隧道施工超前地质预报研究进展

邵珠山，张鹏举，张 喆，魏 玮，乔汝佳

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，西安 710055； 2.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，西安 710055；3.西安建筑科技大学 理学院，西安 710055)

1 研究背景

近年来，随着中国经济与技术的快速发展、共建“一带一路”的推进以及川藏铁路重大工程的开展，隧道工程及地下空间技术水平发生显著的提高，中国将成为世界上隧道建设数量最多、难题最大、难度最高的国家。据统计，截至2019年底，中国投入运营的铁路隧道就有16 084座，总长度达到18 041 km,长度超过20 km以上的特长铁路隧道共有11座，其中西格线上的新关角隧道长度达到32.69 km，中国已经成为名副其实的高速铁路大国、隧道大国[1-2]。随着公路、铁路、水利、矿山、跨海等高难度隧道工程的发展，伴随距离特长、埋深特深、地质条件特复杂而产生的隧道施工不安全问题随之增多。隧道工程建设过程中岩爆、大变形、大面积塌方、突水突泥等地质灾害事故频发，造成人员伤亡、设备损失、工期延误和工程失效[3]。目前，川藏铁路重大工程正在施工，其地处地球多圈层内外动力强烈耦合作用区，在隧道建设过程中针对裂隙、断层、溶洞、地下水、破碎带等复杂地质条件的超前地质预技术也将面临巨大挑战。

自20世纪60—70年代起，人们开始意识到超前地质预报技术对于隧道施工的重要性。起始只有超前导洞、超前钻探为主的地质调查法被应用于隧道探测工作。但由于地质调查法的局限性，人们开始注重超前地质预报技术的理论、技术研究，相继研发出包括地震波法、电磁法、直流电法、红外探测技术等无损地球物理超前探测技术。迄今为止，基于钻爆法施工的超前地质预报技术已经成熟，许多新型物探技术也在试验验证中，隧道施工超前地质预报朝着定量化、综合化方向快速发展[4]。

笔者通过大量文献阅读，在各位学者的研究基础上，对现有超前地质预报技术的技术原理、模型模拟及试验研究的最新成果进行阐述，并介绍以地震干涉法为主的新型地震波法超前预报技术的研究现状及技术前景，建立综合地质预报技术体系，预测超前地质预报未来的发展趋势，为广大研究人员提供参考。

2 钻爆法施工超前地质预报技术

隧道超前地质预报是一项复杂的系统性工作，是设计阶段地质勘察的补充和延伸，是保证隧道施工安全的重要环节和重要技术手段。目前，国内外基于钻爆法施工隧道超前地质预报技术已经成熟，主要包括地质分析法、地震波法、电磁法、直流电法以及红外探测等其他方法，见表1。

表1 钻爆法Table 1 Drilling and blasting method

2.1 地质分析法

地质分析法即直接预报法，是隧道施工最基础的一种超前地质预报法，主要利用对隧道周围地质构造判断的原理，对施工前方的地质构造进行粗略、宏观的预测预报，见表2。

表2 地质分析法Table 2 Geological analysis method

2.2 地震波法

TSP(Tunnel Seismic Prediction)隧道超前地质预报系统是由瑞士Amberg公司研制的一款产品，属于反射地震波法。通过人工震源产生的球面波沿隧道轴线方向向掌子面前方传播，当遇到地层界面、溶洞、裂隙等不良地质体时，将产生反射波。根据反射波的反射时间、传播速度、强度、波形和方向等通过不同的数据形式表现出来，然后被高灵敏传感器接收，通过电脑处理来预测掌子面方不良地质体的相关性质与产状[12-13]。如图1所示。

王树栋[14]通过改善TSP系统在隧道中的布置方式以提高TSP的准确性。周黎明等[15]基于深度偏移成像理论，对TSP的结果进行3D成像，更加直观地反映不良地质体在隧道工作面前方的分布形态。Liu等[16]提出了一种新型3D超前地质预报成像系统，并通过现场测试，发现成像能量更加聚集，可以有效抑制伪影的产生，更加准确地对隧道前方不良地质体进行定量分析，其观测方式如图2[16]所示。TSP作为长距离地震波探测方法之一，可以有效探测裂隙、熔洞、断层等不良地质体。但由于对含水不良地质体识别能力差，且广泛应用的检波器线性布设方式经常产生镜面伪影，容易误报，因此新型三维成像技术是未来TSP应用的大势所趋。

图2 新型3D成像系统观测方式[16]Fig.2 Observation mode of new 3D imaging system[16]

美国研制的TRT(True Reflection Tomography)技术[17]与中国研发的TST(Tunnel Seismic Tomography)技术都是通过空间观测方式对掌子面前方的不良地质条件进行预测预报，其观测方式如图3[18]所示，原理示意如图4所示。两者唯一区别是TST技术是通过设置炮孔产生的地震波传播，而TRT技术是通过人工敲击产生的弹性波传播。

图3 TRT观测方式[18]Fig.3 Observation mode of TRT[18]

图4 TRT原理示意图Fig.4 Schematic diagram of TRT

蒋辉等[19]将TST进行空间阵列式排列，并通过方向滤波、速度扫描和合成孔径成像等核心专业处理技术，从隧道内的三维波场中滤除侧向反射波，从根本上避免了漏报误报问题。周振广等[20]将TST与TBM相结合，在TBM掘进深埋长水工隧道实际工程应用中，获得良好的预报结果。白明洲等[21]将TRT系统成像结果分为4类异常区，指导隧道设计与施工。TRT与TST可以提供地质构造偏移图像和围岩速度分布图像，有利于提高预报结果的可靠性[22]。但这些方法属于地震波反射类方法，难以对含水构造进行准确的预报。

陆地声呐法是“陆上极小偏移距(震-检距)超宽带弹性波反射超短余震接收系统连续剖面法”的简称，是钟世航[23-25]团队于1990年提出、1991年实现的具有中国自主知识产权的弹性波反射法勘查新技术。采用锤击的方式激发弹性波，在激震点旁设检波器接收被测物体的反射波，实现自激自收，可以激发和接收10～4 000 Hz的波(如图5所示)。该方法无需打孔、放炮，安全方便，干扰波少，图像分辨率高，反射波能量大。

图5 陆地声呐法原理示意图和观测方式Fig.5 Principle schematic diagram and observationmethod of Land Sonar Method

2.3 电磁法

地质雷达(Ground Penetrating Radar)是一种短距离有效探测地下水的预报方法，它利用电磁波双程走时的长短差别来确定前方地质体的形态和属性[26]。在实际应用中，地质雷达能较好地反馈前方围岩性质的变化，对裂隙密集带、断裂破碎带等不良地质体的识别上，有一定的优势，对岩溶、含水体作用明显。但地质雷达的探测距离过短，探测过程中易受其他杂波干扰，且对于不良地质体垂直发育情况以及倾斜角度方面存在一定的局限性，影响预测结果[27-31]。其观测方式如图6[18]所示。

图6 地质雷达法观测方式[18]Fig.6 Observation modes of GPR prospecting[18]

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法[32-34]，其装置示意图如图7[32]所示。

图7 TEM工作装置示意图[32]Fig.7 Diagram of TEM working device[32]

薛国强等[35]通过正反演的推算，对TEM成像技术进行了相关研究。孙怀凤等[36]引入虚拟位移电流项以构建显式时域有限差分格式，以矩形回线的方式改进了激发源，并考虑一次场计算和关断下降沿的影响，使得其算法更加具有适用性。TEM利用“烟圈”效应，用较小的场地探测大于发射场地10倍以上的深度，适用于在狭小的掌子面上探测掌子面前方较远距离。但是TEM在探查地下含水构造时，在理论、技术方法和资料处理软件等方面还需进一步改进[37]。

2.4 电 法

激发极化法(Bore-tunneling Electrical Ahead Monitoring,BEAM)本质就是利用岩体本身及其含水率的差异，导致电性和极化特征的变化，在电场中的频率响应也会表现出明显的差异[38],布置示意图如图8所示。李术才团队[39]研发了隧道超前探测专用激发极化仪器，对隧道含水地质构造进行探测，建立了隧道含水地质构造超前探测三维成像与水量估算技术体系。该技术在国内应用较少，对隧道大规模水体的预测预报效果还有待进一步验证[40]，在实际工程应用中还需与其他方法结合起来，对隧道掌子面前方各种不良地质体进行预测预报。

图8 BEAM法超前探测测量方式Fig.8 Measurement modes of advanced detectionwith BEAM

直流电阻率法(Electrical Resistivity Methods，ERM)是以介质间的导电性差异为物质基础，通过人工激发的电场来观测其规律的一种物探方法[41],如图9[45]所示。

图9 隧道直流电阻率法超前探测测量方式[45]Fig.9 Measurement modes of advanced detection bydirect current(DC) resistivity method in tunnel[45]

Park等[42]最早提出了基于有限差分法的三维反演算法，对三维电阻率反演方法进行较为系统的研究。Sasaki[43]将有限元与最小二乘法相结合，在最小二乘法中加入光滑约束，采用全反演和近似反演两种方法进行了三维电阻率反演。刘斌等[44-45]在三维电阻率反演成像及其算法优化方面成果突出，将表征模型参数变化范围的不等式约束作为先验信息引入最小二乘线性反演方法中，有效改善了反演结果的精度，降低了反演的多解性问题。直流电阻率法虽然对含水结构探测效果显著，但探测距离较短。

3 地震波干涉法超前地质预报技术

地震波干涉法的研究最早由Clearbout[46]于1968年提出，笔者指出当自由地表接收从底部传来的透射地震记录进行自相关，等价于其自激自收模拟记录(包括负时间记录以及零时刻的脉冲响应)。将此结论推广到非自激自收的情况，对自由地表的两个不同的检波器记录到的信号互相关，可以得到以一个检波器所在的位置为震源(虚震源)的新的地震记录，这种新的成像方法被命名为日光法成像技术(Acoustic daylight imaging)[47-48]。Schuster[49-50]正式定义了地震干涉概念，指出该方法能有效反映出原始信号所不具备的一些特征，如提高信号比、把噪声变成有用信号、反映复杂地质构造特征，并应用地震干涉法对多次波进行偏移获得反射界面的构造特征。

近年来国内对地震干涉法的成像技术以及源定位技术研究较多[51-55]，但大多数都是针对于半无限空间探测地下结构的干涉技术。吴丰收团队[56-57]将地震干涉技术应用到隧道超前地质预报中，提出了基于多源地震干涉法的隧道超前地质预报新技术(如图10[56]所示)。并基于MATLAB平台，采用有限差分法实现了岩溶、断层两种不良地质体模型的隧道施工期超前地质预报数值模拟，验证了该技术的可行性与准确性。汪旭等[58]采用多源地震干涉法在TBM施工环境下进行理论效果模拟，通过不同参数对成像结果的影响进行分析，为实际应用提供进一步指导。目前地震干涉法尚未实际应用于隧道超前地质预报当中，地震干涉法的高效性使得其技术应用是未来隧道超前地质预报的大势所趋。

图10 多源地震干涉法超前地质预报布设示意图[56]Fig.10 Layout of multi-source seismic interferometry-based advanced geological forecast[56]

4 TBM施工隧道超前地质预报技术

目前，随着地下工程快速开挖的需要以及科学技术水平的显著提高，TBM技术得到了快速发展。TBM最大的优点在于其开挖速度快，一般速率为常规钻爆法的3～10倍，可以最大限度地减少衬砌量和混凝土用量，在支护和衬砌两个方面得益甚多[59-60]。

TBM施工技术有其复杂性与特殊性，掘进机体积庞大，占据隧道大部分空间，隧道边墙无法布置炮孔、激振点和传感器，导致以地震波法为主的TSP、TRT等诸多技术难以应用到TBM施工隧道中，如图11所示。且掘进机自身配备众多的电气设备，电磁环境极其复杂，导致其周围电磁场产生巨大的变化，严重干扰掌子面前方的不良地质体探测，使地质雷达技术及瞬变电磁技术无法正常使用。

图11 TBM施工环境示意图Fig.11 Schematic diagram of construction environmentusing TBM

迄今为止，研究者在以TBM施工环境下的隧道超前地质预报技术的研究上已取得显著的效果。综合地震图像系统(Integrated Seismic Imaging System，ISIS)是由德国国家地球科学研究中心研发的一种地质超前探测技术，其原理如图12所示。ISIS采用锤击激发震源，其气动冲击锤安装在后盾开孔处，直接冲击岩面产生地震波，冲击能量可控，占用TBM的掘进时间较少，数据处理简单，预报准确率高，生成的3D图像形象直观，探测距离长[61]。

图12 ISIS地震法超前地质预报技术原理Fig.12 Technical schematic diagram of ISIS method

将BEAM法应用到TBM施工中是由GEOHYDRAULIK DATA公司研发出的技术。其特点之一是所有的装置都安装在TBM刀头(测量电极)和外侧钢环(屏蔽电流)上。随着隧道的掘进，连续不断获得测量结果并实时处理，得出掌子面前方的PEE曲线，由此预报前方岩体的性状及含水情况[62]。钱七虎[63]在基于钻爆法超前探水预报的基础上，提出搭载于TBM的激化极化法，并将搭载TBM的三维激发激化法应用在吉林引松超前预报中，效果显著。

李苍松等[64]研究了适用于TBM施工环境下的HSP声波发射法地质超前预报技术。利用TBM掘进机刀盘切割岩石所激发信号作为HSP声波反射法地质预报的激发信号，并采用了相应滤波技术。该技术在引红济石调水工程TBM施工段的应用效果较好。李玉波[65]将三维地震波法应用到引汉济渭工程TBM施工中，结果表明，三维地震波法对隧道前方不良地质体预报预测有较好的正相关响应。但该方法目前只能识别断层、溶洞等不良地质体，不能识别掌子面前方含水体的存在。

目前，基于TBM施工隧道超前的地质预报技术种类较少，精确度并不高，不能满足实际施工需要，究其原因，还是因为TBM机械自身的影响。在TBM施工环境中，人们普遍要求将超前地质预报技术与TBM机器本身结合在一起，朝着自动化、一体化方向发展。将TBM与超前地质预报技术有机地结合在一起，对高埋深、高地应力隧道前方不良地质的预测预报技术将是巨大的提高。

5 隧道综合超前地质预报方法

随着技术水平的快速发展，隧道施工超前地质预报技术由单一的预报技术发展成了综合预报体系。现阶段，施工现场综合多种地质预报方法对隧道掌子面前方不良地质条件进行了探测，数据处理及预报结果更加准确清晰[66]。

5.1 隧道综合预报原则

随着隧道开挖难度的增大，为确保施工质量、保证人员安全，本文结合前人的研究成果，建立“地质调查与物探技术相结合、长中短距离相结合、洞内外相结合、定性与定量分析相结合、经验法与专家系统分析相结合”五结合隧道综合预报原则，对隧道前方不良地质体进行预测预报。分述如下：

(1)“地质调查与物探技术相结合”是指以TSP、TST、GPR、BEAM、TEM等物探技术为基础进行超前地质预报时，将地质调查法、超前导洞法、超前钻探法等地质分析法相结合进行综合分析。

(2)“长中短距离相结合”是指在进行超前地质预报时，将长距离地震勘探使用地震波法，中距离探测使用瞬变电磁法，短距离探测使用激化极化法、探地雷达探测法相结合，进行综合地质预报。

(3)“洞内外相结合”是指在进行超前地质预报时，将隧道外地表地质调查法与隧道内物探技术相结合，以洞内预报为主，洞外预报为辅进行超前地质预报。

(4)“定性分析与定量分析相结合”是指在进行超前地质预报时，将探测结果进行定性与定量分析相结合的方法，判断出掌子面前方不良地质体的构造、位置、规模。

(5)“经验法与专家系统分析相结合”是指在进行超前地质预报时，以专家系统分析为主，经验分析为辅对掌子面前方不良地质体进行预测预报。

5.2 隧道综合预报体系

在进行隧道综合超前地质预报时，每种预报方法的探测原理、探测距离、探测范围都不相同，其对隧道前方不良地质体的地质构造的判别程度也不相同。根据不同地质构造的地球物理特性，以“地质调查与物探技术相结合、长中短距离相结合、洞内外相结合、定性与定量分析相结合、经验法与专家系统分析相结合”五结合为原则，建立综合超前预报体系，如图13所示。

图13 综合超前地质预报体系Fig.13 Integrated advanced geological predictionsystem

6 结论与展望

本文对国内外隧道施工超前地质预报技术及工程应用进行了全面的梳理和总结，系统分析了地质调查法、地震波法、电磁法、电法等方法的技术原理、优缺点及最新研究成果，阐述了综合地质预报方法，结论如下：

(1)地震波干涉法能有效反映出原始信号所不具备的一些特征，应用地震干涉法对多次波进行偏移、反褶积可以更好地获得反射界面的构造特征，实现隧道的一次性预报。针对地震波干涉法新型物探技术的研究，目前还停留在理论与模拟上，仍需加强对干扰波的滤波处理，提高预报结果的精确性。

(2)TBM隧道施工环境复杂，对超前地质预报探测设备的布设与信号接收有着特殊要求。目前常规TBM预报技术具有耗时、成本高、数据反馈慢的缺点，将探测设备更好地与全断面掘进机有机结合起来，提高数据的处理速度，可以有效提高隧道掘进机的钻井速度，提升整体效益。

(3)隧道施工过程中不良地质条件复杂，地质灾害频发，现阶段单一预报技术无法满足预报要求，在未探索到更加全面的探测技术之前，应当结合多种地质预报方法对隧道掌子面前方各种不良地质条件进行综合预报预测，确保施工安全。

(4)以“地质调查与物探技术相结合、长中短距离相结合、洞内外相结合、定性与定量分析相结合、经验法与专家系统分析相结合”五结合为原则，建立了综合超前预报体系，为隧道施工超前地质预报现场应用提供参考。

尽管学术界在隧道超前地质预报技术方面开展了大量的理论分析、模型模拟以及试验研究，但是将这些技术引入到实际工程应用中的相对较少，大部分仍然停留在现场试验阶段。将新型三维成像技术引入到实际工程应用中，为隧道建设提供直观准确的预报结果是大势所趋。在未来隧道施工超前地质预报技术的研究过程中，一方面要发挥传统预报技术的优势，提高传统预报技术的技术水平；另一方面，要积极创新，结合三维激光扫描、人工智能、大数据、BIM、5G通讯等前沿技术，提高隧道超前地质预报能力，为工程提供更加精确的指导。