浅谈几种常用的隧道超前预报方法

赵娜　张善良　于立红

摘 要：在隧道施工过程中， 常因地质问题出现诸如塌方、涌水、岩爆、泥石流等地质灾害。不仅严重影响工程进展， 增加工程造价， 有时甚至会发生重大安全事故。因此， 在隧道开挖阶段如何超前预报隧道掘进方向的地质构造， 准确查出围岩性状、结构面的发育， 特别是溶洞、断层、破碎带和含水情况， 以便及时采取有效的预防措施， 这对于确保施工安全至关重要。在此将隧道超前预报常用的几种方法进行简单的分析。

1 超前预报目的与内容

1.1 目的及内容

开挖前对地质情况的了解，对于隧洞建设有着十分重要的作用。通过超前预报，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧洞涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使工程单位提前做好施工准备，保证施工安全，同时还可节约大量资金。所以隧洞超前预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。地质超前预报的主要内容包括掌子面前方的匍岩类别及水文地质预报、不良地质体预报及隧道附近隐伏地质异常体的预报。

1.2 介质的物性差异

介质为岩土体、水、空气。空气的主要物性特点是电阻率最大；介电常数最小，一般为1；电磁波速最高，衰减最小；地震波波速最小，纵波波速一般为 340 m/s。水的物性特点是介电常数最大，一般为 81；电磁波速最低；地震波波速较小，纵波波速一般为1 430～1 590 m/s。干燥岩土体的物性特点是多数属于高阻介质，电磁参数有差异，但差异不大，介电常数为 4～9，电磁波波速中等；地震波波速相差很大，常见范围为 1 500～8 000 m/s。 在隧道超前地质预报中，物探方法常以隧道介质的弹性和电性差异为基础。如 TSP 预报利用的物性差异是隧道介质的弹性，地质雷达预报利用的是介电常数，瞬变电磁法利用的是介质的视电阻率，BEAM 预报利用的是介质的激发极化效应。

2 隧道超前地质预报方法

2.1 直接预报法

1、 水平钻孔

在隧洞内安放水平钻机进行水平钻进，根据钻孔资料来推断隧洞前方的地质情况。钻孔数量、角度及钻孔深度可人为设计和控制。由钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉及遇到的其它情况来预报。此法可以反映岩体的大概情况，比较直观，施工人员可根据实际地质情况进行下步施工组织。

2、超前导坑

按导坑与正洞的相互位置分为平行导坑和正洞导坑。其中，平行导坑与正洞平行，断面小且和正洞之间有一定距离，通过对导坑开挖中遇到的构造、结构面或地下水等情况作地质记录与分析，进而对正洞地质条件进行预报。

3、 地质分析法

地质分析预报是隧道超前预报中的一项基本法，地质分析方法细分的种类很多，常见的有：地面地质调查、隧道掌子面地质编录、超前钻探等。其中，地面地质调查和掌子面地质编录与分析两种方法的优点是不干扰施工，设备简单，出结果快，预报效果较好，而且为整个隧道提供详细的地质资料；缺点是对于隧道前方未开挖的不良地质容易漏报。

2.2 物探法

1、TSP超前预报技术

TSP（Tunnel Seismic Prediction）超前预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧洞掌子面前方及周围临近区域的地质情况。该法属多波多分量探测技术，可以检测出掌子面前方岩性的变化，如不规则体、不连续面、断层和破碎带等。它可以在钻爆法或TBM开挖的隧洞中使用，而不必接近掌子面。

2、地质雷达技术

利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面通过发射天线向前发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的電磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。

3、 红外探水法

由于所有物体都发射出不可见的红外线能量，该能量大小与物体的发射率成正比。而发射率的大小取决于物体的物质和它的表面状况。当掌子面前方及周边介质单一时，所测得的红外场为正常场，当存在隐伏含水构造或有水时，他们所产生的场强要叠加到正常场上，从而使正常场产生畸变。据此判断掌子面前方一定范围内有无含水构造。

4、BEAM法

BEAM（Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring），这是当前国际上唯一的一种电法超前预报方法，是由德国GEOHYDRAULIC DATA公司推出的产品。它是一种聚焦电流频率域的激发极化方法，其最大特点是通过外围的环状电极发射一个屏障电流和在内部发射一个测量电流，以便电流聚焦进入要探测的岩体中，通过得到一个与岩体中孔隙有关的电能储存能力的参数PFE（Percentage frequency effect）的变化，预报前方岩体的完整性和含水性。

此外，尚有电磁波法、面波法、 陆地声纳法、 TRT真地震反射成像技术、水平声波剖面法（HSP）、 TST超前预报技术、地震负视速度法等。

2.3 地质物探综合分析法

1、综合预报原则

隧道综合超前地质预报应以“地质分析”为核心，综合物探与地质分析结合，洞内外结合，长短预测结合，物性参数互补”为原则。

（1） “地质分析”为核心是指地面和掌子面地质调查为主要手段（必要时开展超前钻孔），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） “综合物探与地质分析结合”是指TSP、地质雷达、瞬变电磁法等综合物探工作的同时，必须将物探解译与地质分析紧密结合。

（3） “洞内外结合”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） “长短预测结合”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 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。

2、综合预报工作体系

在上述综合预报原则的指导下，建立隧道超前地质综合预报工作路线，。首先对隧址区勘察设计资料进行详细研究，利用地面地质调查等方法，确定断层和其他不良地质体与隧道轴线交点的大概位置，估测岩层、断层和其他重要地质界面的产状，预测地下水富存段。在此基础上，根据宏观地质分析预测成果和掌子面地质调查，结合各种物探方法的适宜性，有针对性的选择一种或者几种物性参数互补的物探方法进行超前探测与预报解译，了解掌子面前方一定距离的详细地質特征信息。 通过上述地质分析和物探预报解译，对掌子面前方的基本地质条件，包括断层、岩体破碎情况溶洞、地下水情况、岩体软硬程度等，进行综合分析预报，并判断是否存在不良地质体和施工地质灾害，并采取相应的措施指导施工。

3 结语

我坚信，在隧道工程施工中，只要充分掌握地质情况，按照我们目前的施工技术水平，不管多么困难的地段我们都会有办法安全、顺利地通过，这也说明了在隧道工程施工中地质工作的重要性。同时，我们也应深刻认识到超前地质预报工作更需要比较专业的技术知识和价格较高的地质雷达等设备，因此想要在施工过程中全面推广也会有一定难度。但我们相信，伴随着人们对隧道超前地质预报工作重要性的更进一步认识和当今科技的迅猛发展，一定会有操作更简单，探测更准确，计算机处理水平更高的超前地质预报系统会应运而生，从而为我国的隧道建设事业作出更大贡献。

作者简介

赵娜，女，现工作于辽宁省有色地质局一0八队，从事土木工程及工程地质勘查工作，现职称：工程师。

张善良，男，现工作于辽宁省有色地质局一0八队，从事地质勘查工作，现职称：工程师。

于立红，男，现工作于辽宁省有色地质局一0八队，从事地质勘查工作，现职称：工程师。