浅谈超前预报技术在隧道施工中的应用现状

杨正熙

（河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000）

早在20世纪，国内外学者就对隧道超前地质预报进行了深入的研究。随着隧道建设的需求不断扩大，探查技术和设备不断发展和迭代，如今已形成十多种探查技术，用于隧道超前地质预报工作。目前，主流的超前预报技术有水平钻探法、以隧道地震勘探（Tunnel Seismic Prediction，TSP）为例的地震波类、地质雷达法、瞬变电磁法等[1-3]。

1 TSP技术在隧道超前预报中的应用现状

TSP技术对围岩的探测距离远，对岩性变化和地质构造有较好的预报效果，适用于各类地质条件，是隧道超前预报重要的物探手段之一，在实际工程中得到广泛应用。杨志刚等[4]以TSP探查到的隧道围岩参数数据为基础，对比掌子面调查和开挖揭露结果，归纳分析数据并对探测成果进行解译，提出将TSP技术应用于隧道围岩分级和地质条件探测，结果显示，将TSP技术应用于隧道围岩分级和超前探测是可行的。肖谆等[5]在基础资料和掌子面调查的基础上，利用TSP203对掌子面前方隧道围岩分级以及工程地质条件和水文地质条件成功进行预报。

有学者从TSP探测原理、数据处理、图示解译等角度进行研究，通过正演反演模拟分析波场响应特征，提高预报精度，降低多解性造成误报的概率。贾毅[6]阐述了TSP系统的基本理论和原理，对TSP数据的采集过程和处理流程进行了详细的介绍，利用交错网格有限差分的原理建立数学模型并进行模拟，将TSP实作探测与数学模拟成果进行对比，总结系统响应特征，并据此建立新的解译方法。邓唯淅[7]利用交错网格有限差分法对岩溶、断层等地质现象建立模型，进行正演和反演模拟，对比总结出TSP系统在不同地质条件下的响应特征，提出相应的解译标志。曾胜强[8]利用有限元数值模拟方法建立隧道三维数据模型，通过调整模型的地层倾角获得地震波传播规律，研究在波场分离中使用线性变化的效果和可行性，总结波场分离特点，提高预报精度。谢丽军[9]在分析地震波和TSP基本理论的基础上，根据有限元数值模拟方法，利用ANSYS软件模拟TSP波场的数值，建立不同情况下的断层和空洞模型，对模拟结果进行波场分离处理，研究了复杂地质情况下的隧道地震波场特征。

2 地质雷达法在隧道超前预报中的应用现状

地质雷达法是利用高频电磁波束对围岩进行探测，根据电磁波在围岩中的传播特征进行预报，是目前常用的短距离预报方法，对掌子面前方0～30 m的预报效果好，在隧道超前预报中常作为TSP预报技术的辅助补充手段。张家祥[10]根据地质雷达的基本原理，总结雷达在各地质条件下的图像特征，结合缙云山隧道应用显示，地质雷达对富水、岩溶和破碎带的预报效果较好。施鹏超等[11]以贵州两条岩溶隧道为依据，分析总结了地质雷达在岩溶隧道探查时，雷达波形图像特征与隧道岩体富水程度和完整程度的关系，根据地质雷达对隧道岩溶和裂隙的响应特征进行预报，开挖验证效果较好。温世儒[12]根据电磁波基本理论和地质雷达基本原理，提出地质雷达在不同围岩完整程度下富水程度的适用范围，量化分析了空腔和填充溶洞以及富水破碎带和风化灰岩在不同富水程度下的波形特征，变换处理后得到新的判读标准，推导涌水量和塌方规模的估算公式并进行地灾等级划分。宋文东[13]利用地质雷达法对隧道进行探测，对比分析实际揭露，利用FLAC3D软件建立隧道模型，探究隧道掌子面前方在不同位置存在不同形状岩溶溶洞时，开挖隧道对隧道围岩变形影响的一般性规律。

3 综合超前预报技术的研究现状

综合超前地质预报技术可以有效解决单一预报手段精度不足和多解性的问题，在中高风险隧道和复杂地质条件下可大大提高预报准确度。满银等[14]归纳和分析了地质调查法、超前导坑法、超前钻探法、物探法4种常用的隧道超前预报方法。曹放等[15]以鹧鸪山隧道为依托，在长大深埋隧道断层带建立一套以地质分析为核心、洞内外结合、长短结合的综合超前地质预报体系。李鹏飞[16]依托黄家沟隧道，为查清隧道隐伏地质问题，采用TSP203和地质雷达相结合的方式对掌子面前方进行超前预报，开挖验证取得较好预报效果。周浩宇等[17]分析了TSP和地质雷达的基本原理，结合工程实例进行预报和开挖验证，TSP可以准确预报岩性分界面，地质雷达对岩体富水情况敏感、预报效果较好。在复杂围岩环境下需两种物探方法相结合进行综合超前地质预报。向勇[18]根据TSP和探地雷达（Ground-Penetrating Radar，GPR）工作原理总结预报特点，工程实例预报显示，TSP可以获得围岩参数并进行分级，GPR对节理裂隙分布较敏感，两种技术长短结合可以提高超前地质预报精度和可靠性。刘博[19]对隧道的煤矿采空区使用TSP和地质雷达进行地质探查，两种技术对采空区、煤层等探测效果较好，开挖验证显示，综合预报可以准确掌握采空区分布情况及其他不良地质体。何山等[20]以育王岭隧道为依托，依次使用TSP、地质雷达和红外探水进行探测，开挖验证预报效果较好。刘康等[21]在对隧道岩溶段进行地质分析的基础上，根据TSP、地质雷达和瞬变电磁异常响应进行分析，综合预报岩溶及富水情况，准确预报了岩溶及地下水的发育情况。黄霄寒[22]介绍了探地雷达和TSP的工作原理以及数据的采集处理及解译，运用GprMax软件建立无填充、充水和探测边界溶洞模型进行模拟，对比实测图像特征，总结GPR的解译标志；根据TSP成果图像总结在岩溶区域的解译标志。

以西南某隧道为例，全隧运用TSP技术作为主要物探手段进行超前地质预报，在地质调查和TSP探查预报的基础上，通过地质雷达、瞬变电磁或超前钻探等手段对异常区域进行探查验证，降低TSP多解性，取得了较好的预报效果。

4 结语

TSP属长距离地质预报方法，可以获取岩石的密度、泊松比、弹性模量等力学性质；地质雷达法主要研究介质的电性和介电性质，对近距离目标体，特别是含水带、破碎带，具有较强的分辨能力，但探测距离短、受机电设备影响较大。单一的方法在面对复杂多样的地质情况时，往往显得力不从心。因此，针对不同工程地质条件的隧道，要结合地质构造特征合理选择探测方法，对多种预报技术进行合理有效的整合，充分发挥各预报技术的优势，取长补短，以提高隧道地质灾害超前探测和预报的可靠性和准确性。