文 中咨公路養(yǎng)護檢測技術有限公司 王憲偉

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略和“一帶一路”戰(zhàn)略的穩(wěn)步實施，國家加大了對西部交通基礎設施的投入，公路建設逐漸向中西部轉移。中西部地區(qū)含有大量的山脈和丘陵，致使隧道建設項目逐年增長。隧道工程屬于隱蔽工程，由于地質條件復雜、地質勘察技術受限等因素，往往很難全面掌握隧址區(qū)的工程地質情況。特別是在地質條件復雜的云南地區(qū)，含有大量的巖溶、斷層、富水帶和破碎帶等不良地質，極易發(fā)生涌水、突泥和巖爆等工程地質問題，給施工帶來了極為嚴重的影響，不僅影響工期，施工人員的安全性也難以保障。為了避免隧道施工過程中由不良地質所帶來的危害，針對隧道的實際情況，運用不同的地質超前預報方法對隧道開展超前預報尤為重要。

超前地質預報方法

隧道超前預報一般是指通過鉆探和物探等技術手段獲取隧道開挖前方巖土體的結構、性質和狀態(tài)等信息，為隧道開挖提供一些指導建議。目前超前地質預報方法一般可以分為地質調查法、直接觀測法、地球物理探測法和紅外探測法。

地質調查法

地質調查法依據(jù)隧道現(xiàn)有的勘察資料、地表地質調查資料和隧道內的地質素描，采用地質學相關理論方法分析、論證現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，進而推斷隧道施工前方的工程和水文地質情況。地質調查法作為一種簡單快捷的分析方法，在很早以前就被用于隧道的超前地質預報，在隧道施工中較為常見。預報過程并不影響隧道的正常施工，而且僅使用地質羅盤、數(shù)碼相機等簡單的設備，預報效率高，費用相對較低。但該方法在檢測與隧道交角較大而又前傾的結構面時容易漏報，只能定性分析出不良地質的大致方位，并不能定量分析出不良地質準確的規(guī)模和位置，預報具有很強的主觀性，與操作人員的地質知識水平和經(jīng)驗密切相關。

超前水平鉆探現(xiàn)場施工

直接觀測法

·超前水平鉆探

超前水平鉆探法通過在掌子面正前方安放鉆機進行水平鉆孔，根據(jù)采集鉆進速度、鉆芯強度、鉆孔沖洗液顏色和氣味的變化情況來判斷前方的地質條件。預報結果具有準確性和客觀性，可以直觀準確地反映出鉆孔距離范圍內巖層展布、圍巖巖性、完整性、節(jié)理、斷層、空洞和地下水的分布情況，煤系地層還可進行孔內煤與瓦斯參數(shù)測定，提前采取防治措施，以免煤和瓦斯突出造成安全事故。該方法費用較高，會影響隧道的正常施工，采集的數(shù)據(jù)僅是鉆孔附近的地質情況，盡管鉆孔的數(shù)量和位置可以人為布置，但很難將整個面的情況完整地預報出來。

為了提高超前水平鉆探預報的準確性，研究人員開發(fā)了多功能超前水平鉆探，即在常規(guī)鉆探的基礎上，進一步采集鉆孔推進速度、推進力、扭矩、旋轉速度，并將這些參數(shù)進行耦合，找出耦合參數(shù)與各種不良地質之間的相關性。其中，提高兩者之間的相關性識別，是提高預報準確性的關鍵。扭矩、鉆進速度、推進壓力和旋轉速度耦合后，研究人員提出了鉆進攻速比的概念，發(fā)現(xiàn)攻速比與圍巖巖性和結構面有較好的相關性，并給出了巖性與結構面對應攻速比的范圍。鉆進速度、轉速和推進力耦合后，提出了鉆進比功的概念預報不良地質。

·超前導坑法

超前導坑法按照導洞位置一般可以分為平行導坑法和超前正洞導坑法。超前平行導坑法通常是在平行于隧道正洞軸線一定距離開挖導坑，以此分析施工隧道開挖正洞的地質情況；而超前正洞導坑法通常是在隧道正洞軸線區(qū)域開挖小導坑，預先分析隧道掌子面前方地質環(huán)境，得出結果后，再將導坑擴展為隧道斷面。該方法雖然預報精度較高，但費用很高，施工工期也相對較長，在國內外隧道建設中應用很少。

電磁法

·地質雷達法

地質雷達由發(fā)射天線高頻的電磁波以寬帶短脈沖形式向隧道掌子面前方發(fā)出，在電磁波向掌子面前方傳播的過程中，遇到不良地質條件時，電磁波會與圍巖基巖之間產生電性差，電磁波便在不同電性介質交界面發(fā)生反射，由接收天線接收反射波。根據(jù)雷達波形、電磁場強度、振幅和雙程走時等參數(shù)，使用相應雷達資料處理軟件處理和分析現(xiàn)場采集的探地雷達數(shù)據(jù)，便可得到各測線的成果圖，以此推斷掌子面前方的地質構造及目標體的位置、深度和幾何形態(tài)。

由于不同介質的典型差異較大，不同地質所反映出的雷達圖像也會有明顯的差別。完整、較完整巖體較為均勻，其介電變化較小，沒有明顯的反射面，雷達圖像上電磁波距離較長，能量緩慢衰減且均勻，雜亂反射較少。遇到斷層時雷達圖像會出現(xiàn)明顯的強反射面，波形雜亂，同向軸錯位，常發(fā)生繞射、散射等情況，能量衰減較快，這是斷層內所含介質的電性差異很大，同時斷層處的巖石較為破碎所導致。由于水的介電常數(shù)較大，與圍巖有著明顯差異，電磁波在經(jīng)過含水帶時，常常發(fā)生繞射、散射現(xiàn)象，脈沖周期明顯增多，能量衰減較快且分布不均勻，通過雷達圖像可以準確反映出各種不良地質的位置類型。地質雷達法是目前公認的分辨率最高的超前地質預報方法，對破碎帶、含水帶和溶洞的識別能力強，但容易受到外界環(huán)境的干擾，預報距離較短，一般在25米左右，多用于短距離探測。

地質雷達反射探測原理

地質雷達法現(xiàn)場檢測

由于地質雷達法具有預報準確和檢測靈活等優(yōu)勢，在隧道超前預報中一般當做常規(guī)化檢測。運用超前地質雷達法檢測隧道，通過分析數(shù)據(jù)圖像可以分析巖石的完整性、斷層和含水等情況，可取得比較滿意的效果。通過地質雷達法對山頭頂隧道進行超前地質預報檢測，預測結果與原設計基本相符，及時加以處置可預防地質災害的發(fā)生。

·大地電磁法

大地電磁測深法(MT)是利用天然交變電磁場研究地球電性結構的一種地球物理勘探方法,它利用電磁感應的趨膚效應,保持輻射源和接收點的距離不變,改變電磁場的頻率從而達到探測目的。大地電磁法屬于半空間瞬變響應，能反映出地表以下的地質情況，頻率較高的數(shù)據(jù)反應淺部的特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反應較深地層的信息。以EH-4大地測深儀為例，通過人為設置一個場源來激發(fā)電磁場，測量遠處的天然電磁場和人工電磁場來計算大地電阻率。由于不同介質的電阻率不同，通過分析電阻率的差異，來研究地下電性界面的變化，以此區(qū)分不良地質體的存在。

4EH-4法工作示意圖

4EH-4法成果圖

大地電磁法對不良地質的識別有良好的效果，在工程中的應用相對廣泛。采用大地電磁法勘探云南新莊隧道，通過電阻率等值線斷面圖和地質資料基本可以查明巖溶、軟弱夾層、斷層、巖體破碎及含水情況。結合高密度電法和大地電磁法勘測廣東省廉江大垌礦區(qū)，兩種方法對巖溶的范圍、大小和埋深的識別都有較好的效果，現(xiàn)場實際鉆探與預報基本吻合。運用音頻大地電磁法檢測礦坑的巷道，劃分了圍巖級別并確定出了巖體破碎等不良地質的范圍及規(guī)模，并改進了采集方法，提高了其抗干擾能力。

·瞬變電磁法

瞬變電磁法是通過發(fā)射脈沖電磁場，在脈沖電磁場的間歇，采集由電磁場所產生的渦流場，進而分析各個位置的電磁場差異，預報掌子面前的空間地質情況。

早在20世紀40年代，前蘇聯(lián)科學家就將瞬變電磁法應用地質勘察中。70年代開始，該技術逐漸在國內開展，主要應用于金屬礦藏勘探，后來被逐步用于隧道的超前檢測。與大地電磁法不同，工程隧道瞬變電磁法屬于全空間瞬變響應,這可以反映出周邊巖層的地質情況。該方法對于地下水的敏感度較高，常用于地下水源、含水裂隙帶等不良地質的勘測。目前瞬變電磁法已被大量應用在隧道的超前地質預報中。研究人員檢測了尚崗1號隧道，成功預報了前方富水地帶，證明了瞬變電磁法在探水方面的準確性。瞬變電磁法檢測隧道施工前方的富水情況，加之多測線、多方位的檢測方式，綜合分析檢測數(shù)據(jù)，預報出地下水的空間分布情況，通過超前水平鉆探驗證，兩者結果基本吻合。傳統(tǒng)的瞬變電磁法改良后，得出一種能從水平和豎直方向進行多角度探測的共軸偶極法，經(jīng)過現(xiàn)場驗證，改良后可以明顯提高含水裂隙帶和巖溶裂隙等含水不良地質體預報的準確性。

瞬變電磁法感應原理

瞬變電磁法現(xiàn)場檢測

地震波法

地震波探測技術的預報距離一般在100米至150米之間，屬于中長距離預報，主要是利用炮點產生有效地震波，在巖石中傳播。當?shù)卣鸩ㄓ龅綆r層情況與周圍巖體不同的區(qū)域，如裂隙、斷層、地下水體、淤泥等地質體時，一部分地震波會在不同的地質體中繼續(xù)傳播，但也有一部分地震波會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，不同的地質體令地震波反射波形的頻率、速度、相位等也有所不同，此時通過對接受到的反射波信號進行數(shù)據(jù)處理，并分析波形，可以判斷出前方的探測范圍內可能存在的裂隙、斷層、地下水體、淤泥等地質體的空間位置、規(guī)模大小等具體情況。

地震波反射法按照觀測方式又可以分為直線觀測方式、空間觀測方式和極小偏移距觀測方式。

瑞士安貝格公司（Amberg）研制TSP系統(tǒng)和鐵道部第一勘測設計院的地震負視速度法均采用直線觀測方式，二者都是采用觀測面與被觀測面垂直的觀測系統(tǒng)，原理相同、方法類似。TSP系統(tǒng)是目前國內隧道超前預報中最為常見的檢測方法，該方法對不良地質的識別效果較好，但對含水體的識別效果較差。北京水電物探研究所在2005年對TSP系統(tǒng)的檢波器和耦合方式做了改進，數(shù)據(jù)處理軟件重新編程，推出了新的TGP系統(tǒng)，觸發(fā)系統(tǒng)更為靈敏，數(shù)據(jù)處理軟件更符合人機工程學原理。

空間觀測方式的代表是美國生產的TRT系統(tǒng)和國產的TST系統(tǒng)，采用的是空間多點接收和激發(fā)。檢波器和敲擊點呈空間分布,能充分獲得空間波場信息，以提高不良地質體的定位精度，這與垂直剖面法的觀測方式明顯不同。相對于TSP系統(tǒng)，該方法的精度有所提高，可以更好地識別不良地質的類型、位置和規(guī)模。

地震波法反射探測原理

陸地聲吶法采用極小偏移距觀測方式，屬于地震反射法的變種，結合了水聲發(fā)和地質雷達法的部分特點演化而來。該方法不必固定檢波器，采用黃油涂層的方式將檢波器與巖層耦合，采用錘擊作為震源，效率相對較低，但對巖溶、洞穴、斷層和破碎帶的識別效果較好。

紅外探測法

一切溫度高于絕對零度的物質都會產生紅外輻射，而且不同物質所發(fā)射的紅外線波段是不同的，紅外探測法便是利用采集紅外光，區(qū)分波段的不同，從而實現(xiàn)對目標物體的探測。由于波段不同，其產生的輻射能量也不同，輻射場也不盡相同，當正常巖體的輻射場與水體產生的非正常場相疊加，就會產生干擾畸變，通過分析不同測線的變化情況，從而判斷含水帶的位置。紅外探測法預報時間段，儀器攜帶方便，對于水體的識別準確度較高，一般預報距離在30米以內，只能定性地確定含水位置，并不能預報含水量。該方法對于儀器的操作要求較高，若出現(xiàn)儀器操作失誤或讀數(shù)錯誤，數(shù)據(jù)分析便會產生較大的出入。雖然精度較高，但對探測環(huán)境要求較高，若掌子面圍巖有水，會對探測結果產生較大的影響。溫度高于40℃也會造成數(shù)據(jù)的不準確，這就大大限制了該方法的適用性，在現(xiàn)場隧道預報中應用較少。

方法選擇

隧道施工作為一項較為復雜的系統(tǒng)工程，具有諸多不可控因素，因此做好隧道超前地質預報工作，才能有效保證施工質量和進度。目前沒有哪一種方法可以完全準確地檢測出所有的不良地質類型，地質調查法方便快捷但對檢測人員的專業(yè)要求較高，而且容易漏報；超前水平鉆探觀察直接但費用較高、時間較長；地質雷達法數(shù)據(jù)準確但預報距離較短；瞬變電磁法只對富水區(qū)敏感；TSP法對預報斷層、破碎帶和巖溶的識別性較高，但對圍巖要求較高；陸地聲吶法可以檢測斷層、破碎帶和巖溶等不良地質但效率較低。超前地質預報的方法多種多樣，但各有利弊，所以要有效地將各種方法結合起來，取長補短，才能準確反映出掌子面前方的地質情況，更好地指導施工，保證施工進度和人員安全。

隧道超前預報過程中一般遵循“洞內與洞外相結合、長距離與短距離相結合、鉆探與物探相結合”的檢測原則。洞外檢測一般在原有地質勘察資料的基礎上，運用大地電磁法全面檢測隧址區(qū)，得到詳細的物探資料，施工單位可以更好地安排工作施工進度。洞內通過地質調查法初步描述掌子面，然后運用地質雷達法短距離檢測，綜合分析掌子面描述與地質雷達檢測數(shù)據(jù)，得到一個短距離預報。根據(jù)大地電磁法的物探報告，采用瞬變電磁法檢測對于可能富水的段落，結合超前水平鉆探，對預報結果進行驗證。若圍巖條件較好，可以采用TSP系統(tǒng)檢測，更好地確定前方是否存在斷層和破碎帶等不良地質，圍巖條件較差，可采用陸地聲吶法來檢測。以地質雷達作為主要方法，TSP法和瞬變電磁法作為輔助手段，建立起系統(tǒng)、立體的綜合性預報體系。這種組合方式最大化地發(fā)揮出各種方法的優(yōu)勢，形成了由點到面、由定性到定量的預報方法，從而大大減少了突水涌泥等災害的發(fā)生。

發(fā)展趨勢

目前檢測手段眾多，超前水平鉆探和超前導坑法檢測時間較長，需要暫停施工；地質雷達法預報距離較短，而且容易受到外界因素干擾，導致數(shù)據(jù)失真，也需要停止施工，難免會影響施工進度。未來低效率、短距離的預報方法會隨著長距離預報方法精度的提高而逐漸消失，由此保證隧道高質量高效率地開展施工。

當今社會是一個信息高速發(fā)展的時代，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷普及，信息的實時共享成為了可能。超前地質預報最重要的就是時效性，檢測單位的預報結果及時送達施工單位，才能保證隧道建設的高效進行。雖然檢測單位在24小時內可以出具預報報告，但報告需送到業(yè)主方，而后轉交到施工單位，時效性也大打折扣，未來可以構建隧道信息數(shù)據(jù)共享平臺。首先施工單位可以實時返回隧道施工現(xiàn)場的信息，檢測單位據(jù)此選擇合適的檢測方案，其次檢測單位的預報結果可以實時送達施工單位，以便及時采取對應的防治措施，最后業(yè)主也可以清晰完整地了解隧道施工進度等信息，從而使隧道建設高效運行。

通過對超前地質預報方法的總結歸納，分析了各種預報方法的利弊，也探討了超前地質預報的發(fā)展趨勢。檢測人員要因地制宜地選擇合理的預報方法，建立起綜合的超前地質預報體系，才能更好地推動隧道事業(yè)的良性發(fā)展。

截至2019年，我國公路隧道數(shù)量為19067座，同比增長7.5%，隧道總長度達到1896.66萬米，同比增長10%。（攝影：趙廣亮）