岩溶隧道超前探测预报技术方法综述

董江桃

摘 要：在岩溶地区修建隧道时，由于地下岩溶发育的复杂性和多变性，经常会发生突水、突泥等地质灾害，给施工带来很大的经济损失，很多情况下还造成地表水源枯竭、环境污染等问题。目前，防止灾害发生的有效措施是提高超前地质预报在岩溶隧道预报中的精度，及时采取相应的预防措施。总结了几种常见的超前探测预报技术，对比介绍了地质分析法、地质雷达、红外探测，超前水平钻孔、TSP技术的基本原理、优缺点以及其各自的适用范围，为实际岩溶隧道工程的施工提供科学依据。

关键词：岩溶隧道；超前探测；预报技术；地质灾害

1 前言

隧道与其他工程相比，其隐蔽性、施工复杂性、地质条件和周围环境的不确定性更加突出，大大增加了隧道建设的难度和施工风险[1-3]。随着国民经济的飞速发展，在岩溶地区修建的隧道及地下工程越来越多。由于岩溶发育地区往往是断层、节理、裂隙发育、岩层破碎的地段，兼具富水、高水压、不同规模岩溶（溶洞、暗河、溶隙、溶槽等）发育，地下水流通条件好、围岩破碎等诸多施工不利因素，施工中稍有不慎，常常发生突水、突泥、坍方、地表塌陷等突发事件，严重威胁着隧道施工安全。例如渝怀铁路武隆隧道岩溶涌水，圆梁山隧道岩溶涌水、涌泥，宜万铁路野山关隧道涌水等岩溶灾害严重影响了隧道施工进程，而且对施工人员的生命和施工机具的财产造成了巨大危害[4-7]。目前，避免岩溶地质灾害发生的最有效方法是做好超前地质预报工作[8-9]，提高预报的精度，准确预报出开挖前方不良地质体的类型、位置、规模和特征，在此基础上制定出相应的地质灾害预防措施。因此，超前探测预报在岩溶地区的隧道施工中的作用非常有價值，笔者主要探讨了几种常见的超前探测预报技术方法。

2 超前探测预报技术方法研究

2.1 超前地质预报的主要内容

超前地质预报工作的任务是准确探测出隧道开挖前方不良地质体的类型、位置、规模、特征，为隧道顺利施工和地质灾害的预防工作提供指导性的意见。因此，良好的超前地质预报结果应该包括以下2个方面。

（1）准确预报出前方不良地质体的具体位置和规模。这一点对于预报结果非常重要，如果预报结果与实际情况在位置和规模上相差太多，则对现场施工很难起到积极的指导作用。

（2）准确预报出不良地质体的类型和规律。不同类型的不良地质体对应着不同的预防措施，如果不良地质体的类型预报错误，预防措施不当，很容易造成地质灾害的发生。比如将充填型的地下岩溶误认为是洞穴型的地下岩溶，会造成高压突水、突泥等地质灾害的发生。

2.2 重要超前探测预报技术方法

目前，国内外的隧道施工都把掌子面前方地质情况视作为隧道安全生产的重要环节，根据大量的工程实际，目前对掌子面前方不良地质体的探测方法已有许多种。按照是否使用仪器进行分类，可以分两类：地质分析法和地球物理探测方法，其中地质分析法是隧道超前预报中的一项基本方法，常见种类有： 地面地质调查、隧道掌子面地质编录、超前钻探、断层预测法和地质经验法[14]等。地球物理探测方法主要以电磁反射波理论为主，主要仪器包括：TSP隧道地震探测、地质雷达探测、瞬变电磁法等。

2.2.1地质分析法

主要是根据隧道洞内外地质调查和隧道施工期掌子面地质条件调查结果，通过地质作图及其构造相关性分析，从而推断出掌子面前方可能存在的地质情况[18]。对于有经验的工程地质人员，该法是最为可靠的方法，有的文献甚至将其它一切探测技术列为地质分析法的辅助手段。

地质分析技术优点在于适用任何地质条件，方便快捷，结论可靠，性价比高。但是需要专业地质工程师，且工作量大，并且只能探测前方5m左右。个人专业素质和隧道作业条件对探测结构影响大。

2.2.2地质雷达技术

地质雷达的工作原理如下：高频电磁波以宽频带、短脉冲形式，通过发射天线被定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面，由接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过的介质的电性特征及几何形态而变化。故根据接收波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料，通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或异常体的空间位置及结构。

但是地质雷达技术作为一种岩溶隧道的超前探测预报技术，也有其使用范围：1）目前国内还没有为隧道超前探测预报而专门设计制作的地质雷达，仪器密封性差，洞内不易防水、防潮、防尘，易造成仪器损坏，特别是没有专门的天线，操作起来费时费力，且效果不好；2）探测距离太短，一次只能探测5～30m；3）隧道内的环境条件与地质雷达的理论基础一半无限空间不吻合，加之洞内钢拱架、钢筋网、锚杆、钢轨等金属构件的影响，探测结果一般不太理想。

2.2.3 红外探测技术

红外探测的原理为用红外测温原理探测局部地温异常现象，并藉此判断地下脉状流、脉状含水带和隐伏含水体等所在的位置。红外探测属非接触探测。

红外探测技术优点在于适合含水岩层，操作灵活，费用低，对含水体、脉状流有较高的识别能力[31-32]。但是对水量及断层破碎构造不能预测。探测范围在30m左右。受作业环境（如灯源、风筒等）影响大。

2.2.4 TSP技术

TSP硬件系统主要由接收单元、记录单元和附件三部分组成，和其它各种反射波法一样，采用弹性波回声测量原理来探测掌子面前方的地质情况波，所产生的地震波以球面波的形式在围岩中传播。由于波的传播是一个球面扩散过程，所以一部分波会传到掌子面前方的围岩中去，当地震波遇到波阻抗有差异的地方，一部分波会被反射回来，一部分波会继续向前传播，波将依次传递下去，直到随着传播距离的增加和球面的扩大，能量足够小不能被接收到为止。通常，两侧介质的波阻抗差异越大，反射回来的能量越强，探测效果也越好。

TSP系统是专门为隧道与地下工程超前预报研制开发的设备，它是一种强有力的方法技术[34-36]。具有如下的优点：1）使用范围广，适用于极软岩至极硬岩的地质情况；2）预报距离长，能预报掌子面前方100～350m范围内的地质状况，围岩越硬越完整预报长度就越大。3）对隧道施工干扰小，它可在隧道施工间隙进行，即使专门安排此项工作，也不过30min左右。4）预报精度高，它所能反映出的地质体的宽度是根据采样间隔和岩体弹性波速来确定的，如采样间隔取40us，弹性波速度为5000m/s，则能预报出的地质体的宽度为0.2m。

3结论

（1）根据每种预报技术方法的特点，有机地选用或结合多种超前地质预报技术应该是我们的研究重点，如地质分析法、地质雷达技术、红外探测技术，超前水平钻孔技术、TSP技术等有机结合，可以使岩溶预报效果最大程度地满足施工要求。

（2）任何单一的预报手段都有其适用性与局限性，无法以不变应万变；而物探法也只有在以地质分析为基础的情况下，才能有的放矢，发挥更大的作用，忽略任何一方都将使预报效果大打折扣。因此，这两方面都是我们研究重点。

参考文献

[1] 叶樵. 长大复杂地质隧道大涌水地质灾害分析 [J]. 铁道工程学报， 2008（7）：65-68.

[2] 黄宏伟. 隧道及地下工程建设中的风险管理研究进展[J]. 地下空间与工程学报， 2006， 2（1）：13-20.

[3] 毛儒. 隧道工程风险评估[J]. 隧道建设， 2003， 23（2）：1-3