超前地质预报技术在隧道不良地质方面的应用

黄小东，王 力

(四川仁沐高速公路有限责任公司，四川 成都 610047)

0 前 言

随着经济飞速发展，交通基础设施建设正在快速推进，在山区公路方面，大量的隧道将会不断地涌现。隧道施工过程常常会遇到不良地质，如涌突水、碳酸盐溶洞、掌子面塌方、瓦斯等，严重威胁到作业人员的生命财产安全，也有可能造成水资源枯竭、地表塌陷等环保问题。近年以来，隧道超前地质预报作为隧道施工的重要组成部分被越来越多的人们认可，但是隧道超前地质预报所涉及知识内容极为广泛，特别是地质知识和物探技术。随着人们对施工安全方面越来越重视，超前地质预报技术将会在隧道施工中得到了广泛运用。

1 隧道不良地质特征

据相关统计，从1988年以来我国铁路隧道建设施工中大约有70%的隧道均受到不同程度水害的影响，其中有31座隧道涌水量已经超过1万m3/d，造成工期延误和财产损失。由此可见，隧道不良地质严重制约着隧道设计、施工，如何提前预测隧道施工过程中的不良地质成为隧道施工过程中急需解决的关键性问题。隧道不良地质主要包含有隧道中涌水、泥沙、瓦斯突出、瓦斯爆炸、碳酸盐溶洞、构造断层、破碎带及因地应力引起的岩爆等地质灾害，同时不良地质也会带来次生生态环境破坏，如隧道洞内因围岩变形失稳塌方、涌突水(泥)导致的地表塌陷以及地表水枯竭等。

2 隧道超前地质预报及研究近况

2.1 超前地质预报技术简介

隧道施工超前地质预报技术一直备受关注，全世界各个国家都将这项技术作为重点研究对象。国内外对隧道超前地质预报的方法主要包括三大类，地质方法、物探方法以及钻探方法。

1)地质方法：地质方法是最传统的方法，主要是运用地表地质工作的资料以及隧道掌子面描述资料进行的分析，能掌握隧道通过断岩层情况，粗略地预测地质岩性界线、围岩等级、不良地质情况，如断层、涌水段落、破碎带范围等。地面地质调查法在隧道超前地质预报中是最早使用的方法，它是通过地质调查与分析工程地面地质情况，进一步掌握隧道所在段落的地质特征，推测隧道掌子面前方的地质情况。地质调查内容主要包括岩性及产状特征、构造断裂与节理的发育特征、岩溶部位、形态特征等，推测隧道中的不良地质发育可能的类型、产出段落、规模等，便于在隧道施工中采取恰当的施工工艺和工程防护措施，避免造成人员安全及财产损失。地质方法比较适用于浅埋隧道、构造简单的隧道，特别是沉积岩区域有很高的精度，但是在构造活动强烈区域和深埋较深的隧道，地质方法预测难度较大且极不准确。掌子面描述法：隧道施工单个循环中，对新揭露的掌子面地质素描，此过程非常详细。掌子面素描主要包含有地层岩性、岩层产状、岩石节理和裂隙发育情况、地下水发育情况、围岩变形破碎及断层发育情况等。地质素描能非常准确地反映掌子面围岩工程地质情况，能指导隧道施工，具有工程实际意义。

2)物探类方法：随着物探技术的飞速发展，物探方法非常多，主要包括瞬变电磁法、BEAM超前探测技术、探地雷达法、TSP地震反射波法等，在隧道工程施工过程中使用最广泛的技术是瞬变电磁法和探地雷达法。瞬变电磁法：是一种时间域相关的电磁方法，主要运用具有阶跃波形特征的电磁脉冲，不与地面相接的回线向地下发射电磁波一次场，电磁波一次场激发下使地下地质体内形成涡流，涡流的大小取决于地质体的导电性能强弱，导电能力强则感应涡流强，反之，地质体导电能力弱则感应涡流弱。电磁波的一次场消散后，而涡流不会立刻消散，它是一个逐渐衰减过程，衰减过程又会形成二次场，二次场逐渐衰减且向地下传播。通过接收线圈在地表接收二次场，二次场特征间接反映地下地质体的导电能力。BEAM超前探测技术：(英文全称Bore Tunnelling Electrical Ahead Monitoring，简写为Beam超前探测技术)它是通过对地层岩石电阻率进行测试的电法来推测岩石物性、溶洞和富水层的一种物探方法。由于电极化特征(与电容对比)，地层岩石的电阻系数的变化频率能够被完整记录下来，富水层或者不良地质空洞、高孔隙率的地下地质体直接影响激发极化参数，譬如喀斯特溶洞等，所以Beam超前探测技术能够准确地预测溶洞等不良地质在隧道中发育情况，相比早先的电法探测，Beam探测技术有效改善了传统电法测试的灵敏度和可靠性，使用适合的隧道工作面来布设环绕电极，目的是形成保护电场，环绕电极形成的电流能向更深的部位传播。Beam探测技术耗时较长，严重影响施工进度。TSP地震反射波法：(英文全称Tunnel Seismic Prediction，简写TSP地震反射波法)属于多波和多分量地震反射波探测技术，它的分辨率教高。TSP超前预报技术是运用地震波在不均匀地质体中反射波特性，通过反射波传播速度快慢来推测隧道前方的地质情况。可以探测隧道掌子面前方围岩变化情况，如不规则的地质体、不整合面、构造断层及破碎带等。探测过程是在隧道掌子面一侧布设炮眼，在掌子面两侧壁布设两个检波器孔，按顺序激发各炮形成人工地震波，隧道掌子面前方不同岩性介质形成的反射波不同，这种不同形成的反射波被检波器接收。运用相关地震波软件处理能够得到P波和S波的分布规律，通过数据提取最终得到隧道掌子面前方反射同相轴及其地质解译成果图。还可以通过相应波密度值算出区域内岩体物理力学参数，作为划分围岩级别依据。该方法有效预测100～200 m的围岩情况，但是成本较高，所获取的有效信息有限，对隧道中的富水区域的探测成功率较差。地质雷达法：(英文简写GPR法)它是一种利用高频率(1MHz～1GHz)电磁波探测地下介质的电磁技术，具有高频电磁波、宽频带短脉冲的特征，由隧道掌子面用发射天线向掌子面前方围岩发射，当遇到异常介质的界面时发生反射，这种异常介质可能是岩性界面、断层、不良地质等，返回的反射波被设置的接收天线记录下来，在电脑上形成雷达剖面图。电磁波在介质中传播的电磁特性和几何形态能反映出电磁波的传播路径、场强度及波形变化特征。由此可以根据接收天线获取的电磁波特征可以确定隧道掌子面前方地质界面或不良地质特征及位置，但是该地质雷达法的缺点是受干扰因素非常多，经常因干扰因素造成假象而误判。另外地质雷达法探测距离有限，通常情况在30 m内。

3)钻探方法：隧道中钻探通常都是水平钻探，它是超前地质预报最直接的方法，通过水平钻探对隧道掌子面前方地层岩性进行识别，还可以确定围岩级别及厚度，探明碳酸盐溶洞的特征，地下水在岩层中的赋存条件，在钻孔中可以测定地下水的水量和水压，还可以准确判定煤层厚度及检测瓦斯浓度，对用地质方法和物探方法获得的超前地质预报成果进行验证，在地质构造复杂区域，通过地质、物探等手段综合确定的不良地质段落，应施以水平钻探法加以验证。

2.2 超前地质预报研究现状

近年以来，随着物探技术的发展，隧道超前地质预报设备及技术取得了快速发展，国内外众多专家学者都对隧道超前地质预报做了深入的研究，并且取得了显著成果，为推广隧道超前地质预报做了良好的铺垫。现在已经从单一的预报手段逐渐发展成地质和物探相结合的综合预报分析技术，对保障隧道安全施工、减少人员伤亡起到了重要作用，且被大多数建设、设计、监理施工单位认可，隧道超前地质预报已经成为隧道施工中必不可少的工作内容。尽管隧道超前地质预报认可度逐渐增加，但是在预报精度、数据处理和解释方面仍然面临许多挑战，主要表现如下。

1)本质上，隧道超前地质预报中的物探方法并非是对地面物探技术简单的移植，物探对象所处的环境、探测对象、探测方式方法的差异将决定解释方法。提高隧道超前地质预报解释的准确性，其根源还是在于如何消除干扰和如何根据数据分析不良地质类型。

2)目前隧道超前地质预报仍还是停留在常用的预报方法层面，机械式组合混搭。隧道超前地质预报过程，就是将获取已知的大量信息(包含物探资料和地质资料)对隧道掌子面前方未开挖的地质情况进行详细预报，为隧道开挖施工提供资料，能够有效减少盲目施工造成的安全事故。综合解释技术现在正处于发展初期阶段，对获取的多元化信息进行联合解释是未来隧道综合超前地质预报的发展核心。

3)隧道超前地质预报过程极其复杂，涉及知识面广，对隧道掌子面前面地质情况判断时，就需要超前地质预报工作者综合整理和分析大量的隧道地质基础资料(如掌子面素描等)及现场各种的物探数据，这就要求数据解析工作者必须具有扎实的地质知识和物探解释经验。

3 隧道不良地质方面的应用

3.1 地质类方法

任何不良地质发育情况都是在大的地质背景下形成的，地质是隧道超前地质预报重要的基础。虽然越来越多的先进物探设备广泛投入到超前地质预报中，但是物探类方法常常具有多解性，必须要运用地质类方法的基础资料才能使物探类方法进行隧道超前地质预报结果更加准确可靠。通常情况下，地质类方法进行隧道超前地质预报是能够初步判断可能出现的不良地质体类型、规模大小及大致位置，如推测断层破碎带、富水层常常在浅埋隧道中运用广泛，准确程度较高。

3.2 物探类方法

在隧道施工过程中常用的物探类超前地质预报方法主要有两种：瞬变电磁法和探地雷达法。

1)瞬变电磁法具有对较低阻体反应非常灵敏的特点，现在逐渐运用于探测隧道掌子面前方涌突水、断层等不良地质情况。隧道探测周边存在开挖台车、初支钢拱架等金属对探测数据和解释有较大影响，在实际中常常会导致误判，这是制约瞬变电磁法运用的重要因素。也有部分专家学者已经研究出开挖台车及初支钢拱架等金属对瞬变电磁法探测结果影响特征，通过建立电阻极限近似反演方法体系，可有效地消除开挖台车及初支钢拱架等金属干扰。刘宗辉通过室内物理模拟实验和现场物探实验相结合的办法，详细研究了隧道中金属体对瞬变电磁法探测结果的影响特征，并总结得到适用规律。隧道中金属体影响瞬变电磁法的信噪比，探测线圈与金属体距离越大，影响指数越小，因此，在运用瞬变电磁法进行超前地质预报时，应尽可能将开挖台车挪开掌子面，同时探测线圈尽可能远离初支钢拱架。瞬变电磁法的分辨率能够超过3 m，且对低阻含水构造分辨率较低。

2)探地雷达法通过接收到的电磁波波形、振幅强度和时间的变化特征推测掌子面前方的地质情况。地质雷达法得到的数据包含了大量的地质信息，特别是地层岩性、对象的物性等特征，可以通过地质雷达来识别岩溶、裂隙等不良地质情况。许多国内外专家学者将数学方法、逻辑运算等相结合，对不良地质体的几个属性进行模式识别，建立不良地质体的识别模型，通过模型对比能快速有效地预测岩溶隧道不良地质体。地质雷达法的分辨率非常高，能够对隧道中不良地质进行详细探测，且对水十分敏感，近年来在高速公路和铁路隧道中应用广泛。

3.3 水平钻探方法

水平钻孔是侧重于超前地质预报已经基本确认的大型不良地质区段验证，直接对掌子面前方围岩进行钻孔取样，方法可靠，预报结果精确，不存在物探类方法的多解性和不确定性，但是其效率低、成本高、钻孔作业耗费时间长、布孔具有偶然性等，在施工实际中运用少于物探类方法。水平钻孔适用于岩溶发育区域、富水层、构造破碎带等，能够对这些不良地质情况精确判断。在富水层还能通过钻孔测量水量和水压，在瓦斯区域能够测量瓦斯溢出浓度进而计算绝对溢出量，能有效掌握隧道掌子面前方不良地质情况，用于指导施工。

4 讨 论

隧道超前地质预报技术发展非常迅速，采用高新技术模拟下能够有效地识别和比较精确地定位隧道中大规模不良地质体，如大型断层、裂隙、溶洞和涌突水情况。仅仅运用某种超前地质方法很难精细化预测不良地质体，单一的方法分辨率低，通常情况下只能探测到不良地质体的界限，对其形态和结构很难精细化探测。隧道超前地质预报中的物探技术并非是对地面物探技术简单的移植，不能将多种超前地质预报方法简单地机械式组合混搭，这样得到的预报结果无任何指导现场施工的意义。瞬变电磁法具有探测距离远，但是探测精度较低；地质雷达法的分辨率非常高，探测距离短的特点。在现场超前地质预报中通常可以采用瞬变电磁法对隧道掌子面前方进行初略预测，如果发现有异常，再通过地质雷达法进行详细探测，同时结合地质资料、理论分析、试验模拟、现场测试、数字计算、计算机编程等辅助手段，能够使做出的超前地质预报更加科学合理，隧道超前地质预报结果基本能与现场实际情况匹配，这样的超前地质预报才能够运用于指导现场施工。

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