隧道建设过程中超前地质预报应用方法浅析

李卫炎

(浙江省交通工程建设集团 第三交通工程有限公司，杭州 310051)

随着我国交通事业的蓬勃发展，长大隧道工程日益增多。不同形式的长大隧道在高等级公路、铁路中使用也越来越普遍，修建隧道的施工方法也日臻完善。新奥法作为当前隧道施工中的主流方法有着重要的地位，隧道地质超前预报及监控量测已成为保证隧道施工安全和质量的重要手段。但地下工程在建设过程中受诸多因素的影响，如何能够及时、准确、方便地预报施工面前方及周围的地质状况，做到有的放矢地采用与地质情况相适应的开挖方法和支护手段，是隧道工程界多年来不断努力探索的课题［1］。现行隧道施工超前预报采用的方法中，有的探测距离太短，如雷达;有的则过于昂贵，使用起来也未必方便，例如进口的TSP203 设备［2-4］。

采用地震波回波信号来探测预报地质状况，多年来一直应用于超前地质预报探测中。但如何获得广谱的有较强指向性的回波信号，如何筛选、处理、分析这些信号并最后较准确地获取我们期望的成果，却是诸多地震仪尚未完全解决的问题，也是困扰地下工程界的难题之一［5-6］。有鉴于此，本文从现行长大隧道工程中常采用的超前地质预报方法分析入手，针对预报过程中的重点问题开展探讨，以资参考。

1 超前地质预报中常用方法及其优缺点分析

长期以来，我国隧道施工队伍普遍忽略地质超前预报工作，大多是按设计图纸施工，发现地质情况不对才提出变更，或者是发生塌方、涌水等灾害性事故后，才认真审视地质工作。事实上，隧道施工地质工作已成为一道不可缺少的重要工序，重视隧道施工超前地质预报工作也正在成为管理部门和广大工程技术人员的共识。

地下工程施工过程中超前地质预报方法较多，但主流方法仍以地震波法、电磁波法及瞬变电磁法等为代表。由于各种超前预报技术的基础理论不同，并有各自的适用范围和特点，应根据具体隧道的特点有选择性的采用，不能一味所有方法全部用上。因此，有必要对各自方法的适用性及优缺点进行比较分析。

1.1 超前地质预报中常用方法

1.1.1 地震波法

该法的基本原理如图1(a)所示，在隧道掌子面附近边墙一定范围内布置激发孔，通过在孔中人工激发地震波，所产生的地震波以球面波的形式在隧道围岩中传播。当围岩波阻抗发生变化时(例如遇岩溶、断层或岩层的分界面)，一部分地震波将会被反射回来，另一部分地震波将会继续向前传播。这种方法在已开挖的隧道侧壁上进行探测，它一方面排除了对施工的干扰，另一方面建立了与隧道轴线相关的空间几何关系，为今后的定量分析提供了参考坐标［3］。

该地质预报系统可以对掌子面前方中等硬度级别的隧道围岩，100～200 m范围内的岩性变化、断层、破碎带、岩溶发育带以及它们的分布特征、规模和前方岩层的含水特性做出预测。并能计算出上述范围内的纵波(P波)和横波波速(SH波)、波速比、泊松比及相应岩体的动弹性模量和剪切模量等岩石力学参数。该方法中典型的代表性仪器如TSP203，TGP206等。

1.1.2 电磁波法

该方法基于一种用于确定地下介质分布情况的高频电磁技术，从测得的地下介质的电性差异来获取相关地质信息。工作过程是:由置于地面的天线向地下发射一高频电磁脉冲，当其在地下传播过程中遇到不同电性(主要是相对介电常数)界面时，电磁波一部分发生折射透过界面继续传播，另一部分发生反射折向地面，被接收天线接收，并由主机记录。在更深处的界面，电磁波同样发生反射与折射，直到能量被完全吸收为止，见图1(b)。电磁波从被发射天线发射到被接收天线接收的时间称为双程走时t，当求得地下介质的波速时，可根据测到的精确t值折半乘以波速求得目标体的位置或埋深。同时结合各反射波组的波幅与频率特征可以得到波形图像，从而了解场地内目标体的分布情况［7］。该方法中典型的代表性仪器为地质雷达。

图1 地震波法与电磁波法超前地质预报示意

1.1.3 瞬变电磁法

瞬变电磁法是利用不接地天线向地下发射一次脉冲电磁场，在一次脉冲磁场的间歇期，观测二次涡流场的方法，见图2。当发射回线中的电流突然断开时，在介质中激励二次涡流场，在二次涡流场的衰减过程中，早期反映浅层信息，晚期反映深部信息。研究瞬变电磁场随时间的变化规律，即可了解不同导电介质的垂向分布。瞬变电磁法的探测深度与线圈的大小、匝数有关。线圈越大，匝数越多，探测深度越大。

该法能探测掌子面前方30～50 m距离，具有测试速度快、测试时间短及对地下水敏感度高等特点。

1.2 各种超前地质预报常用方法优缺点分析

隧道施工超前地质预报方法历经几十年的发展，已经由单一的地质分析预报阶段发展到地质分析结合地球物理探测的综合预报阶段。目前国内使用较多的方法主要有地震类方法(如 TSP/TGP、TST等)、电磁波法(如地质雷达)、瞬变电磁法等，各种方法均有自身的特点与优势及相应的不足，见图3及表1。

由表1、图3可见，地震波法(TSP/TGP)探测系统较之其它设备，由于具有探测距离远、分辨率高、抗干扰能力强，对施工干扰小等诸多优点而被广泛采用。但其也存在如下缺点:对地下水敏感程度相对较差;对与隧道轴线小角度相交或倾角较缓的岩层预报准确度相对较低等。地质雷达主要是一种现场操作简单、对现场掌子面要求较低且具有高分辨率、高准确度的一种方法，其缺陷是预报距离较短，且容易受现场金属材料等的干扰。同时由于受到自身设备重量的影响，很难全面查清尤其是掌子面拱顶部位的围岩及不良地质分布特征。而瞬变电磁法虽然对水很敏感，但受现场影响较大，预测距离也较短。

2 隧道建设过程中超前地质预报技术方案浅析

从前述各种超前地质预报技术的特点来看，均有各自的适用范围和探测优势，因此，在隧道建设过程中应根据各自方法的特点结合具体隧道的实际情况，有选择的使用［8-9］。依据前述分析，作者提出隧道超前地质预报中应按“长短结合、综合预测预报”的原则进行，具体技术方案归结为以下4项。

1)总体预测预报手段 为避免超前地质预报对施工带来的不利干扰，建议以地震波法作长距离预报，采用目前最先进的超前探测设备(如TGP206/TSP203等)对隧道全长范围内的岩土体分布特征、不良地质发育状况等进行长距离的探测。

2)隧道洞口段预测预报手段 在隧道洞口位置，受实施条件的制约，长距离超前预测预报手段(如TGP206/TSP203)难以实施的地段，建议主要采用短距离的预测预报措施(如电磁波法中的代表性仪器地质雷达)，必要时结合超前钻孔进行。

图2 瞬变电磁法原理示意

表1 各测试方法的对比表

图3 各方法超前预报测区布置

3)长大深埋隧道及地质不良段预报手段 针对长大深埋隧道埋深大、穿越地质条件复杂等具体特点，在充分参考设计阶段地勘资料的基础上，同时考虑到各超前探测设备对前方不良地质体反应敏感程度的差异，制定超前地质预测预报基本原则:①以长距离超前预测预报为主，重点对长距离超前地质预测预报过程中表现不甚敏感的不良地质体(如地下水、断层、溶洞等)采用针对性的探测设备;②针对隧道大埋深段(一般处于高地应力区)通过超前预报信息的解译(如围岩弹性波速、重度等指标)辨识前方岩体的致密及坚硬程度，结合自重应力场特征初步判别岩爆、大变形等发生的可能性;③针对地下水，在前期长距离超前预报的基础上，采用对水敏感度高的瞬变电磁仪或红外探测仪进行超前探测;④针对隧道前方不良地质体(如溶洞、采空区)，采用短距离的地质雷达探测手段进行二次验证;⑤由地质工程师根据区域地质知识和经验，综合分析判断，对掌子面前方的地质情况做出预测，并对各类仪器探测出的地质现象做出合理解释。

4)根据现场超前地质预测预报结果，对勘查设计给出的地质资料，进行分析研究，结合实际情况，判断隧道地质划分的正确与否，及时识别施工中可能存在的风险源并提出相应的建议。

3 结语

近年来，随着我国基础设施建设的不断加快，各类长大深埋及特殊复杂地质条件下的隧道大量涌现。超前地质预报技术作为前期勘察资料的有益补充，越来越得到现场技术人员的重视，各种新技术、新设备也屡见不鲜。但由于各种技术设备基于基础理论的差异，均有各自的适用性，本文在总结现今超前地质预报技术主流方法优缺点的基础上，提出了隧道建设过程中超前地质预报技术的具体实施原则与方案，以供现场技术人员参考。文中不足之处，敬请批评指正。

［1］何发亮，李苍松，陈成宗．隧道地质超前预报［M］．成都:西南交通大学出版社，2006．

［2］涂碧海，黄兴，李克坤．超前地质预测预报技术研究［J］．铁道建筑，2010(1):146-150．

［3］何继善，柳建新．隧道超前探测方法技术与应用研究［J］．工程地球物理学报，2004，1(4):293-298．

［4］姚云泉，张兴刚．探地雷达在世界之窗站隧道中的应用［J］．铁道建筑，2010(8):70-72．

［5］徐则明，黄润秋．深埋特长隧道及其施工地质灾害［M］．成都:西南交通大学出版社，2000．

［6］刘志刚，赵勇．隧道隧洞施工地质技术［M］．北京:中国铁道出版社，2001．

［7］范占锋，李天斌，孟陆波．探地雷达在公路隧道超前地质预报中的应用［J］．物探与化探，2010，34(1):119-122．

［8］李峰亮．对隧道施工中地质预测预报分类的设想［C］//地下工程建设中地质灾害预测预报及防治学术讨论会论文集．北京:地质出版社，1991:41-44．

［9］中华人民共和国铁道部．铁建设［2008］105号 铁路隧道超前地质预报技术指南［S］．北京:中国铁道出版社，2008．