隧道工程超前地质预报的研究现状及发展趋势

朱 飞 刘国正 彭红明

(青海省环境地质勘查局，青海 西宁 810007)

隧道工程超前地质预报的研究现状及发展趋势

朱 飞 刘国正 彭红明

(青海省环境地质勘查局，青海 西宁 810007)

通过了解国内外隧道工程超前地质预报的发展现状及对目前几种常用的超前预报方法的分析，总结出几种常用的隧道超前预报的优缺点及适用范围，并对未来的发展趋势进行了展望，探索了计算机技术在隧道超前预报发展中的应用。

隧道工程，超前预报，TSP法，地质雷达，红外探水

0 引言

自实施改革开放国策以来，我国经济快速发展，国家加大了基础设施的建设。目前，国家每年投资成百上千万修建高等级公路、铁路，在山岭重丘地区修建高等级公路、铁路，为了缩短里程，改善路线及减少植被破坏，则需要对山体进行开挖以便修建隧道。为了防止由此而引起的相关地质灾害，满足隧道施工进度对掘进前方地质情况的了解要求，迫切地需要先进的探测手段和优良的探测技术，及时快速地进行超前探测与预报，因此，隧道的超前地质预报工作就变得非常重要。

1 对于目前国内外隧道超前预报工作的研究情况

20世纪80年代，对掌子面附近地质条件的详细研究在前西德取得一定成果，而澳大利亚则预报隧道施工前方的地层状况，法国主要研究在什么样的探测方法下加快隧道的掘进速度问题。日本主要研究开挖前方地质预报，20世纪90年代初，瑞士Amberg测量技术有限公司开发研制了TSP隧道地震预报系统预测即将开挖隧道施工前方的地质结构及其围岩地质状况，同时也可对其力学参数进行评估。经研究调查，我国在超前地质预报领域的研究最早始于20世纪50年代末的煤矿生产中，谷德振等教授最开始的研究是以分析矿巷开挖的施工进度对矿巷掌子面前方将遇到不良地质灾害体等引起的可能塌方事件，从70年代开始，我国全面开始了隧道施工期间的超前地质预报研究和应用工作。20世纪70年代初，我国开始进行探地雷达研制工作，1987年我国从德国引进槽波地震勘探技术，1988年紧接着从日本引进了瑞雷波法，终于在1991年成功的研制出瞬态震源MRD-I型瑞雷波探测仪。钟世航1992年提出的陆地声纳法(也叫高频地震反射法)其实质是垂直地震波反射法。最近这些年，以TSP为主的工程技术也引起了中国工程技术人员的重视和认同，在1996年，我国的铁道部隧道工程局第一次引进了TSP202仪器，随后，为了解决隧道超前地质预报和隧道地质监测这两个方向的工作需要，北京市水电物探研究所，通过多年的努力研发，终于开发出了TGP12多功能隧道超前地质预报与检测仪和与之相匹配的TGPWin软件处理系统。

2 常用隧道预报方法的基本原理

2.1 TSP隧道地震波探测超前地质预报方法

隧道地震超前预报测量系统简称TSP(Tunnel Seismic Prediction),是我国20世纪90年代从瑞士安伯格(AMBERG)测量技术公司引进的一套先进的地质超前预报探测系统，也是我国目前应用较为广泛的一种。TSP和其他的反射地震波方法一样，采用了回声测量原理：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)用小量炸药激发产生，产生的地震波在岩石中以面波的形式向前传播，当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗界面，例如断层，岩石破碎带，岩性突变等)时，一部分地震信号返回来，一部分地震信号透射进入前方介质，反射的地震信号被两个三维高灵敏度的地震检波器(一般左边墙和右边墙各一个)接收。通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析，便可推断空洞断层，岩石破碎等不良地质体的位置、规模、产状及岩石力学参数。

2.2 红外探水超前地质预报方法

对地球表层岩体的温度起到主导作用的是地球地热场。在一定深度范围内，深度方向每增加1 km，地热场的温度则相应的增加30 ℃，而与其垂直的水平方向，地热场的温度变化却非常小，由此得出结论，在一定深度下，开挖隧道的岩体，可将其看做位于一恒定温度场中，为一常温场，温度的变化几乎为零。所以，当预计即将开挖的掌子面后方存在含有水的岩层，如溶洞、裂隙水等，且该含水岩层与开挖岩体存在一定的温度差时，岩体中会产生相应的热传导和对流作用，那么温度场即不再为恒温场，故而会产生一定的温度异常场，由于这种异常的存在，故掌子面上会存在着温度的差异，所以利用红外辐射测温法测定这种温度变化差异，就可预报掌子面前方的含水层情况。这种方法就是红外探水超前地质预报方法。

2.3 其他几种超前预报方法

超前预报法除了上述介绍的几种之外，还包括HSP水平声波刨面法、声波CT技术等几种方法，相对而言，这几种方法运用较少。以下简要的介绍这几种方法的原理:1)HSP水平声波剖面超前地质预报方法。由于波的传播过程遵循惠更斯—菲涅尔原理和费马原理，故该方法的原理是建立在弹性波理论的基础之上。HSP水平声波剖面超前地质预报方法有其局限性，探测时的前提条件是岩溶洞穴及充填物与周边地质体间存在较明显的声学特性差异。预报时，在隧道的施工掌子面或边墙处发射低频声波信号，同时，在隧道内其他地点接收反射波的信号，通过对探测到的反射波信号进行时域、频域等方法的分析，就可以了解掌子面前方岩体的变化情况。2)声波CT超前地质预报方法。声波CT超前地质预报方法的基本原理与医学CT技术原理相同，在做预报时也有相应的物理前提，即物性差异不同的介质，在其内部声波的传播速度也不同，通过这种预报方法，在密集对穿的测试方式下，可以通过声波在不同介质中传播速度的不同来计算模拟出物体内部不同物性的具体性质，再通过现场收集到的地质资料的分析，从而达到对预报的掌子面前方的岩体内部的地质体进行三维图像的直观展示。

3 常用隧道探测方法的特点

3.1 TSP超前地质预测预报法的特点

优点：1)该方法适用的范围比较广，适用于各类地质情况；2)对掌子面前方的距离预报较长，能预报掌子面前方达500 m深度；3)不影响隧道施工，只是在接收信号时短暂停止施工即可；4)用时短，每次的探测时间约为45 min；5)投入费用较少，单位长度隧道的超前地质预报费用非常低；6)成果报告快，仅需要一天时间即可完成成果报告。

缺点：1)存在部分因断层、大型节理带与掌子面角度为钝角时，活隧道因开挖空腔挡住地震震源产生的地震波，使其无法穿透，不能经过反射镜面反射，使得待接收装置无法接收，而导致局部断层等不被识别。2)TSP的成果质量受到现场起爆点、接收点钻孔的位置、长度以及角度等的影响非常严重。3)因为所使用的设备均为进口设备，所以成本较高，在普通隧道施工中应用较少。

3.2 红外探水超前地质预报法的特点

优点：预测速度快，占用施工时间较少；数据分析快，预测工作结束时，就可以得到初步结论。

缺点：仅仅可以预测出含水岩体的大致方位，不能给出含水岩体的具体位置及所含水量及水压等详细数据。

4 结语

经过前面的总结分析，我们从总体上了解了隧道工程超前地质预报的发展概况以及现阶段我国所常用的几种超前探测方法，并对其优缺点进行了简要的分析。近年来，随着计算机技术的不断发展，将会越来越多地采用数值模拟计算方法来模拟隧道围岩的变形。

[1] 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，2004，9(35)：15-17.

[2] 岳建华，刘树才.矿井直流电法勘探[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000：1-13.

Researchingpresentsituationandtrendofdevelopmentofgeologyforecastoftunneling

ZHUFeiLIUGuo-zhengPENGHong-ming

(QinghaiEnvironmentalGeologyExplorationBureau,Xining810007,China)

This article summarizes characteristic and applicable scope of several commonly methods of tunnel forecasts through understanding the development present situation of tunneling the domestic and foreign in advance geology forecast and forecasts the method in advance to the commonly used tunnel the analysis characteristic, and will carry on the forecast to future trend of development, exploring computer technology application of the tunnel forecasts.

tunneling, forecasts, the TSP law, geological radar, infrared to search the water

1009-6825(2014)33-0156-02

2014-09-18

朱 飞(1984- )，男，硕士，工程师

U452.1

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