隧道施工超前地质预报方法综述

隧道施工超前地质预报方法综述

李立功

(中铁隧道勘测设计院，河南洛阳471009）

摘要：本文简述了各种超前地质预报方法的特点，提出在复杂地质条件下，运用多种方法进行综合预报，并以渝怀铁路圆梁山隧道为例，说明综合预报的有效性。

关键词：复杂地质条件；超前地质预报；隧道施工

隧道的设计、施工、工期、造价均受到地质条件的制约。因此，了解隧道穿过地段的地质条件不仅是隧道建设的需要，也是隧道工程地质工作的目的。由于隧道及其他地下工程深埋地下，工程岩体的水文地质与工程地质条件复杂多变，根据现有的地质勘探技术水平及手段，对所取得的资料不能完全满足施工要求，因此，这些问题的解决还有待在施工中开展深入的超前地质预报工作。

目前在隧道施工期间采用的超前地质预报方法从专业技术方面可分为常规地质法和物探法两大类，具体有以下几种：（1）超前导坑；（2）正洞地质素描；（3）水平超前探孔；（4）声波测试；（5）红外探水；（6）弹性波法；（7）电磁波法。

1 常规地质法

（1）超前导坑法

超前导坑法可分为超前平行导坑和超前正洞导坑。平行导坑的布置平行于正洞，断面小而且和正洞之间有一定的距离，在施工过程中对导坑中遇到的构造、结构面或地下水等情况作地质素描图，通过做地质素描图对正洞的地质条件进行预报。采用平行导坑预报的优点是：平行导坑超前的距离越长，预报也越早，施工中就有充分的准备时间，可以增加工作面，加快施工进度，还可以起到排水减压放水，改善通风条件和探明地质构造条件的作用。采用超前平行导坑进行预报比较直观，精度高，预报的距离长，便于施工人员安排施工计划和调整施工方案。超前正洞导坑布置在正洞中，其作用与平行导坑相比，效果更好。但是采用超前导坑法进行预报也有缺陷：一是成本太高，有时需要全洞进行平导开挖；二是在构造复杂地区准确度不高。

（2）正洞地质素描

地质素描是对开挖面的地质情况如实而准确的反映。素描的主要内容包括地层岩性、构造发育情况（含断层、贯穿性节理、夹层或岩脉）、地下水的出水状态、围岩的稳定性及初期支护采用的方法等。正洞地质素描是利用所见到正洞已开挖段的地质情况预报前方可能出现的不良地质条件（断层等）。针对断层而言，又分断层露头作图法和断层前兆特征法。断层露头作图法对结构面向开挖后方倾斜的断层预报效果较好，因为断层先在隧道底出露，对岩体稳定性影响不大时就可以发现；对于向掌子面前方倾斜的结构面因为先在顶部出现，预报时效果相对较差。正洞地质素描的优点是不占用施工时间，设备简单，不干扰施工，出结果快，预报的效果好，而且为整个隧道提供了完整的地质资料；缺点是对与隧道夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报。

（3）水平超前探孔

水平超前探孔方法是在隧道内安放水平钻机进行水平钻进，根据隧道中线水平方向上钻孔资料来推断隧道前方的地质情况。钻孔的数量、角度及钻孔长度可人为设计和控制。一般可根据钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液的颜色、气味、岩粉以及在钻探过程中遇到的其他情况来判断。这种方法可以反映岩体的大概情况，比较直观，施工人员可根据现场的地质情况来安排下一步的施工组织。但该方法也存在不足之处：①在复杂地质条件下预报效果较差，很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理，特别是与隧道轴线平行的结构面，其预报无反映；②钻孔与钻孔之间的地质情况反映不出来。

2 物探方法

地球物理探测是间接、无损的测试手段，在隧道超前地质预报中，常用的方法有地震反射法、声波测试、红外探水、电磁波法等。

（1）声波测试

声波对裂隙反应很敏感，遇到裂隙即发生介面效应（反射、折射和绕射），耗损波能，波形变复杂，波速减缓，此外，声波速度的大小还和岩体强度有关。

声波测试方法有多种，主要有岩面测试和孔内测试两种，其中孔内测试又分为单孔和双孔测试两种。

①岩面测试是在已开挖地段进行的，由于隧道开挖放炮形成许多张裂隙，所测波速表面岩石比实际岩体的波速略

偏低。

②孔内测试分单孔和双孔两种。单孔测试是把发射源和接收器放在同一孔内，但只能测到钻孔周围一倍波长左右范围内的地质情况。双孔测试是把发射源和接收器放在不同的钻孔内，测试两孔之间的岩体波速。

③孔内测试按耦合方式又分为干孔和湿孔两种。湿孔测试是向钻孔内灌水耦合，但由于水充填了裂隙影响测试结果，往往使测试波速偏高，岩石越破碎偏差越大。干孔测试是在发射器和接收器的外面套上环行胶囊，然后再向胶囊内注水，使接收器、发射器和孔壁耦合，其测试结果比较真实。

（2）红外探测

所有物体都发射出不可见的红外线能量，这能量的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。当隧道掌子面前方及周边介质单一时，所测得的红外场为正常场，当前面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。

现场测试有两种方法：一是在掌子面上，分上、中、下及左、中、右六条测线的交点测取9个数据，根据这9个数据之间的最大差值来判断是否有水；二是由掌子面向掘进后方（或洞口）按左边墙、拱部、右边墙的顺序进行测试，每5m或3m测取一组数据，共测取50m或30m，并绘制相应的红外辐射曲线，根据曲线的趋势判断前方有无含水。

掌子面上9个数据的最大差值大于10μw/cm2，就可以判定有水；红外辐射曲线上升或下降均可以判定有水，其他情况判定无水。红外探测的特点是可以实现对隧道全空间、全方位的探测，仪器操作简单，能预测到隧道外围空间及掘进前方30m范围内是否存在隐伏水体或含水构造，而且可利用施工间歇期测试，基本不占用施工时间。但这种方法只能确定有无水，至于水量大小、水体宽度、具体的位置没有定量的解释。

（3）弹性波法

弹性波超前预报技术按观测系统可分为地震反射法（负视速度法）和水平声波剖面法。

当弹性波向地下传播时，遇到波阻抗不同的地层界面时，将遵循反射定律发生反射现象。当介质的波阻抗差异愈大，反射回来的信号就愈强。

①地震负视速度法

地震负视速度法的原理是利用地震波在不均匀地层中产生的反射波特征，来预报隧道掌子面前方及周围区域的地质情况。在隧道侧壁的一定范围内布置激震点，进行激发，产生的地震波信号在隧道周围岩体内传播，当岩石强度发生变化时，比如有断层或岩层变化，地震波信号的一部分将返回，这个信号称为反射波。反射界面与测线直立正交时，所接收的反射波与直接由震源发出的信号（称为直达波）在记录图象呈负视速度，其延长线与直达波延长线的交点即为反射界面的位置见图1。

现场测试时，采用的方式有多炮共道、多道共炮两种。前者记录方式有利于保证激发条件的一致

图1 负视速度法工作原理图

性，后者则有利于记录条件的一致性。当偏重于运动学特征参数的应用时共炮与共道两种记录方式可任意选用；当要求测试设备简化与强调接收条件一致性时，宜采用多炮共道式；当强调动力学参数的对比利用时，则宜选用多道共炮方式。观测系统沿开挖工作面后面巷道侧壁或底部布置。为获取“负视速度”，震源应在预报目的物的远端，接收点间距采用小道间距（一般2～5m），12道或24道接收。根据需要与设备条件，测点可采用单分量、三分量或组合检波器。

②水平声波剖面法