对超前地质预报方法的认识

文/新疆交通规划勘察设计研究院 张永达

随着我国经济的快速发展，基础建设尤其是隧道建设发展得更加迅猛，遇到的地质问题也越来越多、越来越复杂。大量的施工实践证明，在隧道施工中对掌子面前方围岩进行超前地质预报是非常有必要的，不仅可以把地质灾害的影响最小化，还可以提前采取措施遏制不良地质引发的灾难事故，这对施工进度以及施工过程中的成本控制都有重要意义。

背景

进行隧道建设之前需要进行隧道工程设计，而设计的基本依据就是地质勘察资料。在我国现有的已经运营的隧道工程中，显现的各种问题包括：勘察地质的仪器不统一，准确性无法保证；人员素质、技术能力参差不齐；甚至在工作态度上都有待提高。种种原因造成隧道设计的地质依据不过关，无法满足工程实际需要，带来一系列无法预测的地质问题，让施工人员措手不及，且没有相应的施工处置预案，大量的工程实例及工程经验均显示了这一问题。由于地质资料勘察不到位导致各种施工灾难频发，造成的结果是工期延长、费用增加、施工建设人员的安全受到威胁。为了保证施工期间的人员安全以及工程质量，降低不必要的损失，需要采用能有效满足工程需要的各种探测手段，对隧道开挖前方的掌子面围岩情况进行预测，并依次进行必要的调整或加固措施，保证工程建设的质量和安全。纵使无法完全避免事故发生，但也要尽可能降低事故发生的可能性，或者给施工人员一个提示，以便进行安全保护。

超前地质预报的意义及发展情况

超前地质预报的意义

随着我国综合国力的提高，经济水平的跃迁，每年都会有近万亿的资金投入到基础建设中，公路、铁路、机场、水利等公共基础设施不断完善，路网密度不断加大，路线等级不断提高，并且不断向西部山川丘陵地区进军，高速公路里程一年比一年多。由于线形要求很高，为了达到指标要求，不得不增大桥隧比，隧道的数量和里程也不断增大。为了避免对沿途的环境造成重大破坏，修建隧道就成了一个适应时代发展、满足环境需求的手段。

在地下或山体中开挖隧道时，掌子面前方的岩体情况肉眼是无法辨别的，如果在隧道的开挖前方出现断层破碎带、淤泥带、溶洞等灾害性的地质状况，而施工中又不可知时，很容易造成隧道坍塌、涌水、突泥等状况的发生，给施工人员造成致命的威胁。在高山峡谷、大埋深等地质条件复杂地区，这种情况会变得更加严重和频繁。这类地质情况对施工人员、机械及施工进度和费用都将产生重大影响，应该尽量降低或者消除这种情况。要做到这一点就要对隧道所在的岩体有一个充分的了解，并根据掌握的情况对隧道施工过程中可能发生的情况进行相应的预加固措施，从而保证施工能够安全有效地快速进行，防止发生不必要的险情。岩体情况复杂多变，并且肉眼不可见，为此应采用各种行之有效的措施对岩体进行勘察，但是单单依靠现在的工程勘探是无法满足施工精度要求的，而为了满足施工精度要求，隧道的超前地质预报就成了必不可少的环节，并且作用重大，必须高度重视。

超前地质预报的研究现状及其发展

在隧道施工建设期间进行超前地质预报的运用时间比较早，历经了地质法、超前平行导坑法、超前水平钻孔取样分析、波反射法四个阶段。例如地质法的使用主要就是通过分析预判施工时掌子面的地质条件，并由此推断施工掌子面前方可能存在的断层、岩体分界面、围岩稳定性及可能失稳的类型。

常用的隧道超前地质预报方法

地震波探测法

地震波地质探测预报法属于地球物理手段探测方法中的一种，采用了回声测量原理：通过在隧道两侧墙壁的钻孔内放入少量炸药，起爆产生地震波。地震波沿岩体不断向前传播，并且是以面波的形式存在，当地震波在传播过程中遇到岩体裂隙、断层、不同岩体性质的界面时，会有一部分在界面处反射过来，剩余的部分会透过接触的界面继续向前方传递，反射回来的信号会被预先安装在墙壁两侧的检波器接收到。然后借助相应的分析软件对接收到的信号进行分析，依据相应的特征情况判断岩体前方是否存在如断层裂隙带、溶洞等不良地质的相对位置、大小规模、产状等情况。

地质雷达预报法

利用地质雷达进行地质超前预报，就是通过仪器发射的高频电磁脉冲波在岩体等介质中传播时，遇到不同性状的介质层面会有反射信号，反射回来的高频宽带短脉冲波会被相应的接收天线接收，从而达到地质预报的效果。例如岩体之间存在水、裂隙、溶洞等介质层面时，会造成岩体两侧界面的介电常数有很大差异，而这种差异易于区分，从而可以据此推断出隧道前方的岩体地质情况，以达到超前地质预报所需要的结果，为后续施工提供有实际意义的指导。

超前钻探法

该方法是预报不良地质最直接有效的手段。利用钻孔机器在施工掌子面前方按照一定的布置形式打孔，通过钻孔并分为取芯和不取芯两种钻探法进行地质预报。不取芯钻探操作简单，花费的时间较短，由于无需进行取芯分析，所以对钻孔的要求不太高，通过钻探时的钻孔速度和出水量的大小规模，来依次推断出不良地质体的相应特征。然而该方法有一定的限制，虽然在断层水的地质可以取得良好的钻探效果，但在岩溶隧道中仅依靠钻孔速度和相应的出水量，很难将暗河、岩溶、淤泥等情况区分出来，需要进行必要的取芯分析。

结语

目前对于隧道施工期间的超前地质预报，不仅仅是对于某一种超前地质预报方法的简单运用，通过对地质雷达、TSP、红外线探测器的优缺点，及暂时无法克服的问题可知，在工程实际运用中，一种方法的使用是无法让工程人员完全掌握地质情况的。地质雷达易受地下管线、岩面的影响，达不到工程的要求。地震反射类的如TSP得到的数据结果多样性受到很多因素干扰，不易消除。同时对于原始数据的取得过程，由于以非地质专业的人员为主，有一定的局限性。现在都是在实际工程中通过多种方法的联合使用、长短结合、优势互补，形成总的超前地质预报体系，以减少测量过程中的不确定性和错误，提高预报的准确性。

在以后的实际工程中要更加整体性和系统性地运用地质预报方法，重视地质预报的整体性和系统性，这已经是实际工程中不可缺少的必要环节。在实际运用中要加强各种方法间的配合，给地质勘查预报留有足够时间，对地质预报中的异常情况要提高风险意识。若以后研发出一些地质预报结果处理的集成软件，将会大大提高预报的便利性，对施工有更好的指导作用。