楊正熙

（河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000）

早在20世紀(jì)，國內(nèi)外學(xué)者就對隧道超前地質(zhì)預(yù)報進(jìn)行了深入的研究。隨著隧道建設(shè)的需求不斷擴(kuò)大，探查技術(shù)和設(shè)備不斷發(fā)展和迭代，如今已形成十多種探查技術(shù)，用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作。目前，主流的超前預(yù)報技術(shù)有水平鉆探法、以隧道地震勘探（Tunnel Seismic Prediction，TSP）為例的地震波類、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法等[1-3]。

1 TSP技術(shù)在隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用現(xiàn)狀

TSP技術(shù)對圍巖的探測距離遠(yuǎn)，對巖性變化和地質(zhì)構(gòu)造有較好的預(yù)報效果，適用于各類地質(zhì)條件，是隧道超前預(yù)報重要的物探手段之一，在實際工程中得到廣泛應(yīng)用。楊志剛等[4]以TSP探查到的隧道圍巖參數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對比掌子面調(diào)查和開挖揭露結(jié)果，歸納分析數(shù)據(jù)并對探測成果進(jìn)行解譯，提出將TSP技術(shù)應(yīng)用于隧道圍巖分級和地質(zhì)條件探測，結(jié)果顯示，將TSP技術(shù)應(yīng)用于隧道圍巖分級和超前探測是可行的。肖諄等[5]在基礎(chǔ)資料和掌子面調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用TSP203對掌子面前方隧道圍巖分級以及工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件成功進(jìn)行預(yù)報。

有學(xué)者從TSP探測原理、數(shù)據(jù)處理、圖示解譯等角度進(jìn)行研究，通過正演反演模擬分析波場響應(yīng)特征，提高預(yù)報精度，降低多解性造成誤報的概率。賈毅[6]闡述了TSP系統(tǒng)的基本理論和原理，對TSP數(shù)據(jù)的采集過程和處理流程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，利用交錯網(wǎng)格有限差分的原理建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行模擬，將TSP實作探測與數(shù)學(xué)模擬成果進(jìn)行對比，總結(jié)系統(tǒng)響應(yīng)特征，并據(jù)此建立新的解譯方法。鄧唯淅[7]利用交錯網(wǎng)格有限差分法對巖溶、斷層等地質(zhì)現(xiàn)象建立模型，進(jìn)行正演和反演模擬，對比總結(jié)出TSP系統(tǒng)在不同地質(zhì)條件下的響應(yīng)特征，提出相應(yīng)的解譯標(biāo)志。曾勝強(qiáng)[8]利用有限元數(shù)值模擬方法建立隧道三維數(shù)據(jù)模型，通過調(diào)整模型的地層傾角獲得地震波傳播規(guī)律，研究在波場分離中使用線性變化的效果和可行性，總結(jié)波場分離特點，提高預(yù)報精度。謝麗軍[9]在分析地震波和TSP基本理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)有限元數(shù)值模擬方法，利用ANSYS軟件模擬TSP波場的數(shù)值，建立不同情況下的斷層和空洞模型，對模擬結(jié)果進(jìn)行波場分離處理，研究了復(fù)雜地質(zhì)情況下的隧道地震波場特征。

2 地質(zhì)雷達(dá)法在隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用現(xiàn)狀

地質(zhì)雷達(dá)法是利用高頻電磁波束對圍巖進(jìn)行探測，根據(jù)電磁波在圍巖中的傳播特征進(jìn)行預(yù)報，是目前常用的短距離預(yù)報方法，對掌子面前方0～30 m的預(yù)報效果好，在隧道超前預(yù)報中常作為TSP預(yù)報技術(shù)的輔助補充手段。張家祥[10]根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)的基本原理，總結(jié)雷達(dá)在各地質(zhì)條件下的圖像特征，結(jié)合縉云山隧道應(yīng)用顯示，地質(zhì)雷達(dá)對富水、巖溶和破碎帶的預(yù)報效果較好。施鵬超等[11]以貴州兩條巖溶隧道為依據(jù)，分析總結(jié)了地質(zhì)雷達(dá)在巖溶隧道探查時，雷達(dá)波形圖像特征與隧道巖體富水程度和完整程度的關(guān)系，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)對隧道巖溶和裂隙的響應(yīng)特征進(jìn)行預(yù)報，開挖驗證效果較好。溫世儒[12]根據(jù)電磁波基本理論和地質(zhì)雷達(dá)基本原理，提出地質(zhì)雷達(dá)在不同圍巖完整程度下富水程度的適用范圍，量化分析了空腔和填充溶洞以及富水破碎帶和風(fēng)化灰?guī)r在不同富水程度下的波形特征，變換處理后得到新的判讀標(biāo)準(zhǔn)，推導(dǎo)涌水量和塌方規(guī)模的估算公式并進(jìn)行地災(zāi)等級劃分。宋文東[13]利用地質(zhì)雷達(dá)法對隧道進(jìn)行探測，對比分析實際揭露，利用FLAC3D軟件建立隧道模型，探究隧道掌子面前方在不同位置存在不同形狀巖溶溶洞時，開挖隧道對隧道圍巖變形影響的一般性規(guī)律。

3 綜合超前預(yù)報技術(shù)的研究現(xiàn)狀

綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)可以有效解決單一預(yù)報手段精度不足和多解性的問題，在中高風(fēng)險隧道和復(fù)雜地質(zhì)條件下可大大提高預(yù)報準(zhǔn)確度。滿銀等[14]歸納和分析了地質(zhì)調(diào)查法、超前導(dǎo)坑法、超前鉆探法、物探法4種常用的隧道超前預(yù)報方法。曹放等[15]以鷓鴣山隧道為依托，在長大深埋隧道斷層帶建立一套以地質(zhì)分析為核心、洞內(nèi)外結(jié)合、長短結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報體系。李鵬飛[16]依托黃家溝隧道，為查清隧道隱伏地質(zhì)問題，采用TSP203和地質(zhì)雷達(dá)相結(jié)合的方式對掌子面前方進(jìn)行超前預(yù)報，開挖驗證取得較好預(yù)報效果。周浩宇等[17]分析了TSP和地質(zhì)雷達(dá)的基本原理，結(jié)合工程實例進(jìn)行預(yù)報和開挖驗證，TSP可以準(zhǔn)確預(yù)報巖性分界面，地質(zhì)雷達(dá)對巖體富水情況敏感、預(yù)報效果較好。在復(fù)雜圍巖環(huán)境下需兩種物探方法相結(jié)合進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報。向勇[18]根據(jù)TSP和探地雷達(dá)（Ground-Penetrating Radar，GPR）工作原理總結(jié)預(yù)報特點，工程實例預(yù)報顯示，TSP可以獲得圍巖參數(shù)并進(jìn)行分級，GPR對節(jié)理裂隙分布較敏感，兩種技術(shù)長短結(jié)合可以提高超前地質(zhì)預(yù)報精度和可靠性。劉博[19]對隧道的煤礦采空區(qū)使用TSP和地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)探查，兩種技術(shù)對采空區(qū)、煤層等探測效果較好，開挖驗證顯示，綜合預(yù)報可以準(zhǔn)確掌握采空區(qū)分布情況及其他不良地質(zhì)體。何山等[20]以育王嶺隧道為依托，依次使用TSP、地質(zhì)雷達(dá)和紅外探水進(jìn)行探測，開挖驗證預(yù)報效果較好。劉康等[21]在對隧道巖溶段進(jìn)行地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)TSP、地質(zhì)雷達(dá)和瞬變電磁異常響應(yīng)進(jìn)行分析，綜合預(yù)報巖溶及富水情況，準(zhǔn)確預(yù)報了巖溶及地下水的發(fā)育情況。黃霄寒[22]介紹了探地雷達(dá)和TSP的工作原理以及數(shù)據(jù)的采集處理及解譯，運用GprMax軟件建立無填充、充水和探測邊界溶洞模型進(jìn)行模擬，對比實測圖像特征，總結(jié)GPR的解譯標(biāo)志；根據(jù)TSP成果圖像總結(jié)在巖溶區(qū)域的解譯標(biāo)志。

以西南某隧道為例，全隧運用TSP技術(shù)作為主要物探手段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，在地質(zhì)調(diào)查和TSP探查預(yù)報的基礎(chǔ)上，通過地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁或超前鉆探等手段對異常區(qū)域進(jìn)行探查驗證，降低TSP多解性，取得了較好的預(yù)報效果。

4 結(jié)語

TSP屬長距離地質(zhì)預(yù)報方法，可以獲取巖石的密度、泊松比、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)；地質(zhì)雷達(dá)法主要研究介質(zhì)的電性和介電性質(zhì)，對近距離目標(biāo)體，特別是含水帶、破碎帶，具有較強(qiáng)的分辨能力，但探測距離短、受機(jī)電設(shè)備影響較大。單一的方法在面對復(fù)雜多樣的地質(zhì)情況時，往往顯得力不從心。因此，針對不同工程地質(zhì)條件的隧道，要結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造特征合理選擇探測方法，對多種預(yù)報技術(shù)進(jìn)行合理有效的整合，充分發(fā)揮各預(yù)報技術(shù)的優(yōu)勢，取長補短，以提高隧道地質(zhì)災(zāi)害超前探測和預(yù)報的可靠性和準(zhǔn)確性。