狀況。當隧道頭部前方和周圍介質為單一介質時，測得的紅外場為法向場。當前方有隱蔽的含水構造或水體時，其產生的場強應疊加在法向場上，使法向場發生畸變。據此判斷隧道前方一定范圍內是否有含水構造。紅外輻射曲線的上升或下降可以確定是否存在水，在其他情況下是否存在水。紅外探測的特點是可以探測到隧道的整個空間和各個方向。這儀器操作簡單。可預測隧道周邊空間及開挖前方30m范圍內是否有隱蔽水體或含水建筑物。可在施工間隔內進行測試，不占用施工時間。然而，這種方法只能確定沒有水，并且沒有定量的解釋。

2.5偏移成像技術

TST可將波場分離和波速掃描確定的最優速度作為基礎，使用合成孔徑偏移成像技術。就是將目標點散熱強度作為切入點，通過延時疊加的方式，使觀測孔徑內的散熱信號不斷疊加，最終對地層分層位置的反射界面進行精確反映。就是計算圍巖波速和地震回波走時，并依據計算結果找到異常界面所處位置。此外，對圍巖阻抗變化進行明確，可以對地震回波的幅值變化和極性變化進行運用，通過這種措施，使異常界面兩側圍巖物性差異被準確反映。

2.6電磁波法

電磁波法利用電磁波在不同介質中的傳播和反射特性進行地質預測。目前常用的方法是地質雷達。利用地質雷達進行超前預報時，當當前方巖完整時，可預報25m的距離;當巖石不完整或有構造時，預測距離也可達到15m左右。雷達探測效果主要取決于不同介質的介電常數。如果介質間的介電常數差較大，則檢測效果較好。在隧道內測試時，由于干擾因素較多，往往會產生虛假異常，形成誤判。因此，應加強數據采集和處理，盡可能消除干擾，提高檢測精度。

2.7綜合超前預報方法

隨著技術水平的快速發展和施工環境的復雜，隧道施工超前地質預報技術已從單一的預報技術發展到綜合預報系統。目前，先進的地質預報技術主要有地質調查法、地震波法、電磁法、直流法等，施工現場綜合運用多種地質預報方法，對掌子面前方的不良地質條件進行預測，數據處理和預測結果更加準確、清晰。建立五階段綜合調查體系，建立高風險巖溶隧道地質災害災害預警機制。采用定性分析與定量分析相結合的方法，建立了隧道前方不良地質體綜合分析預測體系，并通過現場預測結果進行了驗證。

2.8隧道綜合預報體系

在進行隧道綜合超前地質預報時，每種預報方法的探測原理、探測距離、探測范圍都不相同，其對隧道前方不良地質體的地質構造的判別程度也不相同，根據不同地質構造的地球物理特性，以“地質調查與物探技術相結合、長中短距離相結合、洞內外相結合、定性與定量分析相結合、經驗法與專家系統分析相結合”五結合為原則，建立綜合超前預報體系。

結論

隨著科學技術的發展，電子技術和計算機技術的應用，以及特殊物探手段的不斷發展，先進地質預報通過與宏觀地質預報相結合，對地質災害進行評估，及時發出警報，中長期預測（TRT）、短期預測（地質雷達）、特殊方法預測（鉆孔電視）采取有效的應急建設措施，為重大地質災害的防治提供有力保障。

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