隧道施工超前地质预报技术

隧道施工超前地质预报技术

就地球物理方法与隧道施工特点相结合进行综合预报，以解决隧道超前地质预报的多解性、预报精度及方法缺陷等问题做了较详细的介绍。

摘要：目前隧道施工超前地质预报技术仍处在对单个方法、单一参数的解释研究阶段，由于地质预报的具体方法各有其特点和局限性，很难找到一种适合于各种隧道地质灾害的探测方法，因此，就地球物理方法与隧道施工特点相结合进行综合预报，以解决隧道超前地质预报的多解性、预报精度及方法缺陷等问题做了较详细的介绍。

隧道施工超前地质预报是指对隧道开挖掌子面前方的地质情况及不良地质体的工程性质及位置、产状进行探测、分析解释及预报。隧道超前地质预报从探测位置上可分为（洞外）地面预报与（洞内）掌子面预报；从预报性质上可分为物探方法、地质方法、化探方法；从预报距离上可分为长距离预报（>100m）、短距离预报（<30m）与临近预报（<10m）。

隧道施工过程中常见的地质灾害有：断层破碎带、岩性界面不整合接触带；岩溶、陷落柱及采空区；

岩爆；软岩；地下水等。存在的主要问题有：①利用单一方法、单一参数解决某个具体问题，存在预报精度低、有多解性的现象；②某个具体方法的探测由于与现场装置布置有关，从而存在对某种类型地质体探测有利，对某些形状或不同类别的灾害体探测不利的现象；③目前适合于隧道掌子面的预报方法较少，使得超前地质预报的方法组合受到限制。

1、常见的掌子面超前地质预报方法

隧道地震预报在掌子面附近的排布方法有多种，可分为二维2D（测线）观测系统和三维3D（面积）

观测系统。

1）2D观测系统是震源与接收器沿测线排列。常见的2D观测系统有：将炮点与接收器均设置在侧墙的排布方式（见图1、2），简称TSP（Tunnel Seismic Prediction）；将炮点设置在掌子面多个接收器在侧墙上的排布方式，简称VSP （Vertical Seismic Profiling）；在隧道的2个侧壁分别布设震源和检波器，

按其相对位置固定激发点（或接收点）和激发与接收相交错的排布方式，简称HSP（Horizontal Sound wave Profiling）；把激发点和接收器按一定排列布置在隧道掌子面的排布方式，称为垂直地震波排布（极小极距偏移法）。2D观测系统通常主要预报较为简单的二维地质构造，如断层破碎带、岩性界面等。

图1 TSP现场排布：

图2 TSP测量原理：

2）3D观测系统是将震源点与接收器按空间排布，构成空间位置或角度偏移，3D观测系统有：TRT(True Reflection Tomography)（特定震源点与接收器的空间排布，采用距离偏移法）、USP（Underground Seismic Prediction）（震源点与接收器空间排布，见图3，采用角度偏移法，每个接收器有64个分量）。只有三维的观测系统才能进行诸如形状体的地质灾害探测，如岩溶、陷落柱、采空区

图3 USP的3D观测系统常用排列：

目前的隧道地震预报采用的主要方法为反射波法，对地震记录识别和追踪的对比原则主要是位置对比（距离偏移）法。由于不同的排布方法各有其优缺点，因此大部分仪器都有其自身的现场排布方法，不同的仪器是结合某个具体的排布设计相应地解释处理软件。如TSP202、203有其自身固定的排布方法，其他的相关仪器也类同，也有个别仪器在设计时同时考虑了适用几种排列。

隧道电性预报方法主要有：GPR地质雷达法、BEAM激发极化法、TEMT瞬变电磁法等。地质雷达法属广普电磁法，应用较广泛；BEAM法在国外应用较多，国内案例较少；瞬变电磁法在国内的研究与应用都较多。

就地球物理方法与隧道施工特点相结合进行综合预报，以解决隧道超前地质预报的多解性、预报精度及方法缺陷等问题做了较详细的介绍。

2、超前地质预报的实施

通常在对前期地质勘查资料仔细研究后，并结合隧道工程进度、现场条件及物性参数测试，进行预报方法比选。考虑到工程的整体进度，一般结合掌子面的具体情况采用长距离与短距离预报相结合的方法。同时，也要考虑隧道（洞外）地面超前预报方法。有时地面超前预报更方便、有效，所以应针对某个具体隧道情况全面考虑。

预报方法可以组合与搭配，且前一参数或方法将为后一方法提供目标地质体的特征或形态。后一方法的装置排列设计将依照前一方法的结果进行。因此，相应的方法“先后合理”是指对隧道超前地质预报实施过程中强调先后顺序，它是超前地质预报是否成功的重要保证。隧道超前地质预报共有7个合理步骤。

1）充分收集已有的地质资料。

资料收集和分析是隧道施工超前地质预报的基础，它直接关系到预报结果的准确性，是做好施工超前地质预报工作的第一步。已有的地质资料一般包括：①前期勘查资料。对这些资料进行分析研究，可以对工程范围内的地质构造规律有基本的认识。经验证明，对构造规律的掌握程度直接影响预报的准确度。在熟悉已有资料基础上，应在地表进行实地踏勘并核对以便加深感性认识，从宏观上了解隧道所在地区的地质构造单元及其特征和可能遇到的不良地质地段，在此基础上可大致确定预报的重点内容。②施工过程资料。其中：施工掌子面地质素描、钻速测试可以收集到掌子面没有露头的与洞轴线近于正交的岩体软弱带情况；声波测试可以收集掌子面内部岩性变化情况，并为超前预报提供波速数据；裂隙网络窗口调查为三维网络计算机模拟提供数据，同时验证预报效果。

2）描述所要预报的地质灾害体特征。

根据已有的地质资料结合施工方法便可以确定地质灾害类型，并明确灾害体的特征，对灾害目标体进行地质和地球物理的属性描述，分析可能的参数特征，针对不同的灾害类型尽可能地细化参数，还可配合已知

资料进行部分的岩性参数测试，从而准确把握地质灾害特征因素。

3）建立预报模式。

由于在某个局部地质环境下，其灾害地质结构具有相对稳定的特点，并且灾害局部地质受到特有地质环境的影响，通常具有某些地质结构或构造上的特点。因此，在某些地区建立特定的隧道预报模式是必要的。这也说明针对某个工程项