隧道施工超前地质预报技术研究★

董君 陈海鹏 唐鹭

(中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都 610041)

1 超前地质预报技术的必要性

随着我国国民经济的快速发展和隧道工程技术的日益进步，目前，隧道越建越长，在复杂地质条件下修建的隧道越来越多，隧道施工中遇到的问题也愈加复杂，由此而来的隧道洞内塌方、涌水、涌泥、涌砂、岩爆、瓦斯爆炸等灾害时有发生。为保证隧道施工的安全和高效，超前地质预报技术的应用至关重要。超前地质预报具有非常重要的意义，通过超前预报技术掌握掌子面前方不良地质体的位置、产状、围岩结构的完整性及含水的可能性，为正确的选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案等提供依据，并且为塌方、涌水、突泥、突气等事故的发生做好预报;因此该技术保证了隧道施工的安全科学性，提高了工作效率、节省了投资。

2 隧道超前地质预报的主要方法

目前，隧道超前地质预报可采用地质素描、超前钻探法、物探法。隧道施工过程中这些方法应综合运用，相互补充。表1为隧道超前地质预报的方法。

表1 隧道超前地质预报的方法

2.1 地质素描

地质素描是地质超前预报采用的一种基本方法，在隧道设计的各个阶段均要采用此方法。隧道施工过程中主要根据掌子面地质条件，如地层岩性、地质构造、岩体结构面产状及其发育情况、岩体破碎程度、岩体变质程度的变化特征、地下水出露点位置及出水状态等，结合已有勘探资料进行隧道开挖掌子面前方的地质条件预测。该方法操作简单、适用性强、不影响隧道施工，而且成本低，但需要较高水平的专业人员完成。

2.2 超前地质钻探

2.2.1 预报原理

超前地质钻探是利用钻机在隧道开挖工作面进行钻探获取地质信息的一种方法，它主要采用冲击钻和回转取芯钻，二者应合理搭配使用［1］。

2.2.2 钻孔技术要求

1)钻孔位置:在掌子面布置3个～5个钻孔;2)孔深:不同地段不同目的的钻孔应采用不同的钻孔深度，一般每循环可钻长度是30 m～50 m，必要时也可钻100 m以上的深孔，每循环搭接长度为5 m［1］;3)孔径:钻孔直径应满足钻探取芯、取样和孔内测试的要求，一般情况下均采用76 mm;4)超前钻探过程中应在现场做好记录，包括钻孔位置、开孔时间、终孔时间、涌水位置、涌水流量、岩芯破碎程度、卡钻现象等情况。

2.2.3 应用领域及特点分析

超前地质钻探适用于各种地质条件，在富水软弱断层破碎带、富水岩溶发育区、煤层瓦斯发育区、重大物探异常区等地质条件复杂地段必须采用［1］。

超前地质钻探是最直观、可靠的超前预报手段，通过钻孔钻进速度测试、岩芯采取率统计、钻孔岩芯的鉴定和岩芯强度试验来确定前方岩层的分布、岩体的强度、岩体的完整程度以及是否存在不良地质体等;该方法虽直观，但具有“一孔之见”的不足，对溶洞存在漏报的可能，并且操作时间较长，费用也较高。

2.3 加深炮孔探测

加深炮孔探测是利用风钻机或凿岩台车等在隧道开挖工作面钻小孔径深浅孔获取地质信息的一种方法。适用于岩溶发育区的超前地质预报。其技术要求如下:1)孔深:孔深应比爆破孔深3 m以上;2)孔径:孔径大小与爆破孔相当;3)孔数、孔位根据开挖面大小和地质复杂程度确定;4)钻到溶洞和岩溶水时应换用地质钻探或其他方法进行预报［1］。

加深炮孔探测的特点:1)它是超前钻探的一种补充，在岩溶发育区大大提高揭示溶洞的几率，效果非常好;2)与超前地质钻探相比，具有设备简单、操作方便、成本低、对隧道施工影响较小，可利用爆破孔操作;3)孔浅，且不能取岩芯。

2.4 TSP203超前地质预报系统

TSP203(Tunnel Seismic Prediction)是一种新颖、快速、无损的地震反射技术，是目前国内外在地质预报领域最先进的科技成果，它可以十分有效地为工程人员制定相应施工方案、采取应对措施，它是为隧道超前地质预报专门设计的，能迅速地提供在开挖周围及前方的三维空间的地质预报。

2.4.1 预报原理

TSP203法采用了地震波反射原理。通常在隧道内一侧边墙处将24个炮点按一定间距布置成一条直线，用少量炸药激发出的地震波遇到岩石界面、节理带，特别是断层破碎带、溶洞、大的节理面等不良地质界面时，一部分地震波被反射回来，一部分地震信号透射进入前方介质。反射的地震信号被高灵敏度的三分量加速度地震检波器接收(地震数据接收)。反射信号的传播时间和反射界面的距离成正比，故而能知道反射体的存在和位置。通过反射信号的传播速度、波形、强度、相位差等相关数据能了解不良地质体的性质和分布情况，工程技术人员结合相关地质资料进行处理可以预知前方及周围地质变化状况。TSP203超前预报示意图如图1所示。

图1 TSP203超前预报示意图

2.4.2 应用领域及特点分析

TSP203法可以预报掌子面前方的断层破碎带、岩溶及其填充物等不良地质体的性质、规模和位置，预报富含水地质体和老崆等采空区的规模和位置，还可以预报各种不良地质发生突水、突泥、塌方等施工地质灾害概率。TSP203法预报距离为100 m～150 m，在岩体完整的硬质岩层可以预报120 m～180 m［1］。它的一切工作都在掌子面后进行，对隧道施工影响较小，它可以获得地层变化的平面和三维图像，代表性强、可靠度高。与其他手段相比，TSP203的预报距离为地质雷达的4倍多，预报精度为浅层地震仪的5倍，且费用低，因此最适合长距离的超前地质预报。

2.5 地质雷达法

2.5.1 预报原理

地质雷达法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术。通过特定仪器向地下发送脉冲形式的高频、甚高频电磁波。电磁波在介质中传播，当遇到存在电性差异的地下目标体，如空洞、分界面等时，电磁波便发生反射，返回到地面时由接收天线所接收。在对接收天线接收到的雷达波进行处理和分析的基础上，根据接收到的雷达波形、强度、双程时间等参数便可推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标物的探测。这是一种非破坏性的探测技术，可以安全地用于城市建设中的工程场地，并具有较高的探测精度和分辨率［2］。

工作原理如图2，图3所示［2］。图2中T为发射天线，R为接收天线，电磁波在地下介质中遇到目标体和基岩时发生反射，信号返回地面由天线R接收并记录，通过主机的回放处理，就可以得到雷达记录的回波曲线如图3所示，图3中横轴代表地面坐标探测的距离，t为目标层雷达波的反射时间。

图2 地质雷达工作原理示意图

2.5.2 应用领域及特点分析

地质雷达法目前主要用于岩溶、含水带探测，也可用于断层破碎带、软弱夹层等不均匀地质体探测。针对地下富水带、岩溶等不良地质时，应结合TSP203预报系统使用。

地质雷达在完整灰岩地段预报距离宜在30 m以内，在岩溶发育地段的有效探测长度则应根据雷达波形判定，连续预报时前后两次重叠长度应在5 m以上。它是目前分辨率最高的物探法，但是由于预报距离短，且易受洞内机器、管线的干扰。

图3 地质雷达记录的回波曲线示意图

2.6 红外探测

2.6.1 探测原理

红外辐射是由于分子振动形成的，构成地质体的分子和时刻都在不停的振动，它产生的能量不间断的由内向外传播，从而构成红外辐射场。红外辐射场有能量、动量、方向和信息。地质体向外发射红外辐射时，将地质体内的信息传递出来。当隧道前方围岩较为均匀时，探测到的辐射场曲线具有正常特征;当隧道断面前方或外围介质存在灾害源时，灾害源产生的灾害场就一定会迭加到正常场上，从而使正常场中发生畸变，畸变段称作红外异常。

2.6.2 应用领域及特点分析

红外探测采用HY-303防爆红外线探测仪，仪器小巧轻便，操作简单，可实现全空间全方位探测，可探测前方30 m范围内是否存在含水构造、断层、溶洞等。不占用施工时间，资料分析快速、简介、直观，但是它对水量水压等重要参数无法预测，对于水量、水压大小及具体位置则不能探明，其有效探测距离只有30 m。红外探水仪示意图如图4所示。

图4 红外探水仪示意图

2.7 超前地质预报在实际工程中的应用

西气东输二线管道工程西段隧道群施工过程中实施了多次TSP203超前地质预报法和超前地质钻探法，效果很好;西段隧道已于2008年9月全部竣工，比计划提前了2个月。超前地质预报使用后节约了施工时间、节省了投资，保证了隧道施工的安全。

3 结语

隧道超前地质预报，减少了隧道施工过程中的不确定性因素，减少了重大的地质灾害发生的可能性，根据预报结果，及时调整或优化设计以及施工方案，使隧道建设成为安全、经济、科学的优质工程。近年来超前地质预报技术不断发展进步，在工程中应用也越来越广泛，通过多种手段、多种方法的相互补充、相互验证，使得预报准确度更高。目前，随着理论研究的更加深入，它已经发展成为一门重要的学科。

［1］ 铁建设［2008］105号，铁路隧道超前地质预报技术指南［S］.

［2］ 常 铮.地质雷达的工作原理及应用［J］.山西建筑，2007，33(21)：126-127.