超前地质预报在隧道施工中的应用

　　隧道工程地质情况具有复杂性和不可见性，通过采用超前地质预报，可以减少隧道施工过程中的盲目性，能较好的避免地质灾害的发生。本文总结了隧道施工中常用的超前地质预报的方法，分析了各种方法的优缺点及其对各种不良地质情况的响应和适宜性，为选择适宜的预报方法提供依据。在隧道施工中宜采用超前地质综合预报技术，超前地质综合预报应以“地质分析为核心，运用物探与钻探相结合、长距离与短距离相结合、地面与地下相结合、物性参数互补”为原则。

　　《现代地质》(双月刊)创刊于1987年，坚持办刊的“四新”原则——新观点、新成果、新方法、新动向，以交流地质科技最新成果、推动地质科技创新与发展、服务于国家矿产资源的勘探与开发事业为宗旨，报道内容涵盖“基础地质”、“能源地质”、“海洋地质”、“灾害地质”、“勘查地球物理”、“勘查地球化学”和“地学信息技术”等学科领域。目前已被国内外多家数据库和图书馆收藏。

　　1引言

　　我国是一个多山国家,西部腹地更是山岭重重。伴随着国民经济的飞速发展，大型基础工程设施建设发展迅速，特别是近年来随着西部大开发的深入，铁路、公路工程、水利水电中新建隧道工程规模越来越宏大，而这些隧道工程都具有洞径大、埋藏深、洞线长的共同特点，且往往地表地势险要，洞线通过的地质条件复杂。隧道施工的主要依据是设计文件，而隧道工程设计的基本依据是地质勘察资料。勘察设计阶段的工作重点往往关注的是与工程的安全、稳定、经济、运行特点相关的主要地质条件，而对于影响局部施工的小的、局部的地质情况在受自然条件、勘察技术、经济问题的局限勘察设计阶段一般都不要求详细查明。但一些局部的、分散的、随机的不良地质洞段却是施工最大的安全隐患，主要表现为隧道施工中塌方、突水、涌泥、岩爆、有害气体等地质灾害。大量的隧道工程建设实践表明，由于前期地质勘测资料的缺陷，给后期施工阶段带来许多预想不到的困难和危害，使施工带有很大的盲目性，一旦发生事故，轻则影响工期，增加工程投资，重则砸毁机械设备，甚至造成人员伤亡，而且事故发生后的处理工作难度较大。在施工过程中由不良地质体导致隧道修建严重受挫的实例在国内外不乏其例，如2007年8月湖北宜万铁路野三关隧道工程掘进面发生的突水、突泥事故，造成了巨大的人员和财产损失。因此在隧道施工时，对隧道掘进方向的地质情况通过技术手段进行超前预报、预测，以便提早、及时地采取有效的施工方法，就显得尤为重要。

　　2超前地质预报方法分类及主要方法介绍论文

　　隧道所处地质条件或者地质背景千差万别，不同地质背景条件下的隧道施工对隧道施工期超前地质预报的要求是不一样的：可溶性地层中隧道施工期超前地质预报的重点是岩溶发育的位置、规模、岩溶充填性质、岩溶涌水涌沙突泥量及涌水水压的大小;非可溶性岩沉积岩地层中的隧道施工期超前地质预报的重点在于对断裂构造破碎带、软弱夹层、不利结构面等造成的围岩不稳定块体坍塌等的位置和规模的预报;深埋硬质完整岩体中的隧道施工期超前地质预报的重点则是对可能出现的岩爆灾害位置和规模进行预报;煤系地层中隧道施工期超前地质预报的重点主要是对煤层、可能出现的瓦斯突出、废弃矿巷的位置及废弃矿巷充填情况的预报。由此可见，隧道施工期超前地质预报不仅仅进行某一方面的内容，往往同时兼有其他的预测内容，有必要进行隧道施工期超前地质预报分类。根据技术手段和实现方法不同，隧道施工期超前地质预报可以分为(图1)：

　　2.1地质分析法论文

　　地质分析法主要根据隧道洞内外地质调查结果及相关分析结论进行预报，是隧道施工期超期地质预报中最基本和最常用的方法，常用的是地质素描。地质素描是对开挖面的地质情况如实而准确的描述，素描的主要内容包括地层岩性、构造发育情况含断层、贯穿性节理、夹层或岩脉、地下水的出水状态、围岩的稳定性及初期支护采用的方法等。正洞地质素描超前预报是利用所见到正洞已开挖段的地质情况预报前方可能出现的不良地质条件。正洞地质素描的优点是不占用施工时间，设备简单，不干扰施工，出结果快，能提供了完整的地质资料。缺点是对与隧道夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报，如对结构面向开挖后方倾斜的断层预报效果较好，因为断层先在隧道底出露对于向掌子面前方倾斜的结构面因为先在顶部出现，预报时效果相对较差，另外预测距离也较短，采用盾构施工法时无法开展隧道洞内地质调查。

　　图1隧道施工超前地质预报方法分类

　　2.2超前钻探法

　　超前钻探法是在隧道内安放水平钻机进行水平钻进，根据水平方向上钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液的颜色、气味、岩粉以及在钻探过程中遇到的其他情况来推断掌子面前方的地质情况，钻孔的数量、角度及钻孔长度可人为设计和控制，可以通过直接采集岩芯进行各种抗压强度试验以获取岩石的物理理学特征，也可以通过钻孔及时释放影响隧道施工的瓦斯和地下水等有害气体和液体。这种方法是一种传统而可靠的方法，能了解掌子面前方几米，几十米甚至上百米的范围内围岩的工程地质情况，基本上可以反映前方岩体的大概情况，比较直观。但该方法也存在不足之处：①在复杂地质条件下预报效果较差，很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理，特别是与隧道轴线平行的结构面，其预报无反映;②钻孔与钻孔之间的地质情况反映不出来;③探测速度慢，一次探测距离短，投入费用高，影响隧道正常施工。

　　根据钻探的深度可分为短距离、中距离、长距离地质超前钻探：①短距离，钻探深度≤6m，主要选择加深炮孔探测方法;②中距离，钻探深度6～30m，主要选择潜孔钻机设备;②长距离，钻探深度30～150m，主要选择快速超前水平钻机设备。

　　2.3地球物理勘探法论文

　　地球物理勘探法简称物探法，是间接、无损的测试手段，采用地球物理方法作为地质超前预报的手段，根据隧道施工掌子面前方地质情况的探测结果或隧道地表地球物理探测结果进行隧道超前地质预报。从原理上讲，凡是能进行隧道掌子面勘探的所有地球物理方法均能用来进行隧道开挖前方的不良工程地质预报，但是由于受到工作条件的限制或全空间探测解释困难的因素制约，目前主要有电磁波反射法、弹性波反射法、红外探测法、电阻率法。先介绍如下：

　　(1)地质雷达法(GPR)

　　地质雷达法时一种常见的电磁波反射法，它利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部形态和位置的电磁技术，其理论基础为高频电磁波理论，利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式由地面通过发射天线送入地下，经地下不连续体或目标体反射后返回地面为接收天线所接收，反射电磁波经过一系列的处理和分析之后可以得到探测介质的有关信息(如图2所示)。主要用于岩溶探测、断层破碎带、软弱夹层等不均匀地质体或者其它含水地质体的探测。具有以下的优点：①使用范围广，抗干扰能力强，不受外界条件限制;②探测时间短，一次完成只需要30分钟左右，加上探测前准备工作，全部工作时间不超过1小时，对隧道施工干扰小，基本上不影响隧道掘进施工;③提交资料及时，图形直观，现场采集数据时就可以了解掌子面前方的地质情况;④成本较低。其缺点是当测线附近有管线、大型钢构、强电磁干扰设备等物体是误差较大。

　　图2地质雷达工作原理示意图

　　(2)弹性波反射法

　　弹性波反射法是利用人工激发的地震波或声波在不同波阻抗地质体中所产生的反射波特性，预报隧道开挖工作面前方地质情况的物探方法。常用的有地震波反射法(TSP/TRT/TGP)和声波反射法(HSP)。

　　TSP是目前最常用的物探法，在实际使用中可通过放炮或者锤击产生地震波。产生的地震波在隧道围岩中传播，当遇到掌子面前方的不良地质构造,如地层层面、节理面，特别是断层破碎带界面、溶洞和暗河等时，地震波会发生反射，反射的地震波被检波器接收。然后将所采集的数据利用软件处理,可获取P波和S波的波场分布规律。并遵循以下原则来推断地质体的性质：①正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层;②若S波反射比P波强,则表明岩层饱含水;③P波与S波波速比增加或泊松比突然增大，常是由于流体存在而引起的;④若P波波速下降,则表明裂隙或孔隙增加。

　　(3)红外探测法

　　红外线探测是通过红外分析进行地质超前预报的方法，因为在隧道中，围岩每时每刻都在向外辐射红外波段的电磁波，并形成红外辐射场，岩层在向外辐射红外辐射的同时，必然会把它内部的密度、能量、方向等信息传递出来。例如红外探水就是通过接收岩体的红外辐射强度，根据围岩红外辐射场强度的变化来确定隧道掌子面前方或周围是否有隐伏的含水体。该方法的优点：测量快速，基本不占用施工的时间资料分析快，测量完毕即可得到初步的结果。缺点是只能定性的结论，不能定量测量含水量的大小，水压等重要的参数。

　　(4)电阻率法

　　电阻率法通过测量电阻率来进行地质超前预报的方法。常用的有瞬变电磁法和BEAM法。瞬变电磁法是一种时间域电磁法，它是利用阶跃电磁脉冲激发，不接地回线向掌子面前方发射一次场，在一次场断电之后，测量由介质产生的感应二次场随时间的变化，来达到寻找各种地质目标的超前预报方法，因而对地下水具有较好的敏感性，而对岩体强度、岩体破碎程度、干溶洞等不易判断。BEAM法是由德国GEO-HYDRAULIKDATA公司开发的一种通过对岩层电阻率进行测试(激发极化法)来探知岩石质量、空洞和水体的物探方法，对岩体的节理裂隙发育、破碎程度和溶洞有较好的敏感性。

　　2.4超前导坑法

　　超前导坑法可分为超前平行导坑和超前正洞导坑。平行导坑法是把小断面导坑布置平行于正洞，和正洞之间有一定的距离;而正洞导坑法是把导坑布置在正洞中。它们的作用都是在导坑开挖过程中对遇到的构造、结构面或地下水等情况作地质素描图，通过地质素描图对正洞的地质条件进行预报，采用这种方法的优点是比较直观、精度高、可以进行长距离预报;同时该方法可以增加工作面，加快施工进度，还可以起到排水减压放水，改善通风条件的作用。但是采用超前导坑法进行预报也有缺陷：①是成本太高，有时需要对全洞进行平导开挖;②是在构造复杂地区准确度不高。

　　表1各种隧道施工地质预报方法工作应用情况对比表

　　预报

　　方法 适用性 预报

　　距离 费用 对隧道施工的影响 受场地条件的限制

　　地质分析法 所有不良地质预报 6m

　　左右 低 除开挖工作面地质编录外，几乎不占用隧道施工时间。 盾构施工无法开展隧道洞内地质调查。

　　物探法 弹性波反射法(炸药震源) 主要对断层、软弱夹层(含煤层)、岩溶前界面等界面位置预报，可分析确定界面间介质性质 100～150m 较高 需在隧道边墙上钻凿24个深1.5m的激振炮孔，2个深2m的接收钻孔;炸药爆破激发地震波，现场测试时间约2小时。 现场钻凿弹性波接收孔至隧道开挖工作面间需清场并停止洞内爆破施工作业。

　　弹性波反射法(非炸药震源) 主要对破碎带，软弱夹层，含水区域等界面位置预报，可显示三维空间异常图像。 100～150m 低 采用锤击震源激发地震波，在隧道三维空间内布置传感器，现场工作时间约1小时。 现场开始采集弹性波数据时需停止其他震动干扰源作业，不需清场。

　　地质雷达法 主要对断层、软弱夹层(含煤层)、岩溶前界面等界面位置预报，可分析确定界面间介质性质。 ≤30m 适中 无需任何准备，现场测试时间30分钟。 测线附近不得有管线、大型钢构、强电磁干扰设备等物。

　　红外

　　探测法 主要对含水围岩岩体位置预报，对但水量大小无法确定 ≤30m 适中 需停止热量干扰源的辐射作用，如关掉工作设备、照明设备等。现场测试时间20分钟。 受隧道洞内空气温度影响明显，现场确保没有其他热量辐射源。

　　超前钻探法 所有不良地质预报 6～150m 高 占用隧道开挖工作面施工时间长。 隧道开挖工作面较小，钻探范围有限。

　　超前导坑法 所有不良地质的预报 视导坑长度而定 最高 超前导洞有临时支护的，扩挖时需去掉临时支护;超前平行导洞先行施工隧道，对隧道和后施工隧道无影响。 无

　　3隧道施工超前地质综合预报

　　隧道施工超前地质综合预报就是根据隧道工程特点，以地质分析为基础，多种探测手段相结合，综合分析、预报隧道开挖工作面前方可能遇到的不良地质体及由此可能发生的地质灾害的性质、分布位置、规模，并提出相应措施建议的综合地质方法技术。

　　3.1综合预报原则

　　隧道施工超前地质综合预报应以“地质分析为核心，运用物探与钻探相结合、长距离与短距离相结合、地面与地下相结合、物性参数互补”为原则。

　　(1)“以地质分析为核心”是指以地面和掌子面地质调查为主要手段，并将地质分析作为超前预报的核心，贯穿于整个预报工作的始终。

　　(2)“运用物探与钻探相结合”是指在开展TSP、地质雷达、红外探测法、瞬变电磁法等综合物探工作的同时，必须将物探解译与钻探紧密结合。

　　(3)“地面与地下相结合”是指洞内、洞外预报相结合，并以洞内预报为主，如地面地质调查是洞外预报，掌子面素描、超前钻探和各种物探方法是洞内预报。

　　(4)“长距离与短距离相结合”是指在长距离预报的指导下，进行短距离精确预报，如地面地质调查和TSP是长距离预报，掌子面素描、地质雷达、超前钻探等是短距离预报。

　　(5)“物性参数互补”是指选取的物探预报方法其预报物性参数应相互补充配合。TSP、地质雷达、瞬变电磁法、BEAM、红外探测法等物探方法不一定同时同等使用，应在地质分析的基础上，考虑“长短预测结合”等综合预报原则和物探方法适宜性，选取适宜的一种或几种物探方法进行预报。如对于探测断层，宜选用TSP+GPR或TSP+BEAM组合;对于探测富水情况，宜选用TSP+红外探测或TSP+瞬变电磁法组合。

　　3.2综合预报流程图

　　隧道施工超前地质综合预报的工作流程如图3所示。

　　图3隧道施工超前综合预报工作流程图

　　4结论

　　(1)总结了隧道施工中常用的超前地质预报的方法，如体质分析法、超前钻探法、物探法和超前导坑法，分析了各种方法的优缺点及其对各种不良地质情况的响应和适宜性，为选择适宜的预报方法提供依据。

　　(2)隧道施工超前地质综合预报应以“地质分析为核心，运用物探与钻探相结合、长距离与短距离相结合、地面与地下相结合、物性参数互补”为原则。

　　参考文献：

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　　[3]李天斌，孟陆波等.隧道超前地质预报综合分析方法[J].岩石力学与工程学报，2009，28(12)：2429～2436.

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