隧道施工期超前地質預報技術研究進展及發展趨勢

(重慶交通大學 重慶 400074)

一、引言

隧道超前地質預報技術的開發和應用時間不長，正處于一個快速發展的階段。許多科研單位都開展了相應的研究工作，如李術才等提出了四階段全過程的隧道綜合超前地質預報體系，初步形成基于約束聯合反演理論的綜合預報方法；薛翎國等詳細討論了儀器配合的關鍵問題，并開發了隧道超前地質預報自動選擇程序；李術才等開展了綜合超前地質預報的研究，提出了地質預報的“三結合”原則。

多年來國內外的工程物理工作者在不斷地尋求著改進探測技術和分析方法的辦法，希望能夠提高預報的精度，已經獲得了很多成功的經驗。許多施工單位也意識到了超前預報的重要性，開始開展超前預報工作，在一定程度上減少了隧道施工期間地質災害，但是由于物探方法解譯的多解性，單一方法得到的結果可靠性較低，使得預報的準確性較低，特別是在工程地質較為復雜的環境，給隧道的施工帶來了不便。所以，本文將具體闡述工程地質調查法、超前水平鉆孔法、地質雷達法、TRT探測法、TSP探測法的原理及特點，并分析起優缺點和局限性，為綜合運用超前地質預報技術處理復雜隧道提供借鑒與指導。

二、超前地質預報的常用方法

(一)工程地質調查法

工程地質調查法是根據已有地質資料以及經過調查的地表與隧道內的工程地質資料，通過地質理論分析、地質作圖等，了解所處地段的地質結構特征并預測掌子面前方地質情況的一種預測方法。內容主要包括對掌子面前方地質條件的預測評價以及對接下來隧道施工措施的建議。

(二)超前水平鉆孔法

超前水平鉆孔法是利用鉆機在隧道掌子面進行水平鉆探獲取地質信息的方法，通過鉆進速度測試、巖芯采取率統計、鉆孔巖芯鑒定和必要的巖芯試件強度試驗來確定隧道施工掌子面前方巖層的展布、地層巖石的軟硬程度、巖體完整性及可能存在的斷層、空洞的分布位置，從而進行隧道施工掌子面前方的超前地質預報。目前國內外對這種方法的應用已較為普遍，英吉利海峽隧道、日本青函海底隧道更是大量采用了超前水平鉆孔進行施工期超前地質預報。

(三)地質雷達法

地質雷達是一種用于探測地下介質分布的廣譜電磁技術。依據電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作，電磁波脈沖由發射天線T發出，被地下介質反射，由天線R接收，然后將這些信號記錄下來以圖像形式顯示出來。在電磁波傳播的過程中，遇到不同的巖層或巖層節理發育程度不同時，電磁波的反射系數、衰減系數以及反射波頻率是不一樣的，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及形態而變化。因此，根據接收波的旅行時間、幅度與波形材料，可推斷地下地質結構。

(四)TSP探測法

TSP超前地質預報系統是利用地震波在不均勻地質體中產生的反射波特性來預報隧道掘進面前方及周圍鄰近區域地質狀況的。在隧道左或右邊墻設計24個炮點，用少量炸藥激發地震波，當地震波遇到斷層、破碎帶等巖石波阻抗差異界面時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號被高靈敏度的地震檢波器接受，通過處理數據和地質解譯即可了解隧道掌子面前方不良地質體的發育位置與規模。

TSP具有很多的優點：(1)探測距離長，能預測掌子面前方100～350m。(2)適用范圍比較廣。(3)對隧道施工干擾小，數據采集時間僅需要45min～1h。(4)提交材料快，現場采集數據后，一天內即可提交成果報告。(5)節約投資費用。

TSP也存在它的局限性：(1)探測精度比較低，探測對象與相鄰介質必須存在較明顯的波阻抗差異并具有足以被探測的規模。(2)在地質情況復雜多變、各種干擾比較嚴重的情況下，有效波的識別與分離比較困難。(3)對巖溶等不規則體探測效果較差。

三、超前地質預報技術存在的問題及未來的發展

隧道施工過程中，存在的風險比較多，需要采用超前地質預報方法來預測前方不良地質體，以保證施工的安全。以往的超前地質預報多采用單一方法進行，但是，隨著隧道施工技術的發展，隧道的深埋和長度越來越大，地質條件越來越復雜，單一方法的預報因自身方法的局限性，無法保證預報的準確性。為了避免這一問題，我國的超前地質預報技術處于單一預報方法向綜合性預報方法轉變階段，但是還沒有形成超前地質預報綜合分析體系，讓現在的隧道施工在預報方法上無據可依，只能以負責人的經驗來確定預報方法，這樣難免會存在不科學的地方。

所以，在進行地質分析的基礎上，根據實際工程地質特性，結合各種物探方法的優點及局限性，選擇最有效的綜合預報方法去處理這些復雜隧道將成為未來超前地質預報的主流。并且，想要提高超前地質預報的精度，不但要各種方法取長補短綜合分析，還必須對現有的超前地質預報方法進行改進，完善巖體類別識別和定量化指標，以適應超前地質預報工作的迫切需要。

關于建立超前地質預報綜合分析體系，我有以下幾點建議：

(1)以地質分析為核心。因為地質分析有牢固的理論基礎，可以為預報提供準確基礎數據。

(2)洞內、洞外預報相結合。洞外的地質調查有時會讓我們發現很關鍵的信息。

(3)以綜合物探法配合地質分析。其中物探法要長短結合，因地制宜。長短結合也就是說，在預報時，以長距離探測為引導，在不良地質體前，以精準的短距離預報加以輔助。所謂因地制宜，就是說遇到特殊不良地質體時，用適合它的方法去探測它。

以上都是理論上的分析，超前地質預報綜合分析體系的建立是一個漫長的過程，需要大量的工程資料的搜集，并且要及時總結工程中所用綜合方法的成功經驗。