隧道超前地質預報的技術研究

陳小冬

在地質條件復雜的地區，由于前期的勘探不能完全探明隧道內的地質情況，在開挖的過程中經常遇到不良地質體，給施工帶來隱患。所以，在開挖前對隧道掌子面前方的地質情況進行預判，即進行超前地質預報已經成為隧道工程的一項重要工作。隧道超前預報指的是，在隧道施工過程中，通過地質和物探方法，推測掌子面前方的地質情況，為隧道施工方案提供依據。

一、超前地質預報方法分類

超前地質預報方法可分為常規地質法和物探法兩大類，具體有超前導坑、正洞地質素描、水平超前探孔、聲波測試、紅外探水、彈性波法和電磁波法。其中超前導坑、正洞地質素描和水平超前探孔屬于常規地質法，剩余部分屬于物探法。

1.超前導坑

超前導坑法分為超前平行導坑和超前正洞導坑。平行導坑的布置平行于正洞，斷面小且和正洞之間有一定的距離，在施工過程中對導坑中遇到的構造、結構面或地下水等情況作地質素描圖，通過做地質素描圖對正洞的地質條件進行預報。優點是：平行導坑超前的距離越長，預報也越早，施工中就有充分的準備時間，可以增加工作面，加快施工進度，還可以起到排水減壓放水，改善通風條件和探明地質構造條件的作用。此方法直觀，精度高，預報的距離長，便于施工人員安排施工計劃和調整施工方案。超前正洞導坑布置在正洞中，其作用與平行導坑相比，效果更好。但缺陷是成本太高，有時需要對全洞進行平導開挖，且在構造復雜地區準確度不高。

2.正洞地質素描

地質素描是對開挖面的地質情況如實而準確的反映。主要內容包括地層巖性、構造發育情況、地下水的出水狀態、圍巖的穩定性及初期支護采用的方法等。正洞地質素描是利用所見到正洞已開挖段的地質情況預報前方可能出現的不良地質條件。此法的優點是不占用施工時間，設備簡單，不干擾施工，出結果快，預報的效果好，為整個隧道提供了完整的地質資料；缺點是對與隧道夾角較大而又向前傾的結構面容易產生漏報。

3.水平超前探孔

水平超前探孔方法是在隧道內安放水平鉆機進行水平鉆進，根據隧道中線水平方向上鉆孔資料來推斷隧道前方的地質情況。鉆孔的數量、角度及鉆孔長度可人為設計和控制。一般可根據鉆進速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液的顏色、氣味、巖粉以及在鉆探過程中遇到的其他情況來判斷。這種方法可以反映巖體的大概情況，比較直觀，施工人員可根據現場的地質情況來安排下一步的施工組織。但該方法也存在不足之處：在復雜地質條件下預報效果較差，很難預測到正洞掌子面前方的小斷層和貫穿性大節理。

4.聲波測試

聲波對裂隙反應很敏感，遇到裂隙即發生介面效應，耗損波能，波形變復雜，波速減緩，此外，聲波速度的大小還和巖體強度有關。聲波測試方法有多種，主要有巖面測試和孔內測試兩種：（1）巖面測試是在已開挖地段進行的，由于隧道開挖放炮形成許多張裂隙，所測波速表面巖石比實際巖體的波速略偏低。（2）孔內測試分單孔和雙孔兩種。單孔測試是把發射源和接收器放在同一孔內，但只能測到鉆孔周圍一倍波長左右范圍內的地質情況。雙孔測試是把發射源和接收器放在不同的鉆孔內，測試兩孔之間的巖體波速。

5.紅外探測

所有物體都發射出不可見的紅外線能量，能量的大小與物體的發射率成正比。而發射率的大小取決于物體的物質和它的表面狀況。當隧道掌子面前方及周邊介質單一時，所測得的紅外場為正常場，當前面存在隱伏含水構造或有水時，他們所產生的場強要疊加到正常場上，從而使正常場產生畸變。據此判斷掌子面前方一定范圍內有無含水構造。紅外輻射曲線上升或下降均可以判定有水，其他情況判定無水。紅外探測的特點是可以實現對隧道全空間、全方位的探測，儀器操作簡單，能預測到隧道外圍空間及掘進前方30m范圍內是否存在隱伏水體或含水構造，可利用施工間歇期測試，不占用施工時間。但這種方法只能確定有無水，沒有定量的解釋。

6.彈性波法

彈性波超前預報技術按觀測系統可分為地震反射法、水平聲波剖面法及TSP超前預報法。當彈性波向地下傳播時，遇到波阻抗不同的地層界面時，將遵循反射定律發生反射現象。介質的波阻抗差異愈大，反射回來的信號就愈強。

7.電磁波法

電磁波法是利用電磁波在不同介質中產生透射、反射的特性來進行地質預報工作的，目前常用的方法有地質雷達。利用地質雷達進行超前預報時，當前方巖石完整的情況下，可以預報25m的距離；當巖石不完整或存在構造的條件下，預報距離也能達到15m左右。雷達探測的效果主要取決于不同介質的電性差異，即介電常數，若介質之間的介電常數差異大，則探測效果就好。在洞內測試時，由于受干擾因素較多，往往造成假的異常，形成誤判，因此要加強數據采集與處理工作，盡量排除干擾，提高探測精度。

二、超前地質預報的主要難點

1.地質勘探的局限性

隧道由于埋深較大的特點，使得勘察工作較難進行。同時受制于本身斷面尺寸的影響，水平鉆孔或超前導坑等方法探測局限性很大。占用較長的工期和較高的費用。

2.地質物性區別較大

詳細的地質超前預報涵蓋地質構造、工程地質和水文等較多內容。其中，巖體的構造特性、工程特性和完整程度等均表現在力學性質上，而水文特性則主要通過電性差異體現。任何一種單一類型的物探方法都難于很好涵蓋力學和電學這兩種物性的變化。

3.地震波震相復雜

隧道內的地震反射波是三維的,要分析反射波的不同方向、波速、反射面位置、反射面性質。同時，要識別面波、縱波、轉換波，遠比表面觀測的震相復雜。

4.預報要求的內容多、質量高

隧道超前預報關心的主要地質問題有三個：第一個是構造軟弱帶問題，包括斷裂、溶洞、破碎帶等不良地質對象的性質、規模、位置及產狀等；第二個是危險的含水、含氣構造問題，包括含水斷裂、含水溶洞、含水松散體等的位置、規模、富水性、水壓大小等；瓦斯氣的生、儲、蓋地質條件；第三個是圍巖的工程類別的問題。這三個問題中的每一個對工程物探來說都是疑難問題。

三、TSP技術探測原理

TSP(Tunnel Seismic Prediction)方法是一種類似于零偏移距地震多波反射波法，所謂反射波法就是震源激發的地震波傳播到有波阻抗差異的界面上發生反射，通過接收到該反射波后對其進行資料處理，得到界面的構造和巖性解釋。我們要利用的有效信息是反射的縱波（P波）和橫波（SH、SV波）。

地震波是由特定位置進行小型爆破所產生，測線布置一般是一系列爆破點沿著隧道左壁或右壁平行隧道底板成直線排列，炮孔深1.5m，間距1.5m。這些震源發出的地震波在掌子面前方傳播過程中，遇到地層層面、節理面、斷層破碎帶界面等不良地質界面時，將產生反射波。反射信號由傳感器接收，并將接收的數據傳送給記錄單元，由于反射信號的傳送時間與到地質界面的距離成正比，反射信號的強度與相關界面的性質、界面的產狀密切相關。通過對反射波數據記錄分析，可得出相關隧道構造剖面及圍巖的物理力學參數。

P波和S波在巖石中的傳播速度主要取決于巖石彈性性質，確定地震波速度不僅可以預報前方不良地質構造，還可以計算巖石力學性質，預報圍巖等級。彈性波的傳播速度只取決于巖石的彈性模量。巖石的彈性模量的影響因素包括組成該巖石的礦物成份、巖石中孔隙流體性質及壓力、溫度等，孔隙度、空隙流體是通過影響巖體的彈性模量而影響速度的，因此可以通過測試巖石的速度參數來判定巖性。