隧道施工超前地质预报研究及发展趋势

隧道施工超前地质预报研究及发展趋势

马军辉

马军辉

中铁七局集团郑州工程有限公司河南郑州450052

摘要：隧道中的地质超前预报是一个国际前沿课题，欧洲从上个世纪80年代开始研究，美洲从上个世纪90年代开始研究，我国在90年代也开始了超前预报技术研究，由于该技术的应用关系到工程的安全、质量、进度和经费等重要问题，因而备受关注，特别是在地质条件复杂地段，超前地质预报显得尤为重要。本文介绍了隧道施工超前地质预报内容和几种技术，并分析了隧道施工超前地质预报的发展趋势。

关键词：隧道；超前地质预报；趋势

一、隧道施工超前地质预报内容

隧道地质超前预报工作实质是隧道施工地质勘察,与其他工程勘察一样,应以地质为基础,以洞内洞外的地质调绘编录、物探、钻探等多种勘察手段相结合的勘察方法,综合分析、预测隧道工作面前方可能遇到的不良地质体及由此可能发生的地质灾害的性质、分布位置、规模,最大程度的查明隧道地质信息,为隧道施工开挖提供依据。隧道超前地质预报包括如下内容：

（一）不良地质及灾害地质：预报掌子面前方15-100m范围内有无突水、突泥、坍塌等灾害地质，并查明范围、规模、性质、提出施工措施意见；

（二）水文地质预报：预报掌子面前方15-100m范围内隧道涌水量大小及其变化规律，并评价其对环境地质、水文地质的影响；

（三）断层及其破碎带的预报：主要预报掌子面前方15-100m范围内断层的位置、规模、产状，是否为充水断层，并判断其稳定性程度，提出施工对策；

（四）围岩类别及其稳定性的预报：预报掌子面前方15-100m范围内围岩类别与设计是否吻合，并判断其稳定性，如遇到隧道围岩类别与设计有差异时，可及时修正开挖和支护设计方案。

二、常用超前预报方法

（一）地质分析法

地质分析法是隧道工程中超前预报最常用的方法，地质分析法中最常见的是地质素描。地质素描把施工面的地质状况如实的描述出来，其主要内容包含地层的岩性、贯穿性节理、地下水的出水情况等。正洞地质素描就属于地质素描法，这种超前预报根据已开挖段的情况来预测掘金前方的地质情况。正洞地质素描占用施工时间最少，能较快的得出结果，但对某些结构面很容易出现漏报，另外，其预测距离也较短。

（二）超前钻探法

超前钻探法利用水平钻机对开挖面进行水平钻进，根据水平钻机钻进的速度的变化以及钻孔冲洗液的气味还有颜色以及在水平钻进时遇到的其他状况来推断掘进前方的地质状况，我们可以根据施工情况来设计水平钻机钻孔的数量和角度，或者利用钻芯进行强度试验获取岩层的物理特性。在施工时，勘测到有影响工程的瓦斯或地下水，可以利用钻孔进行释放。这种方法比较可靠，对于掘进前方几米甚至几百米都有一定的预测作用，但在复杂的地质条件下其预测的效果不理想，对于正洞前方的小断层以及贯穿性大节理难与预测。钻孔间的地质情况难于反映出来。而且探测的费用较高，速度也较慢。

（三）超前导坑预报法

超前导坑预报法包括平行导坑法，正洞导坑法。超前导坑预报法是将超前导坑中揭示的地质情况，通过地质理论和作图法预报正洞地质条件的方法。超前导坑预报法可分为平行超前导坑法和正洞超前导坑预报法。线间距较小的隧道可互为平行导坑，以先行开挖的隧道预报后开挖的隧道地质条件。由于岩发育分布的复杂性，平导未揭露岩溶的地段并不代表正洞相应地段不发育岩溶。根据超前导坑与隧道位置关系按一定比例作超前导坑预报隧道地质平面简图。由超前导坑地质情况推测未开挖地段隧道地质条件。

（四）物探法

1、TSP超前地质预报

TSP超前地质预报系统工作原理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道掘进前方及周围临近区域的地质状况，属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点（设计为24个炮点，通常布置在隧道左或右边墙）由少量炸药激发产生，当地震波遇岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号投射进入前方介质。反射的地震波信号被高灵敏度的地震检波器接收，数据通过TSPwin软件处理，再通过地质解译，从而了解隧道前方不良地质体（软弱带、破碎带、岩溶、断层、含水等）发育位置及规模。

当采用TSP系统预报前方或周边有溶洞、暗河水体、岩层层面等不良地质后，在采用地质雷达法就能较好探测其规模、形态。缺点是洞内测试时，由于受干扰因素较多，往往造成假的异常，形成误判。此外它预报的距离有限，一般以不超过30m，且要占用掌子面的工作时间。

2、地质雷达

地质雷达是利用超高频窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探方法，其工作原理是发射天线向隧道掌子面前方发射电磁信号（106Hz～109Hz），在电磁波向掌子面前方传播过程中，当遇到电性差异的目标体（如空洞、裂隙、岩溶等）时，电磁波便发生反射，由接收天线接收反射波。在对地质雷达数据进行处理和分析的基础上，根据雷达波形、电磁场强度、振幅和双程走时等参数便可推断掌子面前方的地质构造。

3、红外线法探水

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。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。

对于岩溶区，地质素描是最根本、最重要的方法，根据地质素描确定岩溶的发育程度及发育特征，加深炮眼短距离直观探测，以查明岩溶位置、规模和形态，保证短距离施工安全。加深炮眼发现异常时，采用超前水平钻探，进一步确认前方岩溶的发育规模及特征，排除前方突水、突泥后，方可施工。在岩溶区，溶洞规模足够大，且充填物与周围有明显差异时，TSP才能探测出。

三、隧道施工超前地质预报的发展趋势

从我国对隧道施工超前地质预报的研究现状上看，预报的重点内容人多集中在对隧道工程地质条件的预测预报，但却对施工过程中的地质灾害，尤其是岩爆及人变形等成因机理的研究相对缺乏，这会对施工安全性带来极为不利的影响，一旦发生地质灾害，不仅会导致施工中断，而且还可能引起人员伤亡事故。业内人量的专家学者纷纷将研究的重点放在了超前探测技术的开发和仪器设各的研制上，很多隧道工程中，虽然也应用了多种探测技术，但却并未将多种探测技术有效地结合到一起，预报结果的准确性并没有获得进一步提高。鉴于此，在未来一段时期，应当进一步加人对隧道施工超前地质预报理论方而的研究，并不断加强探测新技术、新方法的研究，在现有仪器设各的基础上进行改进和完善，争取研制开发出一此性能更加稳定、可靠性更高的新设各，从而更好地为隧道工程服务。此外，还应当建立并逐步完善不良地质截而的特征识别模式以及不良地质的判定指标，并将实施综合超前地质预报作为下一步发展的重点内容。

参考文献

[1]宁兴华.隧道施工超前地质预报管理及控制探讨[J].黑龙江科技信息,2014年27期.

[2]赵俊.隧道施工超前地质预报应用及其重要性[J].企业技术开发（下半月）,2013年7期.