淺談超前預報技術在隧道施工中的應用現狀

楊正熙

（河南理工大學 資源環境學院，河南 焦作 454000）

早在20世紀，國內外學者就對隧道超前地質預報進行了深入的研究。隨著隧道建設的需求不斷擴大，探查技術和設備不斷發展和迭代，如今已形成十多種探查技術，用于隧道超前地質預報工作。目前，主流的超前預報技術有水平鉆探法、以隧道地震勘探（Tunnel Seismic Prediction，TSP）為例的地震波類、地質雷達法、瞬變電磁法等[1-3]。

1 TSP技術在隧道超前預報中的應用現狀

TSP技術對圍巖的探測距離遠，對巖性變化和地質構造有較好的預報效果，適用于各類地質條件，是隧道超前預報重要的物探手段之一，在實際工程中得到廣泛應用。楊志剛等[4]以TSP探查到的隧道圍巖參數數據為基礎，對比掌子面調查和開挖揭露結果，歸納分析數據并對探測成果進行解譯，提出將TSP技術應用于隧道圍巖分級和地質條件探測，結果顯示，將TSP技術應用于隧道圍巖分級和超前探測是可行的。肖諄等[5]在基礎資料和掌子面調查的基礎上，利用TSP203對掌子面前方隧道圍巖分級以及工程地質條件和水文地質條件成功進行預報。

有學者從TSP探測原理、數據處理、圖示解譯等角度進行研究，通過正演反演模擬分析波場響應特征，提高預報精度，降低多解性造成誤報的概率。賈毅[6]闡述了TSP系統的基本理論和原理，對TSP數據的采集過程和處理流程進行了詳細的介紹，利用交錯網格有限差分的原理建立數學模型并進行模擬，將TSP實作探測與數學模擬成果進行對比，總結系統響應特征，并據此建立新的解譯方法。鄧唯淅[7]利用交錯網格有限差分法對巖溶、斷層等地質現象建立模型，進行正演和反演模擬，對比總結出TSP系統在不同地質條件下的響應特征，提出相應的解譯標志。曾勝強[8]利用有限元數值模擬方法建立隧道三維數據模型，通過調整模型的地層傾角獲得地震波傳播規律，研究在波場分離中使用線性變化的效果和可行性，總結波場分離特點，提高預報精度。謝麗軍[9]在分析地震波和TSP基本理論的基礎上，根據有限元數值模擬方法，利用ANSYS軟件模擬TSP波場的數值，建立不同情況下的斷層和空洞模型，對模擬結果進行波場分離處理，研究了復雜地質情況下的隧道地震波場特征。

2 地質雷達法在隧道超前預報中的應用現狀

地質雷達法是利用高頻電磁波束對圍巖進行探測，根據電磁波在圍巖中的傳播特征進行預報，是目前常用的短距離預報方法，對掌子面前方0～30 m的預報效果好，在隧道超前預報中常作為TSP預報技術的輔助補充手段。張家祥[10]根據地質雷達的基本原理，總結雷達在各地質條件下的圖像特征，結合縉云山隧道應用顯示，地質雷達對富水、巖溶和破碎帶的預報效果較好。施鵬超等[11]以貴州兩條巖溶隧道為依據，分析總結了地質雷達在巖溶隧道探查時，雷達波形圖像特征與隧道巖體富水程度和完整程度的關系，根據地質雷達對隧道巖溶和裂隙的響應特征進行預報，開挖驗證效果較好。溫世儒[12]根據電磁波基本理論和地質雷達基本原理，提出地質雷達在不同圍巖完整程度下富水程度的適用范圍，量化分析了空腔和填充溶洞以及富水破碎帶和風化灰巖在不同富水程度下的波形特征，變換處理后得到新的判讀標準，推導涌水量和塌方規模的估算公式并進行地災等級劃分。宋文東[13]利用地質雷達法對隧道進行探測，對比分析實際揭露，利用FLAC3D軟件建立隧道模型，探究隧道掌子面前方在不同位置存在不同形狀巖溶溶洞時，開挖隧道對隧道圍巖變形影響的一般性規律。

3 綜合超前預報技術的研究現狀

綜合超前地質預報技術可以有效解決單一預報手段精度不足和多解性的問題，在中高風險隧道和復雜地質條件下可大大提高預報準確度。滿銀等[14]歸納和分析了地質調查法、超前導坑法、超前鉆探法、物探法4種常用的隧道超前預報方法。曹放等[15]以鷓鴣山隧道為依托，在長大深埋隧道斷層帶建立一套以地質分析為核心、洞內外結合、長短結合的綜合超前地質預報體系。李鵬飛[16]依托黃家溝隧道，為查清隧道隱伏地質問題，采用TSP203和地質雷達相結合的方式對掌子面前方進行超前預報，開挖驗證取得較好預報效果。周浩宇等[17]分析了TSP和地質雷達的基本原理，結合工程實例進行預報和開挖驗證，TSP可以準確預報巖性分界面，地質雷達對巖體富水情況敏感、預報效果較好。在復雜圍巖環境下需兩種物探方法相結合進行綜合超前地質預報。向勇[18]根據TSP和探地雷達（Ground-Penetrating Radar，GPR）工作原理總結預報特點，工程實例預報顯示，TSP可以獲得圍巖參數并進行分級，GPR對節理裂隙分布較敏感，兩種技術長短結合可以提高超前地質預報精度和可靠性。劉博[19]對隧道的煤礦采空區使用TSP和地質雷達進行地質探查，兩種技術對采空區、煤層等探測效果較好，開挖驗證顯示，綜合預報可以準確掌握采空區分布情況及其他不良地質體。何山等[20]以育王嶺隧道為依托，依次使用TSP、地質雷達和紅外探水進行探測，開挖驗證預報效果較好。劉康等[21]在對隧道巖溶段進行地質分析的基礎上，根據TSP、地質雷達和瞬變電磁異常響應進行分析，綜合預報巖溶及富水情況，準確預報了巖溶及地下水的發育情況。黃霄寒[22]介紹了探地雷達和TSP的工作原理以及數據的采集處理及解譯，運用GprMax軟件建立無填充、充水和探測邊界溶洞模型進行模擬，對比實測圖像特征，總結GPR的解譯標志；根據TSP成果圖像總結在巖溶區域的解譯標志。

以西南某隧道為例，全隧運用TSP技術作為主要物探手段進行超前地質預報，在地質調查和TSP探查預報的基礎上，通過地質雷達、瞬變電磁或超前鉆探等手段對異常區域進行探查驗證，降低TSP多解性，取得了較好的預報效果。

4 結語

TSP屬長距離地質預報方法，可以獲取巖石的密度、泊松比、彈性模量等力學性質；地質雷達法主要研究介質的電性和介電性質，對近距離目標體，特別是含水帶、破碎帶，具有較強的分辨能力，但探測距離短、受機電設備影響較大。單一的方法在面對復雜多樣的地質情況時，往往顯得力不從心。因此，針對不同工程地質條件的隧道，要結合地質構造特征合理選擇探測方法，對多種預報技術進行合理有效的整合，充分發揮各預報技術的優勢，取長補短，以提高隧道地質災害超前探測和預報的可靠性和準確性。