綜合超前地質預報技術在隧道探測中的應用

王霆 孫久順

摘要：針對復雜地質條件下超前地質預報工作中精確度低、準確性差的問題，采用綜合超前地質預報方法對隧道進行預報，分析了工作原理及實施流程，并在寨山隧道開展了現(xiàn)場探測，考察了探測結果，探測分析結果與隧道開挖揭露結果一致，說明該技術正確推斷了掌子面前方的圍巖情況和不良地質體的基本情況，達到了基本的預報效果，為類似地區(qū)的隧道施工的開展提供了重要借鑒。

關鍵詞：隧道施工;地質預報;綜合預報

引言

針對在我國巖溶地區(qū)修建隧道時遇到的某些地質災害，利用綜合超前地質預報技術對地質情況進行探測，分析綜合地質預報技術的組成、特點及工作方法;結合具體工程地質特征，提出基于地質識別、地質雷達法等相結合的綜合探測技術，分析該技術手段對具體工程的實用性、先進性及其發(fā)揮的重要作用。

1綜合超前地質預報方法

綜合超前地質預報方法是在多種預報方法的基礎上，以系統(tǒng)科學理論為基礎，結合現(xiàn)代信息化的管理手段，將多種信息進行整合的技術。通過對不同方法獲得的信息進行綜合分析，在很大程度上消除了信息的不一致性，推導出對隧道前方施工不利的地質條件。

進行超前地質預報首先應進行定性分析，即對隧道宏觀地質信息進行分析，然后再通過綜合手段對數(shù)據(jù)等進行定量分析。定性分析主要采用地質地面調查法，指通過對開挖隧道洞內和洞外地表地質現(xiàn)象進行觀察與測量，具體手段包括對開挖工作面和洞身的地質素描、地表補充地質調查以及對各種地質現(xiàn)象進行繪圖等。定量分析是在初步確定不良地質體的類型和大致范圍后，通過監(jiān)控量測獲得的各種數(shù)據(jù)，借助儀器與軟件分析變形情況，并對數(shù)據(jù)進行處理，對預測變形趨勢進行分析。綜合地質預報方法應遵循系統(tǒng)科學的理論及整體性原則，把隧道及其周圍地質作為一個系統(tǒng)，系統(tǒng)中各要素之間的相互關系、相互作用，構成統(tǒng)一的整體，不僅要對隧道洞體進行超前地質預報，還應結合本地區(qū)已建工程的信息，了解可能發(fā)生的地質災害及發(fā)生災害的主要類型、強度等;也應遵循動態(tài)性原則，其中1個要素發(fā)生改變，其他要素必然發(fā)生變化;如斷層未得到及時處理，由于地下水或溶洞的存在，可能發(fā)生涌水現(xiàn)象，導致更加嚴重的災害。

綜合超前地質預報實施程序如下。

（1）地質分析法，首先對地質資料進行分析，以相關工程地質和水文地質資料為基礎，結合洞內外地質調查等方法判斷致災構造的大致位置、類型。同時，地質資料的分析也為物探和鉆探提供信息基礎，指導施工人員選取合適的物探方法及鉆探方案。

（2）物探識別，即地球物理勘探方法，這一階段主要采用多種物探手段，探測掌子面前方10 ～100 m 的不良地質體。對得到的結果進行解譯，確定不良地質體的類型、規(guī)模、方位以及段巖石的力學特性等數(shù)據(jù)。

（3）鉆探揭露，通過鉆探過程中鉆孔的速率快慢、難易程度、是否有異常現(xiàn)象以及取得的巖樣判斷隧道掌子面前方地層的實際情況，還可通過巖芯試驗獲得巖石強度等定量指標，最直接、有效地預報超前地質。地質雷達法是目前最主要的物理勘測方法，其實質是利用不同介質界面的電磁特性差異而反射產(chǎn)生的電磁波探查各種介質從而進行地質預報，并通過數(shù)據(jù)反演，找出不良的地質體。一般用來探測掌子面前方10～30 m隧道周圍的地質狀況。其優(yōu)點是耗時短、現(xiàn)場操作簡便，分辨率高，能反映圍巖內部特征，尤其對含水帶、破碎帶有較好的識別效果。其主要工作方法是首先通過自身攜帶的寬帶天線向前方發(fā)射高頻的電磁波，遇到不同介質時會產(chǎn)生反射，信號返回后由主機接收，然后根據(jù)電磁波的物理特性如時間、振幅、波形等，確定不良地質體的規(guī)模、性質等參數(shù)。

2 TSP 地質預報原理及設備系統(tǒng)組成

2.1 基本原理和方法

TSP方法屬于高分辨率地震反射的多波多分量方法，地震波發(fā)生在帶有少量炸藥的投影焦點（通常在隧道的左壁或右壁，大約 24 發(fā)）。 當?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面（如斷層、斷裂帶、巖性變化等）時，部分地震信號被反射回來，部分信號傳輸?shù)角熬壗橘|。 反射的地震信號將被高度靈敏的地震檢波器接收。 可通過TSP-win軟件對數(shù)據(jù)進行處理，了解隧道前方不利地質體的性質（弱帶、斷裂帶、斷層、含水層等）、位置和范圍。

TSP-WIN軟件是將收集到的TSP數(shù)據(jù)進行處理的。主要處理的軟件流程有以下具體11個步驟，首先是數(shù)據(jù)設置、帶通濾波、初值選擇、選擇處理、槍能量均衡、Q估計、反射波提取、PS波分離、以及速度分析、深度偏差滾動還有突出反光層以上這些就是TSP-WIN軟件處理的主要流程。并且通過速度進行分析，可以將反射信號的傳播時間進行深度與距離的轉化。同時處理的結果還可以將隧道軸線的交角與隧道工作面的距離確定反射層所對應的地質空間，并將反射波特征對地質體的性質進行結合。P波以及SH 波還有SV波剖面進行深度便宜剖面還有提取反射層以及巖石物理力學參數(shù)、各反射層能量大小等，以及二維范圍內的反射層或 3D 檢測范圍空間分布。

2.2設備系統(tǒng)組成

采用TSP 203高級地質預報系統(tǒng)。 主要系統(tǒng)組成： 1）錄音單元：12通道，24位A/D轉換，采樣間隔62.5和125 μs，最大錄音長度1，808.5 ms，動態(tài)范圍120 dB。 2）在120db的動態(tài)范圍。2）地震檢波器，接收器：靈敏度1000 mV/g±5%，頻率范圍0.5～5000Hz，諧振頻率9000Hz，橫向靈敏度>1%，工作溫度0℃～65℃ . 3）TSP-win軟件：數(shù)據(jù)采集和處理一體化。

結語

綜上所述，在我國經(jīng)濟蓬勃發(fā)展的大背景下，在地形地貌復雜的西部地區(qū)修筑公路、鐵路改善交通條件以促進經(jīng)濟發(fā)展是不可避免的趨勢。在我國西部在建、擬建的隧道數(shù)量眾多，且這些隧道往往埋深大、長度大。在這些地區(qū)修建隧道存在著許多風險和困難，巖爆、塌方、斷層等地質災害時有發(fā)生，這些災害嚴重地威脅著施工安全和人員安全。單一的超前預報方法有其局限性，同樣的方法對相同的區(qū)域開展地質預報的結果也不盡相同。例如，地質分析法結果較為粗略，只可大體上推斷水文與地質情況;地質雷達法有預報距離較短、對施工有一定的影響等缺點;而超前鉆探法則很難預測鉆孔與鉆孔間的地質情況。

參考文獻：

[1]覃暉，唐玉，王崢崢，王新山，譚巖斌.綜合探測技術在隧道超前地質預報中的應用[J].現(xiàn)代隧道技術，2018，55（S2）：681-686.DOI：10.13807/j.cnki.mtt.2018.S2.087.

[2]李永輝，浦少云，尚本峰.TSP超前地質預報技術在隧道探測中的應用[J].水利科技與經(jīng)濟，2018，24（02）：72-76.

[3]藍志杰，張成良.超前地質預報技術在隧道探測中的應用[J].公路與汽運，2016（02）：216-219.

[4]張全全，張成良.綜合超前地質預報技術在隧道淺埋段中的應用[J].河南科學，2014，32（09）：1780-1784.DOI：10.13537/j.issn.1004-3918.2014.09.023.

[5]焦莉.綜合超前地質預報技術在隧道施工中的應用[J].筑路機械與施工機械化，2012，29（07）：83-85+88.

[6]吳張中，徐光黎，吳立，史宣陶. 綜合地質超前預報技術在隧道施工中的應用研究[C]//第二屆環(huán)境與工程地球物理國際會議論文集.[出版者不詳]，2006：293-295.