趙娜　張善良　于立紅

摘 要：在隧道施工過程中， 常因地質問題出現(xiàn)諸如塌方、涌水、巖爆、泥石流等地質災害。不僅嚴重影響工程進展， 增加工程造價， 有時甚至會發(fā)生重大安全事故。因此， 在隧道開挖階段如何超前預報隧道掘進方向的地質構造， 準確查出圍巖性狀、結構面的發(fā)育， 特別是溶洞、斷層、破碎帶和含水情況， 以便及時采取有效的預防措施， 這對于確保施工安全至關重要。在此將隧道超前預報常用的幾種方法進行簡單的分析。

1 超前預報目的與內容

1.1 目的及內容

開挖前對地質情況的了解，對于隧洞建設有著十分重要的作用。通過超前預報，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，預報掌子面前方不良地質體的位置、產狀及其圍巖結構的完整性與含水的可能性，為正確選擇開挖斷面、支護設計參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預防隧洞涌水、突泥、突氣等可能形成的災害性事故及時提供信息，使工程單位提前做好施工準備，保證施工安全，同時還可節(jié)約大量資金。所以隧洞超前預報對于安全科學施工、提高施工效率、縮短施工周期、避免事故損失、節(jié)約投資等具有重大的社會效益和經濟效益。地質超前預報的主要內容包括掌子面前方的匍巖類別及水文地質預報、不良地質體預報及隧道附近隱伏地質異常體的預報。

1.2 介質的物性差異

介質為巖土體、水、空氣?？諝獾闹饕镄蕴攸c是電阻率最大；介電常數(shù)最小，一般為1；電磁波速最高，衰減最小；地震波波速最小，縱波波速一般為 340 m/s。水的物性特點是介電常數(shù)最大，一般為 81；電磁波速最低；地震波波速較小，縱波波速一般為1 430～1 590 m/s。干燥巖土體的物性特點是多數(shù)屬于高阻介質，電磁參數(shù)有差異，但差異不大，介電常數(shù)為 4～9，電磁波波速中等；地震波波速相差很大，常見范圍為 1 500～8 000 m/s。 在隧道超前地質預報中，物探方法常以隧道介質的彈性和電性差異為基礎。如 TSP 預報利用的物性差異是隧道介質的彈性，地質雷達預報利用的是介電常數(shù)，瞬變電磁法利用的是介質的視電阻率，BEAM 預報利用的是介質的激發(fā)極化效應。

2 隧道超前地質預報方法

2.1 直接預報法

1、 水平鉆孔

在隧洞內安放水平鉆機進行水平鉆進，根據(jù)鉆孔資料來推斷隧洞前方的地質情況。鉆孔數(shù)量、角度及鉆孔深度可人為設計和控制。由鉆進速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液顏色、氣味、巖粉及遇到的其它情況來預報。此法可以反映巖體的大概情況，比較直觀，施工人員可根據(jù)實際地質情況進行下步施工組織。

2、超前導坑

按導坑與正洞的相互位置分為平行導坑和正洞導坑。其中，平行導坑與正洞平行，斷面小且和正洞之間有一定距離，通過對導坑開挖中遇到的構造、結構面或地下水等情況作地質記錄與分析，進而對正洞地質條件進行預報。

3、 地質分析法

地質分析預報是隧道超前預報中的一項基本法，地質分析方法細分的種類很多，常見的有：地面地質調查、隧道掌子面地質編錄、超前鉆探等。其中，地面地質調查和掌子面地質編錄與分析兩種方法的優(yōu)點是不干擾施工，設備簡單，出結果快，預報效果較好，而且為整個隧道提供詳細的地質資料；缺點是對于隧道前方未開挖的不良地質容易漏報。

2.2 物探法

1、TSP超前預報技術

TSP（Tunnel Seismic Prediction）超前預報系統(tǒng)是利用地震波在不均勻地質體中產生的反射波特性來預報隧洞掌子面前方及周圍臨近區(qū)域的地質情況。該法屬多波多分量探測技術，可以檢測出掌子面前方巖性的變化，如不規(guī)則體、不連續(xù)面、斷層和破碎帶等。它可以在鉆爆法或TBM開挖的隧洞中使用，而不必接近掌子面。

2、地質雷達技術

利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，由掌子面通過發(fā)射天線向前發(fā)射，當遇到異常地質體或介質分界面時發(fā)生反射并返回，被接收天線接收，并由主機記錄下來，形成雷達剖面圖。由于電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁波場強度以及波形將隨所通過介質的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此，根據(jù)接收到的電磁波特征，既波的旅行時間、幅度、頻率和波形等，通過雷達圖像的處理和分析，可確定掌子面前方界面或目標體的空間位置或結構特征。

3、 紅外探水法

由于所有物體都發(fā)射出不可見的紅外線能量，該能量大小與物體的發(fā)射率成正比。而發(fā)射率的大小取決于物體的物質和它的表面狀況。當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(jù)此判斷掌子面前方一定范圍內有無含水構造。

4、BEAM法

BEAM（Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring），這是當前國際上唯一的一種電法超前預報方法，是由德國GEOHYDRAULIC DATA公司推出的產品。它是一種聚焦電流頻率域的激發(fā)極化方法，其最大特點是通過外圍的環(huán)狀電極發(fā)射一個屏障電流和在內部發(fā)射一個測量電流，以便電流聚焦進入要探測的巖體中，通過得到一個與巖體中孔隙有關的電能儲存能力的參數(shù)PFE（Percentage frequency effect）的變化，預報前方巖體的完整性和含水性。

此外，尚有電磁波法、面波法、 陸地聲納法、 TRT真地震反射成像技術、水平聲波剖面法（HSP）、 TST超前預報技術、地震負視速度法等。

2.3 地質物探綜合分析法

1、綜合預報原則

隧道綜合超前地質預報應以“地質分析”為核心，綜合物探與地質分析結合，洞內外結合，長短預測結合，物性參數(shù)互補”為原則。

（1） “地質分析”為核心是指地面和掌子面地質調查為主要手段（必要時開展超前鉆孔），并將地質分析作為超前預報的核心，貫穿于整個預報工作的始終。

（2） “綜合物探與地質分析結合”是指TSP、地質雷達、瞬變電磁法等綜合物探工作的同時，必須將物探解譯與地質分析緊密結合。

（3） “洞內外結合”是指洞內、洞外預報相結合，并以洞內預報為主，如地面地質調查是洞外預報，掌子面素描、超前鉆探和各種物探方法是洞內預報。

（4） “長短預測結合”是指在長距離預報的指導下，進行短距離精確預報，如地面地質調查和 TSP是長距離預報，掌子面素描、地質雷達、超前鉆探等是短距離預報。

（5） “物性參數(shù)互補”是指選取的物探預報方法其預報物性參數(shù)應相互補充配合。TSP、地質雷達、瞬變電磁法、BEAM 等物探方法不一定同時同等使用，應在地質分析的基礎上，考慮“長短預測結合”等綜合預報原則和物探方法適宜性，選取適宜的一種或幾種物探方法進行預報。

2、綜合預報工作體系

在上述綜合預報原則的指導下，建立隧道超前地質綜合預報工作路線，。首先對隧址區(qū)勘察設計資料進行詳細研究，利用地面地質調查等方法，確定斷層和其他不良地質體與隧道軸線交點的大概位置，估測巖層、斷層和其他重要地質界面的產狀，預測地下水富存段。在此基礎上，根據(jù)宏觀地質分析預測成果和掌子面地質調查，結合各種物探方法的適宜性，有針對性的選擇一種或者幾種物性參數(shù)互補的物探方法進行超前探測與預報解譯，了解掌子面前方一定距離的詳細地質特征信息。 通過上述地質分析和物探預報解譯，對掌子面前方的基本地質條件，包括斷層、巖體破碎情況溶洞、地下水情況、巖體軟硬程度等，進行綜合分析預報，并判斷是否存在不良地質體和施工地質災害，并采取相應的措施指導施工。

3 結語

我堅信，在隧道工程施工中，只要充分掌握地質情況，按照我們目前的施工技術水平，不管多么困難的地段我們都會有辦法安全、順利地通過，這也說明了在隧道工程施工中地質工作的重要性。同時，我們也應深刻認識到超前地質預報工作更需要比較專業(yè)的技術知識和價格較高的地質雷達等設備，因此想要在施工過程中全面推廣也會有一定難度。但我們相信，伴隨著人們對隧道超前地質預報工作重要性的更進一步認識和當今科技的迅猛發(fā)展，一定會有操作更簡單，探測更準確，計算機處理水平更高的超前地質預報系統(tǒng)會應運而生，從而為我國的隧道建設事業(yè)作出更大貢獻。

作者簡介

趙娜，女，現(xiàn)工作于遼寧省有色地質局一0八隊，從事土木工程及工程地質勘查工作，現(xiàn)職稱：工程師。

張善良，男，現(xiàn)工作于遼寧省有色地質局一0八隊，從事地質勘查工作，現(xiàn)職稱：工程師。

于立紅，男，現(xiàn)工作于遼寧省有色地質局一0八隊，從事地質勘查工作，現(xiàn)職稱：工程師。