鉆爆法隧道施工超前地質預報現狀和發展趨勢

曾明生

（四川攀大高速公路開發有限責任公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

隧道超前地質預報指采用一定技術手段，對隧道開挖掌子面前方地質情況及不良地質體的工程性質、位置及產狀的探測、分析解釋與預報，既是隧道施工必不可少的技術環節[1]，也是防止隧道發生突發性災害、及時調整施工與支護參數、評判圍巖穩定與否的積極有效手段，更是隧道動態施工設計與安全施工的必要前提[2]。

當前，因掌子面前方地質信息、不良地質體分布特征及構造情況無法準確獲取，或施工方不重視超前地質預報工作而引起隧道掌子面塌方、突水突泥、支護結構失效等情況時有發生，其不僅嚴重影響隧道施工進度，造成工期滯后，同時還會造成一定經濟損失，甚至出現人員傷亡情況，使隧道安全施工面臨巨大挑戰。

因此，在隧道開挖施工中，面對極其復雜、不斷變化的地質條件和未查明前方地質情況給隧道施工帶來的潛在巨大風險，隧道施工方有必要進行準確、高效的超前地質預報工作，以確保隧道掌子面開挖的安全、順利進行[3]。

目前，隧道超前地質預報常用方法主要有地質分析法、超前鉆探法、地質雷達法、TSP 法等，各方法均有一定的局限性，特別是不同隧道地質條件各不相同，超前地質預報方法適用條件、探測精度也不盡相同。

在對比主流預報方法優缺點后，針對隧道開挖掌子面前方地質信息的超前準確判識和演化規律分析，提出以地質數據庫為基礎，以隨鉆測量系統（MWD）為數據采集工具，以機器學習算法和大數據分析、推演為手段的隧道超前地質預報新方法。

1 隧道超前地質預報常用方法及其優缺點

當前，隧道超前地質預報常用方法可以分為四類：

一是超前鉆探類（超前導坑法、超前鉆孔法等），二是地震反射類（TSP 法、TRT 法等），三是電磁類（地質雷達法、瞬變電磁法等），四是其他方法（紅外探測法、BEAM 法等）。各類方法均有各自的適用范圍、敏感特性和優缺點，各類常見超前地質預報方法對比如表1 所示。

表1 常見超前地質預報方法比較

2 隧道超前地質綜合預報技術

由于每種超前地質預報方法的技術原理各不相同，其適用條件及探測目標精度也各不相同，僅靠某一種預報方法對隧道進行超前地質預報的準確性并不十分可靠。于是，綜合各種預報方法特長，利用多種超前預報方法相互結合、相互補充、相互驗證的優勢，可起到降低探測解譯多解性、提高預報結果可靠性的作用，從而實現對隧道超前地質體性質（包括軟硬程度、節理構造發育程度和富水程度）和空間位置的較準確預測。

2.1 超前地質綜合預報

在隧道工程地質調查、掌子面素描、加深炮孔探測的基礎上，對一般風險隧道，采用地震反射類方法進行隧道長距離地質的超前預報，采用電磁類法進行隧道短距離地質的超前預報，以及采用紅外探測設備進行隧道含水體的超前探測；而對于高風險隧道，則采用超前水平鉆進行超前鉆探，同時結合其他各種有效手段進行超前預報，以達到對隧道前方地質的綜合預報。

2.2 超前地質預報分級與綜合預報方法

超前地質預報可分為四個等級：C1 適用于工程地質條件簡單的一般地段；C2 適用于不良地質較發育的地層，可能存在涌水、局部擠壓破碎帶等不良地質；C3 適用于重大不良地質地段，主要是對地勘已經標明的不良地質體如斷層破碎帶、涌突水段等進行進一步確認；C4 為瓦斯專項探測，適用于含瓦斯地層地段。超前地質預報分級如表2 所示。

表2 超前地質綜合預報方式

超前地質綜合預報工作順序如下：

第一，隧道開挖爆破后立即進行地質調查并進行地質素描，一般地段每10m 記錄一次，地質條件發生變化時，增加素描。

第二，利用彈性波法每隔100m 左右探測一次，粗略掌握掌子面前方的不良地質分布情況。

第三，采用地質雷達或瞬變電磁儀在接近不良地質體30m 左右時探測一次，進一步核實與了解不良地質的分布情況。

第四，若物探方法初步判定前方有不良地質體，當掌子面接近不良地質體10m 左右時，應采用鉆孔進行驗證。

第五，根據物探與鉆探結果，并結合前期地勘成果及工程地質調查資料，綜合判定不良地質體的范圍與程度。

3 隧道超前地質預報技術探索

隨著我國隧道建設重點逐漸向地形地質條件復雜的深長山嶺隧道轉移，隧道施工所面臨的工程地質條件正變得愈加復雜多變，各種不良地質體給隧道開挖帶來的安全、技術風險愈加提高，超前地質預報工作重要性也愈加凸顯。為了更全面、準確地判斷并掌握隧道施工前方一定區域的工程地質情況，減少或杜絕施工期間地質災害的發生，從而保證隧道生產安全，四川路橋集團公路隧道分公司（簡稱“隧道分公司”）在研判超前地質預報技術發展趨勢、考慮超前地質預報技術需求與現有技術水平，并結合一定工程實踐分析的基礎上，提出了未來一段時期內隧道超前地質預報技術發展的主要方向（內容），即：

第一，隧道超前地質的定量預報理論與技術研究；第二，隨鉆測量系統精細超前預報理論與技術研究；第三，實時超前地質預報與施工災害監測技術研究。

3.1 隧道超前地質的定量預報理論與技術研究

當前，隧道超前地質預報的主要內容是對隧道掌子面前方工程地質的定性描述，預測結果往往與實際地質情況偏差較大，難以為隧道施工提供較準確的地質依據。未來，隧道超前地質預報內容將逐漸由定性描述向定量確定發展，具體實現途徑為：首先，借助物探法對隧道掌子面前方地質進行超前地質預報，得到超前預報波形圖，而后收集隧道后續每一循環開挖后的掌子面照片，并對掌子面巖體的巖性、節理和構造等地質信息作準確描述。其次，利用三維重構技術將一定開挖距離內的隧道地質體進行地質重構，建立可反映該距離內隧道真實地質信息的三維重構模型，并與超前預報波形圖建立聯系。最后，利用圖像深度學習算法對大量重構地質模型和超前預報波形圖數據樣本進行訓練，得到可準確、定量識別隧道超前地質信息的優化算法，提高物探分析軟件對物探結果的解譯精度，從而達到對隧道超前地質的定量描述。

隧道分公司已在多個隧道項目上線并運行“智慧隧道AI 建造系統”，該系統具備“隧道智庫”版塊功能，可有效、大量收集隧道掌子面照片和第三方超前地質預報數據，形成隧道掌子面地質信息數據庫，為后續隧道超前地質定量化預報和地質解譯算法優化技術研究提供數據支撐。

3.2 隨鉆測量系統精細超前預報理論與技術研究

隨鉆測量系統（MWD）是一種通過不斷采集并實時分析鉆桿在鉆進過程中所產生的鉆速、回轉與推進壓力等數據，從而實現對隧道超前地質預報的新型預報技術。該系統主要搭載在鑿巖臺車、多功能鉆孔臺車等鉆探設備上，而受限于當前裝備技術水平，鉆探設備上所搭載的參數傳感器種類較少，隨鉆測量系統可獲取的鉆進數據有限，以至于利用MWD 技術無法對鉆進巖體地質狀況做出準確、較絕對的評價。未來的研發方向將是在鉆桿上搭載更多用于隧道超前地質信息評價的參數傳感器，如自然伽馬傳感器、方位中子密度傳感器、聲波傳感器、補償雙側向電阻率傳感器以及高清成像攝像頭等，以采集大量與隧道地質信息評價相關的鉆進數據。此外，需補充并完善隨鉆測量系統所涵蓋的地質數據庫，為鉆進數據與地質信息的準確關聯提供支撐。通過精確匹配鉆進參數數據與地質數據之間的對應關系，有望大幅度提高隨鉆測量系統及其技術在隧道超前地質預報應用中的準確性與普適性，實現隧道超前地質的隨鉆精細測量與預報。

隧道分公司在“數字隧道智能建造”示范基地建設中已引進一臺搭載隨鉆測量系統的全電腦三臂鑿巖臺車，目前已實現較初級的開挖鉆孔內巖體的超前預報，為隧道掌子面巖體的自動判識與智能分級提供了較有力的支撐。下一步將繼續加大對隨鉆測量系統超前地質預報功能的優化和對地質數據庫的完善工作，增加系統對可反映超前地質信息其他數據的獲取能力，建立已采集數據與超前地質之間的準確映射關系，以盡快實現三臂鑿巖臺車對隧道超前地質的精細、準確預報。

3.3 實時超前地質預報與施工災害監測技術研究

針對超前地質預報方法耗時長、探測精度較低的技術特點，可開展實時超前地質預報技術研究，以實現超前地質、災害賦存源的定量預報和災變過程的實時監測。其理論依據是：隧道貫穿區域范圍內的地質和不良地質體的賦存情況有其特殊的復雜性、突變性和隱蔽性。然而，除斷層破碎帶、不同巖層接觸帶等處巖體性質可能發生較大突變外，一定施工時期內，隧道掌子面前方巖體則表現出較好的連貫性和規律性。此外，就整條隧道而言，隧道施工范圍內圍巖巖性種類有限，通過建立有限的不同圍巖地質體模型，可達到對隧道掌子面前方地質體巖性及賦存狀況的實時準確預測、預報。因此，基于海量的掌子面地質特征、隨鉆測量數據和圍巖地質數據庫，利用人工智能技術優勢，通過對所收集的數據樣本進行不斷訓練和學習，可研發對隧道掌子面前方一定距離內地質情況進行綜合、實時分析預報的自動判識系統。該系統將以圍巖地質數據庫為地質依據，以隨鉆測量數據降低多解性，通過對上傳的掌子面高清照片進行圖像識別與智能判識，自動分析并預測隧道前方一定距離內的地質情況，且隨著隧道開挖的進行，已開挖隧道內的地質數據將不斷修正、完善圍巖地質數據庫和算法規則，使系統對隧道超前地質的巖體分級與預報結果更加準確。在此基礎上，該系統將基于預報結果對施工可能存在的災害進行及時監測和預警。目前，隧道分公司已與相關高校科研團隊和企業合作，對隧道實時超前地質預報與施工災害監測技術展開了研究。

4 結語

本文通過對短期內隧道超前地質預報技術發展的主要方向進行初步探索，使隧道施工現場超前地質預報準確度逐步提升。“智慧隧道AI 建造系統”在各項目成功應用且已積累大量數據，為后續隧道超前地質定量化預報和地質解譯算法優化技術研究提供了數據支撐；全電腦三臂鑿巖臺車的應用已實現較初級的開挖鉆孔內巖體的超前預報，為隧道掌子面巖體的自動判識與智能分級提供了較有力的支撐；實時超前地質預報與施工災害監測技術已進入密切合作和深入研究階段，研究成果將直接應用于現場施工，實時對現場施工進行監控，提升預測準確性。