隧道建設過程中超前地質預報應用方法淺析

李衛炎

(浙江省交通工程建設集團 第三交通工程有限公司，杭州 310051)

隨著我國交通事業的蓬勃發展，長大隧道工程日益增多。不同形式的長大隧道在高等級公路、鐵路中使用也越來越普遍，修建隧道的施工方法也日臻完善。新奧法作為當前隧道施工中的主流方法有著重要的地位，隧道地質超前預報及監控量測已成為保證隧道施工安全和質量的重要手段。但地下工程在建設過程中受諸多因素的影響，如何能夠及時、準確、方便地預報施工面前方及周圍的地質狀況，做到有的放矢地采用與地質情況相適應的開挖方法和支護手段，是隧道工程界多年來不斷努力探索的課題［1］。現行隧道施工超前預報采用的方法中，有的探測距離太短，如雷達;有的則過于昂貴，使用起來也未必方便，例如進口的TSP203 設備［2-4］。

采用地震波回波信號來探測預報地質狀況，多年來一直應用于超前地質預報探測中。但如何獲得廣譜的有較強指向性的回波信號，如何篩選、處理、分析這些信號并最后較準確地獲取我們期望的成果，卻是諸多地震儀尚未完全解決的問題，也是困擾地下工程界的難題之一［5-6］。有鑒于此，本文從現行長大隧道工程中常采用的超前地質預報方法分析入手，針對預報過程中的重點問題開展探討，以資參考。

1 超前地質預報中常用方法及其優缺點分析

長期以來，我國隧道施工隊伍普遍忽略地質超前預報工作，大多是按設計圖紙施工，發現地質情況不對才提出變更，或者是發生塌方、涌水等災害性事故后，才認真審視地質工作。事實上，隧道施工地質工作已成為一道不可缺少的重要工序，重視隧道施工超前地質預報工作也正在成為管理部門和廣大工程技術人員的共識。

地下工程施工過程中超前地質預報方法較多，但主流方法仍以地震波法、電磁波法及瞬變電磁法等為代表。由于各種超前預報技術的基礎理論不同，并有各自的適用范圍和特點，應根據具體隧道的特點有選擇性的采用，不能一味所有方法全部用上。因此，有必要對各自方法的適用性及優缺點進行比較分析。

1.1 超前地質預報中常用方法

1.1.1 地震波法

該法的基本原理如圖1(a)所示，在隧道掌子面附近邊墻一定范圍內布置激發孔，通過在孔中人工激發地震波，所產生的地震波以球面波的形式在隧道圍巖中傳播。當圍巖波阻抗發生變化時(例如遇巖溶、斷層或巖層的分界面)，一部分地震波將會被反射回來，另一部分地震波將會繼續向前傳播。這種方法在已開挖的隧道側壁上進行探測，它一方面排除了對施工的干擾，另一方面建立了與隧道軸線相關的空間幾何關系，為今后的定量分析提供了參考坐標［3］。

該地質預報系統可以對掌子面前方中等硬度級別的隧道圍巖，100～200 m范圍內的巖性變化、斷層、破碎帶、巖溶發育帶以及它們的分布特征、規模和前方巖層的含水特性做出預測。并能計算出上述范圍內的縱波(P波)和橫波波速(SH波)、波速比、泊松比及相應巖體的動彈性模量和剪切模量等巖石力學參數。該方法中典型的代表性儀器如TSP203，TGP206等。

1.1.2 電磁波法

該方法基于一種用于確定地下介質分布情況的高頻電磁技術，從測得的地下介質的電性差異來獲取相關地質信息。工作過程是:由置于地面的天線向地下發射一高頻電磁脈沖，當其在地下傳播過程中遇到不同電性(主要是相對介電常數)界面時，電磁波一部分發生折射透過界面繼續傳播，另一部分發生反射折向地面，被接收天線接收，并由主機記錄。在更深處的界面，電磁波同樣發生反射與折射，直到能量被完全吸收為止，見圖1(b)。電磁波從被發射天線發射到被接收天線接收的時間稱為雙程走時t，當求得地下介質的波速時，可根據測到的精確t值折半乘以波速求得目標體的位置或埋深。同時結合各反射波組的波幅與頻率特征可以得到波形圖像，從而了解場地內目標體的分布情況［7］。該方法中典型的代表性儀器為地質雷達。

圖1 地震波法與電磁波法超前地質預報示意

1.1.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法是利用不接地天線向地下發射一次脈沖電磁場，在一次脈沖磁場的間歇期，觀測二次渦流場的方法，見圖2。當發射回線中的電流突然斷開時，在介質中激勵二次渦流場，在二次渦流場的衰減過程中，早期反映淺層信息，晚期反映深部信息。研究瞬變電磁場隨時間的變化規律，即可了解不同導電介質的垂向分布。瞬變電磁法的探測深度與線圈的大小、匝數有關。線圈越大，匝數越多，探測深度越大。

該法能探測掌子面前方30～50 m距離，具有測試速度快、測試時間短及對地下水敏感度高等特點。

1.2 各種超前地質預報常用方法優缺點分析

隧道施工超前地質預報方法歷經幾十年的發展，已經由單一的地質分析預報階段發展到地質分析結合地球物理探測的綜合預報階段。目前國內使用較多的方法主要有地震類方法(如 TSP/TGP、TST等)、電磁波法(如地質雷達)、瞬變電磁法等，各種方法均有自身的特點與優勢及相應的不足，見圖3及表1。

由表1、圖3可見，地震波法(TSP/TGP)探測系統較之其它設備，由于具有探測距離遠、分辨率高、抗干擾能力強，對施工干擾小等諸多優點而被廣泛采用。但其也存在如下缺點:對地下水敏感程度相對較差;對與隧道軸線小角度相交或傾角較緩的巖層預報準確度相對較低等。地質雷達主要是一種現場操作簡單、對現場掌子面要求較低且具有高分辨率、高準確度的一種方法，其缺陷是預報距離較短，且容易受現場金屬材料等的干擾。同時由于受到自身設備重量的影響，很難全面查清尤其是掌子面拱頂部位的圍巖及不良地質分布特征。而瞬變電磁法雖然對水很敏感，但受現場影響較大，預測距離也較短。

2 隧道建設過程中超前地質預報技術方案淺析

從前述各種超前地質預報技術的特點來看，均有各自的適用范圍和探測優勢，因此，在隧道建設過程中應根據各自方法的特點結合具體隧道的實際情況，有選擇的使用［8-9］。依據前述分析，作者提出隧道超前地質預報中應按“長短結合、綜合預測預報”的原則進行，具體技術方案歸結為以下4項。

1)總體預測預報手段 為避免超前地質預報對施工帶來的不利干擾，建議以地震波法作長距離預報，采用目前最先進的超前探測設備(如TGP206/TSP203等)對隧道全長范圍內的巖土體分布特征、不良地質發育狀況等進行長距離的探測。

2)隧道洞口段預測預報手段 在隧道洞口位置，受實施條件的制約，長距離超前預測預報手段(如TGP206/TSP203)難以實施的地段，建議主要采用短距離的預測預報措施(如電磁波法中的代表性儀器地質雷達)，必要時結合超前鉆孔進行。

圖2 瞬變電磁法原理示意

表1 各測試方法的對比表

圖3 各方法超前預報測區布置

3)長大深埋隧道及地質不良段預報手段 針對長大深埋隧道埋深大、穿越地質條件復雜等具體特點，在充分參考設計階段地勘資料的基礎上，同時考慮到各超前探測設備對前方不良地質體反應敏感程度的差異，制定超前地質預測預報基本原則:①以長距離超前預測預報為主，重點對長距離超前地質預測預報過程中表現不甚敏感的不良地質體(如地下水、斷層、溶洞等)采用針對性的探測設備;②針對隧道大埋深段(一般處于高地應力區)通過超前預報信息的解譯(如圍巖彈性波速、重度等指標)辨識前方巖體的致密及堅硬程度，結合自重應力場特征初步判別巖爆、大變形等發生的可能性;③針對地下水，在前期長距離超前預報的基礎上，采用對水敏感度高的瞬變電磁儀或紅外探測儀進行超前探測;④針對隧道前方不良地質體(如溶洞、采空區)，采用短距離的地質雷達探測手段進行二次驗證;⑤由地質工程師根據區域地質知識和經驗，綜合分析判斷，對掌子面前方的地質情況做出預測，并對各類儀器探測出的地質現象做出合理解釋。

4)根據現場超前地質預測預報結果，對勘查設計給出的地質資料，進行分析研究，結合實際情況，判斷隧道地質劃分的正確與否，及時識別施工中可能存在的風險源并提出相應的建議。

3 結語

近年來，隨著我國基礎設施建設的不斷加快，各類長大深埋及特殊復雜地質條件下的隧道大量涌現。超前地質預報技術作為前期勘察資料的有益補充，越來越得到現場技術人員的重視，各種新技術、新設備也屢見不鮮。但由于各種技術設備基于基礎理論的差異，均有各自的適用性，本文在總結現今超前地質預報技術主流方法優缺點的基礎上，提出了隧道建設過程中超前地質預報技術的具體實施原則與方案，以供現場技術人員參考。文中不足之處，敬請批評指正。

［1］何發亮，李蒼松，陳成宗．隧道地質超前預報［M］．成都:西南交通大學出版社，2006．

［2］涂碧海，黃興，李克坤．超前地質預測預報技術研究［J］．鐵道建筑，2010(1):146-150．

［3］何繼善，柳建新．隧道超前探測方法技術與應用研究［J］．工程地球物理學報，2004，1(4):293-298．

［4］姚云泉，張興剛．探地雷達在世界之窗站隧道中的應用［J］．鐵道建筑，2010(8):70-72．

［5］徐則明，黃潤秋．深埋特長隧道及其施工地質災害［M］．成都:西南交通大學出版社，2000．

［6］劉志剛，趙勇．隧道隧洞施工地質技術［M］．北京:中國鐵道出版社，2001．

［7］范占鋒，李天斌，孟陸波．探地雷達在公路隧道超前地質預報中的應用［J］．物探與化探，2010，34(1):119-122．

［8］李峰亮．對隧道施工中地質預測預報分類的設想［C］//地下工程建設中地質災害預測預報及防治學術討論會論文集．北京:地質出版社，1991:41-44．

［9］中華人民共和國鐵道部．鐵建設［2008］105號 鐵路隧道超前地質預報技術指南［S］．北京:中國鐵道出版社，2008．