陳小冬

在地質(zhì)條件復雜的地區(qū)，由于前期的勘探不能完全探明隧道內(nèi)的地質(zhì)情況，在開挖的過程中經(jīng)常遇到不良地質(zhì)體，給施工帶來隱患。所以，在開挖前對隧道掌子面前方的地質(zhì)情況進行預判，即進行超前地質(zhì)預報已經(jīng)成為隧道工程的一項重要工作。隧道超前預報指的是，在隧道施工過程中，通過地質(zhì)和物探方法，推測掌子面前方的地質(zhì)情況，為隧道施工方案提供依據(jù)。

一、超前地質(zhì)預報方法分類

超前地質(zhì)預報方法可分為常規(guī)地質(zhì)法和物探法兩大類，具體有超前導坑、正洞地質(zhì)素描、水平超前探孔、聲波測試、紅外探水、彈性波法和電磁波法。其中超前導坑、正洞地質(zhì)素描和水平超前探孔屬于常規(guī)地質(zhì)法，剩余部分屬于物探法。

1.超前導坑

超前導坑法分為超前平行導坑和超前正洞導坑。平行導坑的布置平行于正洞，斷面小且和正洞之間有一定的距離，在施工過程中對導坑中遇到的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面或地下水等情況作地質(zhì)素描圖，通過做地質(zhì)素描圖對正洞的地質(zhì)條件進行預報。優(yōu)點是：平行導坑超前的距離越長，預報也越早，施工中就有充分的準備時間，可以增加工作面，加快施工進度，還可以起到排水減壓放水，改善通風條件和探明地質(zhì)構(gòu)造條件的作用。此方法直觀，精度高，預報的距離長，便于施工人員安排施工計劃和調(diào)整施工方案。超前正洞導坑布置在正洞中，其作用與平行導坑相比，效果更好。但缺陷是成本太高，有時需要對全洞進行平導開挖，且在構(gòu)造復雜地區(qū)準確度不高。

2.正洞地質(zhì)素描

地質(zhì)素描是對開挖面的地質(zhì)情況如實而準確的反映。主要內(nèi)容包括地層巖性、構(gòu)造發(fā)育情況、地下水的出水狀態(tài)、圍巖的穩(wěn)定性及初期支護采用的方法等。正洞地質(zhì)素描是利用所見到正洞已開挖段的地質(zhì)情況預報前方可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)條件。此法的優(yōu)點是不占用施工時間，設備簡單，不干擾施工，出結(jié)果快，預報的效果好，為整個隧道提供了完整的地質(zhì)資料；缺點是對與隧道夾角較大而又向前傾的結(jié)構(gòu)面容易產(chǎn)生漏報。

3.水平超前探孔

水平超前探孔方法是在隧道內(nèi)安放水平鉆機進行水平鉆進，根據(jù)隧道中線水平方向上鉆孔資料來推斷隧道前方的地質(zhì)情況。鉆孔的數(shù)量、角度及鉆孔長度可人為設計和控制。一般可根據(jù)鉆進速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液的顏色、氣味、巖粉以及在鉆探過程中遇到的其他情況來判斷。這種方法可以反映巖體的大概情況，比較直觀，施工人員可根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)情況來安排下一步的施工組織。但該方法也存在不足之處：在復雜地質(zhì)條件下預報效果較差，很難預測到正洞掌子面前方的小斷層和貫穿性大節(jié)理。

4.聲波測試

聲波對裂隙反應很敏感，遇到裂隙即發(fā)生介面效應，耗損波能，波形變復雜，波速減緩，此外，聲波速度的大小還和巖體強度有關。聲波測試方法有多種，主要有巖面測試和孔內(nèi)測試兩種：（1）巖面測試是在已開挖地段進行的，由于隧道開挖放炮形成許多張裂隙，所測波速表面巖石比實際巖體的波速略偏低。（2）孔內(nèi)測試分單孔和雙孔兩種。單孔測試是把發(fā)射源和接收器放在同一孔內(nèi)，但只能測到鉆孔周圍一倍波長左右范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。雙孔測試是把發(fā)射源和接收器放在不同的鉆孔內(nèi)，測試兩孔之間的巖體波速。

5.紅外探測

所有物體都發(fā)射出不可見的紅外線能量，能量的大小與物體的發(fā)射率成正比。而發(fā)射率的大小取決于物體的物質(zhì)和它的表面狀況。當隧道掌子面前方及周邊介質(zhì)單一時，所測得的紅外場為正常場，當前面存在隱伏含水構(gòu)造或有水時，他們所產(chǎn)生的場強要疊加到正常場上，從而使正常場產(chǎn)生畸變。據(jù)此判斷掌子面前方一定范圍內(nèi)有無含水構(gòu)造。紅外輻射曲線上升或下降均可以判定有水，其他情況判定無水。紅外探測的特點是可以實現(xiàn)對隧道全空間、全方位的探測，儀器操作簡單，能預測到隧道外圍空間及掘進前方30m范圍內(nèi)是否存在隱伏水體或含水構(gòu)造，可利用施工間歇期測試，不占用施工時間。但這種方法只能確定有無水，沒有定量的解釋。

6.彈性波法

彈性波超前預報技術(shù)按觀測系統(tǒng)可分為地震反射法、水平聲波剖面法及TSP超前預報法。當彈性波向地下傳播時，遇到波阻抗不同的地層界面時，將遵循反射定律發(fā)生反射現(xiàn)象。介質(zhì)的波阻抗差異愈大，反射回來的信號就愈強。

7.電磁波法

電磁波法是利用電磁波在不同介質(zhì)中產(chǎn)生透射、反射的特性來進行地質(zhì)預報工作的，目前常用的方法有地質(zhì)雷達。利用地質(zhì)雷達進行超前預報時，當前方巖石完整的情況下，可以預報25m的距離；當巖石不完整或存在構(gòu)造的條件下，預報距離也能達到15m左右。雷達探測的效果主要取決于不同介質(zhì)的電性差異，即介電常數(shù)，若介質(zhì)之間的介電常數(shù)差異大，則探測效果就好。在洞內(nèi)測試時，由于受干擾因素較多，往往造成假的異常，形成誤判，因此要加強數(shù)據(jù)采集與處理工作，盡量排除干擾，提高探測精度。

二、超前地質(zhì)預報的主要難點

1.地質(zhì)勘探的局限性

隧道由于埋深較大的特點，使得勘察工作較難進行。同時受制于本身斷面尺寸的影響，水平鉆孔或超前導坑等方法探測局限性很大。占用較長的工期和較高的費用。

2.地質(zhì)物性區(qū)別較大

詳細的地質(zhì)超前預報涵蓋地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)和水文等較多內(nèi)容。其中，巖體的構(gòu)造特性、工程特性和完整程度等均表現(xiàn)在力學性質(zhì)上，而水文特性則主要通過電性差異體現(xiàn)。任何一種單一類型的物探方法都難于很好涵蓋力學和電學這兩種物性的變化。

3.地震波震相復雜

隧道內(nèi)的地震反射波是三維的,要分析反射波的不同方向、波速、反射面位置、反射面性質(zhì)。同時，要識別面波、縱波、轉(zhuǎn)換波，遠比表面觀測的震相復雜。

4.預報要求的內(nèi)容多、質(zhì)量高

隧道超前預報關心的主要地質(zhì)問題有三個：第一個是構(gòu)造軟弱帶問題，包括斷裂、溶洞、破碎帶等不良地質(zhì)對象的性質(zhì)、規(guī)模、位置及產(chǎn)狀等；第二個是危險的含水、含氣構(gòu)造問題，包括含水斷裂、含水溶洞、含水松散體等的位置、規(guī)模、富水性、水壓大小等；瓦斯氣的生、儲、蓋地質(zhì)條件；第三個是圍巖的工程類別的問題。這三個問題中的每一個對工程物探來說都是疑難問題。

三、TSP技術(shù)探測原理

TSP(Tunnel Seismic Prediction)方法是一種類似于零偏移距地震多波反射波法，所謂反射波法就是震源激發(fā)的地震波傳播到有波阻抗差異的界面上發(fā)生反射，通過接收到該反射波后對其進行資料處理，得到界面的構(gòu)造和巖性解釋。我們要利用的有效信息是反射的縱波（P波）和橫波（SH、SV波）。

地震波是由特定位置進行小型爆破所產(chǎn)生，測線布置一般是一系列爆破點沿著隧道左壁或右壁平行隧道底板成直線排列，炮孔深1.5m，間距1.5m。這些震源發(fā)出的地震波在掌子面前方傳播過程中，遇到地層層面、節(jié)理面、斷層破碎帶界面等不良地質(zhì)界面時，將產(chǎn)生反射波。反射信號由傳感器接收，并將接收的數(shù)據(jù)傳送給記錄單元，由于反射信號的傳送時間與到地質(zhì)界面的距離成正比，反射信號的強度與相關界面的性質(zhì)、界面的產(chǎn)狀密切相關。通過對反射波數(shù)據(jù)記錄分析，可得出相關隧道構(gòu)造剖面及圍巖的物理力學參數(shù)。

P波和S波在巖石中的傳播速度主要取決于巖石彈性性質(zhì)，確定地震波速度不僅可以預報前方不良地質(zhì)構(gòu)造，還可以計算巖石力學性質(zhì)，預報圍巖等級。彈性波的傳播速度只取決于巖石的彈性模量。巖石的彈性模量的影響因素包括組成該巖石的礦物成份、巖石中孔隙流體性質(zhì)及壓力、溫度等，孔隙度、空隙流體是通過影響巖體的彈性模量而影響速度的，因此可以通過測試巖石的速度參數(shù)來判定巖性。