隧道超前地质预报技术分析

赵志辉

中铁二十局集团第六工程有限公司，陕西西安，710000

0 引言

在社会经济不断发展的背景下，我国交通网络正在逐渐健全，铁路公路等交通网络也正在不断由中心城市向偏远地区延伸。在公路铁路建设中，隧道建设在交通工程中的重要性逐渐突显出来。隧道超前地质预报工程实施原因在于，隧道的长度及埋深等多方面因素的影响，地质条件较为复杂，隧道内的突水、突泥等灾害对隧道的施工安全及质量有着直接的影响。通过预报检测技术，可以有效判定隧道中遇到的特殊情况，从而正确指导工程实施。本文结合实际情况进行研究，对隧道超前地质预报技术应用现状进行全面分析，并对其未来发展过程中的问题和趋势进行了探讨，为超前地质预报技术的研究应用提供了依据。

1 隧道超前地质预报技术应用对隧道工程的重要性

在隧道设计与施工前期，需要进行全面的地质勘察，虽然在一定程度上针对地质的实际情况进行了预报和预测，但是因为岩体具有一定的复杂性，所以勘察资料和工程实际开挖可能出现较大的差距。随着工程等级的提升，隧道工程数量及规模不断扩大，工程实施所面对的地质环境更加复杂，直接增加了地质勘察资料以及工程实际实施情况的差距。如果勘察资料不能有效反映出工程建设的实际情况，就失去了施工开挖的参考性，导致工程实施只能在盲目的情况下进行，无法预测施工中潜在的风险因素，例如涌水、塌方等问题，都会给工程项目的资金成本、人员安全、施工质量等带来极大的安全隐患。如何开展预报措施一直是隧道施工中的重点研究问题。采取有效的措施，能够确保工程实施过程中的安全性与动态性，从而为工程推进提供参考作用[1]。

在传统隧道施工中，存在着很大的局限性，部分工程缺乏相应的超前地质预测预报技术，导致在隧道掘进过程中失去了有力的保障支撑，面临的风险是巨大的。而部分工程项目虽然具备预测预报技术，但是由于技术人员专业性不足或经验积累不够，降低了预测预报的功能，虽然能够开展基础性工作，但是工作尚存在片面性与不足，无法准确地提供勘测的条件。针对规模较大的工程，难以为工程实施提供参照。所以隧道超前地质预报技术的应用对隧道工程实施非常重要，工作人员需要全面了解技术应用现状，并掌握技术发展趋势。

2 隧道超前地质预报技术的应用现状分析

在隧道超前地质预报技术应用中，应用最频繁也是使用范围最广的技术为地质分析技术与物探技术。其中，物探技术又分为TSP技术和地质雷达技术。

2.1 地质分析技术

地质分析技术属于当下应用最为广泛且频率最高的预报技术，主要原理是掌握隧洞、区域地表条件等因素进行调查然后开展超前预报。采用这种技术，能够判断工程实施的区域地质状况，并充分对风险等级进行划分，对于高风险区域重点识别。同时，其还能够通过了解隧道掌子面前方的特殊地质进行预测勘察，并依据地质的特殊属性，如规模、类型等，制定出超前地质预报方案，为工程的实施提供参考，保证工程施工的合理性与安全性，降低施工所面临的风险[2]。这种技术在实际应用中主要针对地质构造相对简单、隧道埋深浅的地质情况，在条件符合的情况下可以快速提升预报准确性，但是并不适用于隧道埋深较深且结构复杂的工程。

2.2 物探技术

这种技术的原理在于结合隧道工程岩土体的实际特点，使用不同的探测方法以及配套设备，通过地球物理变化探测，来间接性地为隧道施工提供参照。技术的应用对隧道掌子面的工程开展不会产生影响，也不会对地质造成破坏，随着技术的应用，人们逐渐认识到技术的优势，因而正在呈现应用范围与频率逐渐扩大的趋势。在实际应用中，物探技术主要包含了两种技术内容，具体如下。

2.2.1 TSP技术

TSP技术起源于瑞士的安伯格企业，该企业通过结合施工情况、技术研发创造出了TSP技术（也称隧道地震勘探），这种技术的原理为多波多分量探测技术，通过地震波的不均匀反射波来掌握掌子面的岩性变化，并对掌子面周边进行勘测。在实际应用中，TSP技术主要适用隧道100～200m中长距离超前地质探测预报。当前无论在我国还是国际的隧道施工中，其都获得了广泛应用，在应用时预报的准确性较高[3]。

2.2.2 地质雷达技术

这种技术主要利用隧道前方岩石介质界面的电磁特性差异而产生的电磁反射波完成预报工作，在进行探测时会发出高频脉冲，如果勘测的环境较为复杂，电磁波会快速地衰减，所以在应用中要提升人员勘测效率，发挥技术勘测价值。如果周边的岩性条件较好，那么这种方式可以在探测开挖前的10～30m，探查隧道周边的地质情况。这种技术在应用中，因为成本较低、操作简便、要求不高，受到广泛欢迎。

3 隧道超前地质预报技术的发展趋势

3.1 综合多种类技术开展应用

结合当前隧道预报技术实施现状来看，单一的隧道技术应用存在着很大的局限性，当前并没有预报技术能够全面地将地质缺陷准确勘测出来。所以，在进行隧道超前地质预报技术实施中，想要提升预报的准确性，就要综合多种类技术应用，创造出互相补充、验证的勘测条件，从而降低勘测的难度，提升探测的可靠性，比如TSP技术的优势在于操作简单、广泛性强，且能够对较大范围实施预报，效率较高，但其容易被环境因素影响，导致数据分析出现失准，而地质雷达技术则能在多种类型环境地区实施探测，但缺点是探测距离较短，若综合两种技术，就能弥补双方缺点。结合实际情况来看，完全可以将地质分析、地质雷达以及TSP这三种技术联合在一起，在应用中将TSP技术作为主要预报技术，并辅以地质分析、雷达技术进行预测，建立综合性的预报模式[4]。例如，在隐伏地质构造的预报当中可以采用上述三种技术联合应用，像是在某平导围岩特性为侏罗系流纹质熔结凝灰岩的铁路隧道工程地质预报工作中，先是采用TSP技术实施探测，再通过对图像的地质分析发现，某段波速比和泊松比参数呈上升趋势，而横波速度却下降，密度颇低，因而可推测其很大概率存在地下水，当施工到达某一里程位置后发现工作面出现浸水，这时再辅以地质雷达探测技术，对雷达情况进行分析后发现，该工作面的后方约5～10米范围内出现了同相轴反射能量显著增强的情况，因而推测该段围岩结构可能呈现出较为破碎的现状，其15米深处还有可能有薄层水，随后通过施工揭露发现，该位置确实存在断层，宽度约为20米，这表明多种技术的结合应用实现了科学且相对准确的超前地质预报。

3.2 定量开展超前技术

在预报技术应用期间，钻爆技术是当下较为新颖的技术方法，虽然技术出现较晚，但是通过总结与创新，技术在实际应用中已经趋于完善，并且在未来的发展空间是巨大的。定量化的超前预报指的是借助先进的定向技术对施工区域中的多种复杂地质环境进行定量化的分析与提示。开展定量化超前预报的关键在于创新“探水定量”。在定量化的探水工作中，只有两种物探技术对水量具有敏感的反应，即核磁共振与激发极化技术。但是将两种技术投入到隧道勘测中尚处于发展阶段，所达到的水平可能为半定量水平，并不能全面地投入到实际工作中。在未来，还需要经过大量的试验及测试，充分考量两种技术在实际工程中的应用效果，从而提升定量探水效果，提高地质情况预报的精准性。

3.3 开展TBM施工技术

TBM施工技术也叫作全断面掘进机施工技术，其是目前主要用于隧道开发施工的方法之一，具体操作中使用掘进机设备，相关施工优势包括速度较快、安全性和可靠性强、较为高效、成本颇低以及施工质量水平高等，在该项施工进行时，往往是将多种先进技术融为一体，如电子技术、机械技术、控制技术、激光技术以及液压技术，因而技术能高度自动化和机械化，是许多大型地下隧道工程中会用到的先进开挖衬砌配套装备，TBM的设备主要可划分为主机部分和后配套系统部分，主机主要有主电机、超前钻探设备、管片安装设备、刀头、刀盘、传动系统、超前支护设备以及操作室，而后配套系统中则是由支护功能、运输功能、控制功能、液压功能、光导向功能、排水和供电功能以及通风功能的相应系统组成。TBM技术虽然工作效率较高，但是也有一定的弊端，如地层适应性不高，且对预报工作具有一定的要求，如要求工作具备一定的安全性、适应性，在应用中必须依据隧道的掌子面特点来判断水体的情况，在应用中可以综合应用两到三种超前地质预报技术，以长、中、短距离相互搭配，来进行优势的互补。同时，借助掘进机将岩体震碎，并采用震波技术，可以有效反映地质的具体情况，与TBM技术进行配合，达到相互补充的效果。由此可见，TBM技术在应用中具有良好的前景。在定量估算水量期间，还可以将单孔定向雷达装配在TBM机器上，提升勘测的准确性。TBM技术对地理物理仪器具有一定的需求，所以在未来研究中，要充分实现技术的自动一体化搭载[5]。

3.4 采用采钻孔空物理技术

采钻孔空物理技术是指钻孔地球物理勘探技术，其也是钻孔中多种以地球物理勘探为原理的方法统称，具体实施时围绕物理学理论，运用专业化仪器设备，对相应地层和周围各地质体开展坡面钻孔穿透测量，具体的探测范围以及工作方式也可能略有不同，其差异主要是根据实际情况产生，该技术研究发展最早是在20世纪80年代，最初只是用于了解地下空间中分布的物质情况以及地下地质运动变化规律，适当评价和预测灾害，目前，该方法正被广泛运用到隧道工程地质探测预报当中，提升了隧道工程建设的安全水平，其具体探测深度大、勘探效率高等优势，能够准确发现一些复杂的地质和岩性，实现高精度识别。

一般情况下，钻孔地球物理技术可以充分探清隧道的掌子面含水量，为隧道工程的影响分析、工程实施提供一定的参考。随钻以及钻孔精细超前探测技术如果分辨率越高，那么探测的成像效果越好。在隧道工程实施前，借助随钻及钻孔精细超前探测，能够充分了解隧道内结构的特殊性，避免出现地质灾害，有效提升安全性与稳定性[6]。

同时，在我国科研人员不断努力的情况下，已经创造出跨孔地质雷达和跨孔弹性波成像技术，经过实验研究，有效推动了隧道超前地质预报技术的进步。但是，要加强对空间分辨率技术的研究，才能保证技术的创新性与精准性。在隧道超前探测工程中，单孔地质雷达是当下唯一能够投入到实际应用的探测技术，在探测时呈现探测半径大、随钻探测等特性。但是因为电磁波在传播过程中并没有单一的方向，属于全方向，所以在实际应用中并不能探测到目标的具体方位。

4 结语

综上所述，通过研究可以充分了解隧道超前地质预报技术应用对隧道工程的重要性，工作人员应当全面了解应用现状，掌握技术的发展趋势，为技术研究和进步提供参照。目前我国在隧道超前地质预报技术应用中，主要采用了地质分析技术、物探技术等。在未来想要提升技术应用的有效性、扩大技术应用空间，就要充分明确技术发展趋势，并切实制定符合发展需求的策略。本文阐述综合多种类技术开展应用、定量开展超前技术等，为技术的发展提供了一定方向。