隧道超前地質預報技術的狀況

盧衛東

廣西交通科學研究院，廣西南寧 530007

0 引言

隧道施工時，前方經常會遇到充水、充泥、斷層破碎帶，巖溶等不良地質狀況。一旦作業不當，就很可能發生塌方，冒頂和突泥等地質災害。隧道施工對前方地質狀況的認識，除了前期獲得的地質勘探資料，目前一個重要的途徑就是施工超前地質預報。前期的地質勘探資料往往只是對隧道區域地質情況的一個大概勘測，由于受到地形和環境，以及精度的限制，準確性都大打折扣，對細部地區的勘測往往不足，有時經常和現場的實際地層情況相差很遠。因此，實施隧道超前地質預報很有必要，可為隧道施工節約經費，減少施工中的人員傷亡，可以在地層進行圍巖分級和隧道施工進行動態設計時提供依據。

國內外常用的隧道超前地質預報方法，從宏觀方面主要歸類有：地質分析法、超前鉆探法、物探法和綜合預報方法。從探測的掌子面前方距離來劃分，有短距離探測（30m內），中長距離探測（30m～100m），長距離探測（100m以上）。由于當代科技的進步以及各類物探設備的不斷面市，目前物探儀器和物探方法在地質預報中應用比較普遍和主流。下面簡要介紹一下國內比較常見的一些方法：

1）地質分析法

地質分析法主要指工程人員依靠簡單輔助工具和一些地質勘測資料，對隧道內地質情況進行觀測分析，推斷出前方地層情況的一種方法。這種方法預報的距離短，大概在5至15米，且對工程人員的現場經驗和地質知識要求較高。

2）超前鉆探法

鉆探法是采用專門的鉆探機具，對前方地層進行鉆掘測探或者取出巖芯分析，以獲取前方地層地質情況的一種方法。這種方法較直觀和易于理解，但缺點是鉆孔獲取前方的地層信息的范圍較小，通俗的說就是只能進行“點測”，如果遇到溶洞和土腔體，有漏報的可能性。而且占用施工面和作業時間較大，花費也不小。

3）彈性波反射法

屬于物探方法范疇，是利用聲波或者人工激發的地震波在地層中傳播時，當遇到復雜地質體時反射回來部分反射波，分析這些反射波的特性，預測出前方地層情況的一種方法。這類物探方法包括有地震波反射法、負視速度法和陸地聲納法等等。地震波反射法比較常用和成熟，目前工程實踐中常用的TSP203和TGP206設備就是根據地震波發射法的原理。

4）電磁波反射法

屬于物探法中的一個類別，主要使用的是地質雷達（或稱探地雷達）進行探測。雷達發出電磁波進入前方巖體傳播，當遇到變化差異的地質巖體時部分電磁波反射回來，雷達接收信號并進行分析成圖。地質雷達在工程檢測中應用廣泛。

5）電法勘探

有傳統的直流電法、電阻率測深法、激發極化法、瞬變電磁法等。傳統的電法勘探主要研究的是巖體空間電流電場變化和空間分布規律，來推斷地下水的情況和巖體破碎發育情況。

6）綜合方法

進行地質預報時，每種常用的方法和儀器設備都有自身使用的局限性和針對性。隧道內的地質環境也是復雜多變的，只有根據隧道具體地質環境，將選擇使用的方法和儀器結合起來運用，才能起到良好的效果和工程效益。

1 TSP和地質雷達

工程常見的是，一般先采用長短距離結合的物探方法加上現場工程人員的地質編錄進行地質預報，長距離預報常用的是地震波反射法原理為基礎的TSP203儀器和TGP206儀器，有效預報距離通常能達到100m～300m遠，能“照亮”前方范圍較大的巖體。短距離使用的是地質雷達，一般每次探測距離30m左右，當遇到富水高危特殊地層，可以考慮使用對探測地下水比較敏感的瞬變電磁法和紅外探測方法。

1.1 TSP（Tunnel Seismic Prediction）系統

TSP系統是由瑞士安伯格公司推出的一種隧道超前地質預報系統，是目前應用較為廣泛的系統。該系統目前國內常用的是TSP203系列普及型儀器，該系列型號儀器擁有較高的軟件自動解釋功能。國內常用的另一種預報系統是北京市水電物探研究所發展的TGP預報系統，原理和TSP系統大致相同，主要使用的儀器設備是TGP206。

圖1 工作原理（引自瑞士安伯格TSP說明書）

TSP工作原理示意如圖1所示。在隧道洞內的某側邊墻上等間距鉆設24個激發孔，在遠離隧道掌子面的方向上，且距離激發孔規定距離的邊墻上再鉆設兩個接收孔，在激發孔內放入適量的乳化炸藥進行爆破產生出地震波，地震波向前傳播時，當遇到差異的地質體時，就會反射部分回來，被埋置在接收孔里的檢波器接收到信號并傳給儀器主機保存下來。現場采集的數據，通過TSP配備的軟件處理分析，就可以得到前方地層的地質信息。

隧道前方的不良地質現象大致主要有斷層，富水區域，溶洞，破碎巖體，軟弱巖層等。客觀來說，任何一種方法不可能很準確且面面俱到地預測出上述所有的不良地質情況。但TSP系統對這幾種地質情況綜合來說，綜合預報性能是比較高的，也不太影響隧道的正常施工作業。因此，TSP（或者TGP）系統在實踐中應用較為廣泛，也積累大量工程經驗。

1.2 地質雷達

圖2 雷達剖面圖

地質雷達作業靈活，作業占用時間短，應用也不斷成熟。采用地質雷達進行超前地質預報是較常用的方法。國內較常見的雷達是美國GSSI公司的SIR系列，瑞典MALA公司的RAMAC系列，中國電波傳播研究所的LTD系列雷達。探測時，地質雷達向地層發送高頻電磁波，電磁波在傳播中遇到介質的電性差異時，就會發生部分反射，根據接收到的雷達反射波走時、強弱、波形等特性，就能推測出空間目標體的情況。

隧道進行超前地質預報，一般雷達所選的天線主頻率是100MHz，測線布置依據工程情況而定，以下是雷達分析成果圖中的一幅較常見圖表。

圖2是隧道地質預報成果圖中較典型的一幅雷達反射波剖面圖，來源于某高速公路隧道的檢測數據實例，是經過各種處理后得到的線測反射波剖面灰階圖。圍巖區域是石灰巖地區，地下水不發育。上方橫向寬度是隧道掌子面的測線寬度，縱向方向上，從坐標零點開始，往下是掌子面探測前方的距離，單位為米。雷達反射波波形剖面能反映出前方巖體的很多特性，就一般情況而言：

1）相同巖性反射波同相軸比較連續，差異巖性的反射波同相軸比較錯亂；

2）反射波振幅的強弱能反映出巖體的破碎強弱和某些地下水信息；

3）反射波頻率的大小，能看出巖性質地（即軟硬）特性。

圖2中，隧道掌子面前方0m～3m段圍巖，通常屬于爆破震動引起的松動區，反射波波形雜亂；3m～13m區域，巖體較均一完整；13m～25m區域，反射波同相軸錯亂，反射波振幅加強。結合前期地質資料和現場地質編錄分析，該段圍巖破碎，局部夾泥。

2 結論

本文簡述了一些隧道超前地質預報的方法，以及代表性的地震波反射法TSP預測系統和地質雷達方法的情況。

在隧道超前地質預報中，要始終堅持現場復核物探結論，不斷動態修正物探參數的原則，才能把超前地質預報工作做好。

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