前言

　　隧洞建設中對工程地質(zhì)條件的認知和掌握程度是確�？焖�、安全修建的決定性因素之一。盡管施工前進(jìn)行了大量的地質(zhì)勘察工作，但由于當前勘察技術(shù)手段和方法技術(shù)的限制，加上地質(zhì)體的復雜多變，期望在施工前完全查明工程巖體的狀態(tài)、特性，準確地預測隧洞施工中可能發(fā)生地質(zhì)災害的位置、性質(zhì)和規模是十分困難的。因此，世界各國隧洞工程界都十分重視超前預報工作。

　　隧洞開(kāi)挖中引發(fā)災難的因素是多種多樣的（如地下水、有毒或易燃氣體、高地溫、巖爆等），而由于人們對地質(zhì)特性認識不足、施工方法不當也可引起災害（如塌方冒頂等）。人們對地層物理、化學(xué)性能的了解和巖體本身結構狀態(tài)的認識，需通過(guò)多種勘探試驗手段，才能獲得定性和定量分析的依據。

　　地下工程超前預報與監測預報不同，超前預報主要是加強施工期間的地質(zhì)工作，是在開(kāi)挖之前，除根據開(kāi)挖時(shí)揭露出來(lái)的實(shí)際地質(zhì)情況，校正補充地勘時(shí)未能查到的資料外，還要根據這些成果資料，分析推斷掌子面前方的地質(zhì)情況，是否存在前期勘察時(shí)沒(méi)有查到的不良地質(zhì)體，以便預先采取措施；而監測預報是在開(kāi)挖以后，預報因圍巖變形而產(chǎn)生的各種破壞。

　　盡管隧洞施工超前預報已引起國內外隧洞工程界的重視，也做了許多卓有成效的工作，但到目前為止還沒(méi)有一套系統的普遍適用的方法，國內外隧洞工程的重大地質(zhì)災害仍時(shí)有發(fā)生。因此，準確預報開(kāi)挖前方的地質(zhì)條件是隧洞建設者們的迫切要求，二十世紀八十年代以來(lái)世界各國都把這類(lèi)問(wèn)題列為重點(diǎn)研究課題。但是隧洞施工超前預報又是一項復雜而艱難的任務(wù)，尚需在工程實(shí)踐中不斷創(chuàng )新、優(yōu)化、總結、完善和提高，要真正搞好隧洞施工超前預報任重道遠。

　　1、超前預報目的

　　開(kāi)挖前對地質(zhì)情況的了解，對于隧洞建設有著(zhù)十分重要的作用。通過(guò)超前預報，及時(shí)發(fā)現異常情況，預報掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結構的完整性與含水的可能性，為正確選擇開(kāi)挖斷面、支護設計參數和優(yōu)化施工方案提供依據，并為預防隧洞涌水、突泥、突氣等可能形成的災害性事故及時(shí)提供信息，使工程單位提前做好施工準備，保證施工安全，同時(shí)還可節約大量資金。所以隧洞超前預報對于安全科學(xué)施工、提高施工效率、縮短施工周期、避免事故損失、節約投資等具有重大的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。

　　2、超前預報內容

　　隧洞施工超前預報的內容一般包括：

　�、俨涣嫉刭|(zhì)預報及災害地質(zhì)預報：預報掌子面前方一定范圍內有無(wú)突水、突泥、巖爆及有害氣體等，并查明其范圍、規模、性質(zhì)，提出施工措施或建議；

　�、谒�文地質(zhì)預報：預報洞內突涌水量的大小及其變化規律，并評價(jià)其對環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)的影響；

　�、蹟鄬蛹捌淦扑閹У念A報：預報斷層的位置、寬度、產(chǎn)狀、性質(zhì)、充填物的狀態(tài)，是否為充水斷層，并判斷其穩定程度，提出施工對策；

　�、�?chē)鷰r類(lèi)別及其穩定性預報：預報掌子面前方的圍巖類(lèi)別與設計是否吻合，并判斷其穩定性，隨時(shí)提供修改設計、調整支護類(lèi)型、確定二次襯砌時(shí)間的建議等；

　�、蓊A測隧洞內有害氣體含量、成分及動(dòng)態(tài)變化；

　　3、隧洞施工超前預報分類(lèi)

　　如何對隧洞施工超前預報合理分類(lèi)，目前國內外尚未見(jiàn)到系統的分類(lèi)標準。但超前預報分類(lèi)的必要性是顯而易見(jiàn)的：

　�、僬�確的分類(lèi)是制定有關(guān)規程、細則或指南所需要的；

　�、谡�確的分類(lèi)有利于把超前預報納入施工計劃和管理的全過(guò)程；

　�、壅�確的分類(lèi)有利于指導科研立題及其管理。

　　根據隧洞施工超前預報的內容和目的以及實(shí)際預報中的作用，結合我國隧洞施工超前預報的客觀(guān)實(shí)際，以下簡(jiǎn)要介紹隧洞施工超前預報分類(lèi)的初步設想。

　　3.1 按預報的作用劃分

　�、� 常規預報：是勘測設計階段地質(zhì)工作的繼續，也是隧洞施工的一個(gè)作業(yè)過(guò)程。其目的是結合施工進(jìn)程，收集地質(zhì)資料，判斷圍巖類(lèi)別，了解掌子面前方短距離內的工程地質(zhì)條件，為正確選擇斷面大小、襯砌類(lèi)型、施工方法和支護設計或修改施工設計等提供依據，其成果可作為隧洞竣工后維修養護參考。該預報是短距離預報的主要任務(wù)，目前已有比較成熟的經(jīng)驗。多以地質(zhì)素描為主，配合簡(jiǎn)單的物探測試了解掌子面前方地質(zhì)條件。常規預報應以施工單位為主，作定量預報、并結合施工進(jìn)行，預報時(shí)盡量不占或少占施工作業(yè)時(shí)間。

　�、� 成災預報：隧洞施工中的地質(zhì)災害，是指隧洞施工過(guò)程中因前方地質(zhì)條件的突然變化，導致施工失去控制的非常事件。該事件可引起人員傷亡、機械設備失效并嚴重破壞、甚至被迫長(cháng)時(shí)間停工，致使工程部門(mén)蒙受重大的經(jīng)濟損失。隧洞地質(zhì)災害主要有大規模塌方、涌水、涌泥、涌石、巖爆、瓦斯等。成災預報是對可能的災害性地質(zhì)條件進(jìn)行預報，以指導隧洞施工中的防災和減災工作。該預報是中、長(cháng)距離預報的主要任務(wù)，是為隧洞施工戰略決策服務(wù)的。對可能成災的地質(zhì)條件，應從設計和施工方法上考慮特殊對策，否則可按常規預報進(jìn)行。成災預報應由設計、科研、施工單位組成專(zhuān)家小組，采用地質(zhì)、物探綜合分析法進(jìn)行定性和定量預報，并視工作需要占用部分施工作業(yè)時(shí)間。

　�、� 專(zhuān)門(mén)預報：對特殊地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行預報，如膨脹巖、侵蝕性地下水、高地溫、巖溶等。這些特殊地質(zhì)條件，常常使施工陷入困境或破壞隧洞襯砌，如果處理不及時(shí)或處理失當，甚至可能釀成大的地質(zhì)災害�？梢�(jiàn)，專(zhuān)門(mén)預報也是隧洞施工預報的重要內容之一。該預報應由設計、科研和施工部門(mén)組成專(zhuān)門(mén)小組，采用綜合手段作定性和定量預報。

　　3.2 按距掌子面的距離劃分

　　隧洞施工超前預報距離與隧洞施工速度和工程實(shí)際需要密切相關(guān)。結合我國隧洞開(kāi)挖技術(shù)水平和快速施工要求，按掌子面前方距離可分為三類(lèi)：

　�、� 短距離預報：0～15m.就我國目前快速施工的水平，一般采用鉆爆與TBM相結合的方法。一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺約2～3m，二個(gè)循環(huán)是4～6m，三個(gè)循環(huán)是6～9m.實(shí)踐表明，預報三個(gè)循環(huán)的前方地質(zhì)條件，即能滿(mǎn)足安全施工要求。根據我國目前的探測技術(shù)，要預報掌子面前方15m范圍內的地質(zhì)條件并不困難，且測試基本可與施工同步進(jìn)行。對成災預報而言，短距離預報相當于臨災預報或防災處理階段。

　�、� 中距離預報：15～50m.對于防災預報來(lái)說(shuō)，只有15m范圍內的臨災預報是不夠的。發(fā)現有可能成災的地質(zhì)條件，馬上要準備處理，顯然太緊張。比較理想至少應有30m的距離。因此，進(jìn)行范圍超過(guò)15m的中距離預報是隧洞施工所必須的。另外，從目前已有的預報實(shí)踐來(lái)看，用物探方法在開(kāi)挖面上進(jìn)行20～40m的超前探測已十分有效。說(shuō)明物探方法在中、長(cháng)距離預報中是有潛力的。

　�、� 長(cháng)距離預報：50m以上為長(cháng)距離預報。

　　3.3 按采用的手段劃分

　�、� 經(jīng)驗預報：在以往工程經(jīng)驗的基礎上，憑感覺(jué)就能進(jìn)行的預報。它對臨災預報有特殊意義，如鑿孔過(guò)程中發(fā)現有巖粉異常噴出，可能遇到了瓦斯或有害氣體；聽(tīng)到巖石劈裂聲且隨后出現巖塊彈射現象可能是巖爆；鑿孔異常噴水可能是大量涌水的先兆；隧洞塌方也有先兆等等。直接預報法或地質(zhì)分析法的預報效果與從事預報人員的經(jīng)驗豐富程度密切相關(guān)。

　�、� 采用儀器預報：預報目的不同，方法各異，所用儀器也是多種多樣的。如地質(zhì)分析法只需羅盤(pán)、地質(zhì)錘、放大鏡、稀鹽酸和皮尺等；水平鉆孔法需用大型水平鉆機；物探方法需各種物探儀器等。

　�、� 綜合預報：地質(zhì)體是復雜的綜合體。企圖用單一方法查明隧洞的全部地質(zhì)條件是不可能的，因此應采用綜合預報方法。根據地質(zhì)條件的差異和不同精度要求，適時(shí)選用若干種方法相互補充和印證，才能獲得良好效果。

　　3.4 按精度劃分

　�、� 定量預報：“定量”是對前方地質(zhì)體具體位置、規模、設計參數變化等給出量的概念；對災害性地質(zhì)條件，除明確災害性質(zhì)外，還應明確可能成災的位置、規模和影響范圍等。當然對量的精度要求也是相對的，如短距離預報精度要求最高；中距離預報精度要求次之；長(cháng)距離預報則以定性為主，強調戰略上的指導作用。

　�、� 定性預報：定性是對定量而言。定性一定要準，具體位置的精度可不作嚴格規定。

　　4、超前預報方法

　　4.1 直接預報法

　　4.1.1 水平鉆孔

　　在隧洞內安放水平鉆機進(jìn)行水平鉆進(jìn)，根據鉆孔資料來(lái)推斷隧洞前方的地質(zhì)情況。鉆孔數量、角度及鉆孔深度可人為設計和控制。由鉆進(jìn)速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液顏色、氣味、巖粉及遇到的其它情況來(lái)預報。此法可以反映巖體的大概情況，比較直觀(guān)，施工人員可根據實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行下步施工組織。

　　水平鉆孔主要布置在開(kāi)挖面及其附近，既可在超前導洞內布置鉆孔，也可在主洞工作面上進(jìn)行鉆探，用以獲得準確可靠的地質(zhì)資料，確保施工組織。該法可獲得工作面前方一定距離的巖芯，也可由鉆孔出水情況判斷前方有無(wú)地下水和前方何處有地下水，從而可以得到開(kāi)挖面前方的地質(zhì)情況。該法是施工預報最有效方法之一，但也存在不足之處：①對垂直隧洞軸線(xiàn)的地質(zhì)結構面預報效果較好，與隧洞軸線(xiàn)平行的結構面預報較差；②需占用較長(cháng)的施工作業(yè)時(shí)間，費用較高。

　　4.1.2 超前導坑

　　按導坑與正洞的相互位置分為平行導坑和正洞導坑。其中，平行導坑與正洞平行，斷面小且和正洞之間有一定距離，通過(guò)對導坑開(kāi)挖中遇到的構造、結構面或地下水等情況作地質(zhì)記錄與分析，進(jìn)而對正洞地質(zhì)條件進(jìn)行預報。該法的優(yōu)點(diǎn)是：預報成果比較直觀(guān)、精度高、預報的距離長(cháng)、便于施工人員安排施工計劃和調整施工方案，還可以起到減壓放水、改善通風(fēng)條件和探明地質(zhì)構造條件的作用，同時(shí)，還可用作排除地下水、斷層注漿處理、擴建成第二條隧洞之用。正洞導坑布置在正洞中，是正洞的一部分，其作用與平行導坑相比，效果更好。超前導坑的缺陷為：一是成本太高，有時(shí)需要全洞進(jìn)行平導開(kāi)挖；二是施工工期較長(cháng)。

　　4.2 地質(zhì)分析法

　　4.2.1 斷層參數預測法

　　利用斷層影響帶的特殊節理或集中帶的分布規律，通過(guò)對斷層影響帶的系統編錄所得經(jīng)驗公式，來(lái)預報隧洞斷層破碎帶的位置和規模。由于大多數不良地質(zhì)現象與斷層破碎帶有密切的關(guān)系，故依據斷層破碎帶推斷其它不良地質(zhì)體的位置和規模。

　　4.2.2 地質(zhì)體投射法

　　在地表準確鑒別不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、規模和巖體質(zhì)量及精確測定不良地質(zhì)體產(chǎn)狀的基礎上，應用地質(zhì)界面和地質(zhì)體透射公式進(jìn)行預報。

　　4.2.3 正洞地質(zhì)編錄與預報

　　隧洞施工中，及時(shí)對其開(kāi)挖面（掌子面、邊墻面和拱頂面）上的各種地質(zhì)現象進(jìn)行測繪和記錄，利用已挖洞段地質(zhì)情況來(lái)預報前方可能出現的不良地質(zhì)現象。它分為①巖層巖性和層位預測法：在開(kāi)挖面揭露巖層與地表某段巖層為同層和確認標志層的前提下，用地表巖層的層序預測掌子面前方將要出現的巖層；②地質(zhì)體延伸預測法：在長(cháng)期預報得出不良地質(zhì)體厚度的基礎上，依據開(kāi)挖面不良地質(zhì)體的產(chǎn)狀和單壁始見(jiàn)位置，經(jīng)過(guò)一系列的三角函數運算，求得條帶狀不良地質(zhì)體在隧洞掌子面前方消失的距離。

　　該法是對開(kāi)挖面地質(zhì)情況如實(shí)而準確的反映。其主要內容包括地層巖性、構造和節理裂隙發(fā)育情況、地下水狀態(tài)、圍巖穩定性及初期支護采用方法等。其優(yōu)點(diǎn)是占用施工時(shí)間很短，設備簡(jiǎn)單，不干擾施工，成果快速，預報效果較好，而且為整個(gè)隧洞提供了完整的地質(zhì)資料；缺點(diǎn)是與隧洞夾角較大而又向前傾的結構面容易產(chǎn)生漏報。

　　4.3 物探法

　　4.3.1 彈性波法

　　4.3.1.1 TSP超前預報技術(shù)

　　TSP（Tunnel Seismic Prediction）超前預報系統是利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性來(lái)預報隧洞掌子面前方及周?chē)�臨近區域的地質(zhì)情況。該法屬多波多分量探測技術(shù)，可以檢測出掌子面前方巖性的變化，如不規則體、不連續面、斷層和破碎帶等。它可以在鉆爆法或TBM開(kāi)挖的隧洞中使用，而不必接近掌子面。數據采集時(shí)在隧洞一邊側墻等間隔鉆制20余個(gè)炮孔，而在兩側壁鉆取2個(gè)檢波器孔，使檢波器置入套管中，依次激發(fā)各炮，從掌子面前方任一波阻抗差異界面反射的信號及直達波信號將被2個(gè)三分量檢波器接收，該過(guò)程所需時(shí)間約1小時(shí)。然后利用TSPwin軟件處理可得P波和S波波場(chǎng)分布規律，其分析過(guò)程為：數據調整→帶通濾波→首波拾取→拾取處理→炮能量平衡→直達波損耗系數Q估算→反射波提取→P波、S波分離→速度分析→縱向深度位置搜索→反射界面提取等，最終顯示掌子面前方與隧道軸線(xiàn)相交的反射同相軸及其地質(zhì)解譯的二維或三維成果圖。由相應密度值，可算出預報區內巖體物理力學(xué)參數，進(jìn)而可劃分該區圍巖工程類(lèi)別。實(shí)踐表明該法有效預報距離100～200m.

　　通過(guò)分析反射波速度，即可進(jìn)行時(shí)深轉換，由隧洞軸的交角及洞面的距離來(lái)確定反射層所對應界面的空間位置和規模，再結合P波和S波的動(dòng)力學(xué)特征，遵循以下原則來(lái)推斷地質(zhì)體的性質(zhì)：①正反射振幅表明進(jìn)入硬巖層，負反射振幅表明進(jìn)入軟巖層；②若S波反射較P波強，則表明巖層飽水；③Vp/Vs增大或泊松比突然增大，常常由于流體的存在而引起；④若Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加。

　　TSP超前預報技術(shù)作為一種比較先進(jìn)的探測手段已在我國水利、水電、鐵路、公路、煤炭等系統的各類(lèi)隧洞或地下洞室工程中得到應用，如正在建設中的宜萬(wàn)鐵路野三關(guān)隧洞、遼寧大伙房水庫引水隧洞、云南元磨高速公路的大風(fēng)埡口和布垅箐隧洞等工程。它具有預報距離相對較長(cháng)、精度較高、提交資料及時(shí)、經(jīng)濟等優(yōu)點(diǎn)，尤其與隧洞軸線(xiàn)或呈大角度相交的面狀軟弱帶，如斷層、破碎帶、軟弱夾層、地下洞穴（含溶洞）以及地層的分界面等效果較好。而對不規則形態(tài)的地質(zhì)缺陷或與隧洞軸線(xiàn)平行的不良地質(zhì)體，如幾何形狀為圓柱體或圓錐體的溶洞、暗河及含水情況探測有一定的局限性。

　　4.3.1.2 地震負視速度法

　　它是將地震勘探中VSP法應用于近水平的隧洞中，也是利用地震反射波特征來(lái)預報隧洞開(kāi)挖面附近圍巖的地質(zhì)情況。在側壁的一定范圍內布置激震點(diǎn)進(jìn)行激發(fā)，其振動(dòng)信號在隧洞圍巖內傳播，當巖層波阻抗發(fā)生變化時(shí)，地震波信號將部分返回。反射界面與測線(xiàn)直立正交時(shí)，所接收的反射波與直達波在記錄圖像呈負視速度，其延長(cháng)線(xiàn)與直達波延長(cháng)線(xiàn)的交點(diǎn)即為反射界面的位置，縱、橫波共同分析還可了解反射界面兩側巖性及軟硬程度的變化。該法具有明顯的方向特征，可有效區分掌子面前方反射信號與周?chē)�干擾信息，提高了識別物性界面的精確度，能對其進(jìn)行較為準確的定位，預報距離可達100m以上。

　　觀(guān)測時(shí)在已開(kāi)挖洞段的側壁或底部布設，距掌子面一定距離布設一激震點(diǎn)和一系列接收點(diǎn)，采用多炮共道或多道共炮。當偏重于運動(dòng)學(xué)特征參數的應用時(shí)共炮與共道兩種記錄方式可任意選用；當要求測試設備簡(jiǎn)化與強調接收條件一致性時(shí)，宜采用多炮共道式；當強調動(dòng)力學(xué)參數的對比利用時(shí)，則宜選用多道共炮方式。為獲取“負視速度”，震源應在預報目的體的遠端，接收點(diǎn)間距采用小道間距，多道接收。根據需要與設備條件，可采用單分量、三分量或組合檢波器。

　　負視速度法的原理與TSP法基本相同，只是數據處理軟件的開(kāi)發(fā)尚難趕上TSP法。此法在實(shí)施預報時(shí)不占用開(kāi)挖工作面，對施工干擾相對較小，在鐵路隧洞工程中是常用的預報方法之一，如在渝懷鐵路圓梁山隧道正洞、平導和迂回導坑以及朔黃鐵路長(cháng)梁山隧洞施工中，均采用了負視速度法，取得了較好的預報效果。

　　4.3.1.3 TST超前預報技術(shù)

　　TST（Tunnel Seismic Tomography）超前預報系統是通過(guò)可視化地震反射成像技術(shù)預報隧洞掌子面前方150m范圍內的地質(zhì)情況，可準確預報斷裂帶、破碎帶、巖溶發(fā)育帶以及巖體工程類(lèi)別變化等地質(zhì)對象的位置、規模和性質(zhì)。該法數據采集用多道數字地震儀，處理軟件為三維地震分析成像系統。它充分運用地震反射波的運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，具有巖體波速掃描、地質(zhì)構造方向掃描、速度偏移成像、吸收系數成像、走時(shí)反演成像等多種功能，從巖體的力學(xué)性質(zhì)、巖體完整性等多方面對地質(zhì)情況進(jìn)行綜合預報。

　　測試時(shí)可在隧洞內掌子面、兩側、上頂和下底面，也可在隧洞外山頂布置。洞內觀(guān)測時(shí)檢波器埋入巖體1～1.5m，以避免聲波和面波干擾�？刹捎帽�炸或錘擊激發(fā)地震波。

　　TST軟件包括地震數據預處理和偏移成像等功能。預處理功能包括：①噪聲和干擾切除；②濾波和面波清除；③小波分析與信號加強；④地震波能量吸收譜分析；⑤地震波走時(shí)拾取。偏移成像功能包括：①速度掃描分析與巖體工程類(lèi)別判別；②方向掃描與構造產(chǎn)狀分析；③地質(zhì)界面速度偏移成像；④巖體完整性吸收偏移成像；⑤地震波走時(shí)地質(zhì)界面反演成像；⑥斷裂與破碎帶智能識別；

　　該技術(shù)在云南明珠隧洞應用取得了良好的效果，所得成果為：①地質(zhì)界面波速偏移成像；②巖體吸收特性偏移成像；③地震波走時(shí)反演成像；

　　4.3.1.4 水平聲波剖面法（HSP）

　　它利用孔間地震剖面法（ABSP）的原理及相應軟件開(kāi)發(fā)的一種超前預報方法。其原理是向巖體中輻射一定頻率的高頻地震波，當地震波遇到波阻抗分界面時(shí)，將發(fā)生折射、反射，頻譜特征也將發(fā)生變化，通過(guò)探測反射信號（接收頻率為聲波頻段的地震波），求得其傳播特征后，便可了解工作面前方的巖體特征。震源和檢波器的布置除離開(kāi)開(kāi)挖面對施工干擾較小外，還因反射波位于直達波、面波延續相位之外而不受干擾，因此記錄清晰、信噪比高、反射波同相軸明顯。

　　觀(guān)測時(shí)在隧洞的兩個(gè)側壁分別布設震源和檢波器，按其相對位置設計成兩種觀(guān)測方式即固定激發(fā)點(diǎn)（或接收點(diǎn)）和激發(fā)與接收點(diǎn)相錯斜交方式。震源在預報目的體的遠端，接收點(diǎn)間距采用小道間距，多道接收，構成“水平聲波剖面”。利用時(shí)差和頻差與地質(zhì)相結合的方法確定反射面的空間方位并“投影”到該剖面上，從而確定反射面的空間位置及性質(zhì)。其特點(diǎn)是各檢測點(diǎn)所接收的反射波路徑相等，反射波組合形態(tài)與反射界面形態(tài)相同，圖像直觀(guān)，同時(shí)觀(guān)測時(shí)也不影響掌子面的掘進(jìn)。

　　該法已在工程中得到應用，如渝懷鐵路的圓梁山隧洞、千溪溝隧洞等，均取得了較好效果。目前，該法數據采集單元和現場(chǎng)實(shí)測過(guò)程進(jìn)行了較大的改進(jìn)，可以在開(kāi)敞式TBM法施工的隧洞中掘進(jìn)機不停的情況下進(jìn)行測試，因而具有較大的優(yōu)越性，但尚處于研制和初步應用階段，例如在遼寧大伙房引水工程TBM2隧洞中進(jìn)行試驗。

　　4.3.1.5 TRT真地震反射成像技術(shù)

　　TRT（True Reflection Tomography）真地震反射成像法是利用巖體中不均勻面的反射地震波進(jìn)行超前探測，它是美國NSA工程公司近年開(kāi)發(fā)的新方法，國外已實(shí)際應用。該法在觀(guān)測方式和資料處理方法上與TSP法及負視速度法均有很大不同，它采用空間多點(diǎn)激發(fā)和接收的觀(guān)測方式，其檢波點(diǎn)和激發(fā)點(diǎn)呈空間分布，以便充分獲得空間場(chǎng)波信息，從而使前方不良地質(zhì)現象的定位精度大大提高；它的數據處理關(guān)鍵技術(shù)是速度掃描和偏移成像，不需要走時(shí)，因此，對巖體中反射界面位置的確定、巖體波速和工程類(lèi)別的劃分都有較高的精度，而且還具有較大的探測距離，應該說(shuō)較TSP法有較大的改進(jìn)。由實(shí)際應用知，TRT法在結晶巖體中的探測距離可達100～150m，在軟弱的土層和破碎的巖體中尚可預報60～100m.該法成功應用的例子很多，較典型的是奧地利的通過(guò)阿爾卑斯山的鐵路雙線(xiàn)隧洞施工中進(jìn)行了全程的超前預報。由于多種因素，目前國內尚未引進(jìn)該技術(shù)。

　　4.3.1.6 陸地聲納法

　　它是“陸上極小偏移距高頻彈性波反射連續剖面法”的簡(jiǎn)稱(chēng)，可在狹小的場(chǎng)地和基巖裸露的條件下，探查巖溶等有限物體。也稱(chēng)為高密度地震反射或地震映像法。施測時(shí)采用極小偏移距地震波激發(fā)—接收系統，進(jìn)行單點(diǎn)測量或在激震點(diǎn)兩側對稱(chēng)位置上各設一檢波器，一次激發(fā)兩道接收。源檢距的大小根據最小探查深度而定，以目的體反射波不受先到的干擾波影響為準。為提高分辨率，需激發(fā)和采集高頻信號。采用電聲轉換聲學(xué)發(fā)射裝置來(lái)激發(fā)頻率為幾千赫至幾十千赫的彈性波。由于可采集很寬頻率的反射信號，故可以用分窗口帶通濾波的方法處理資料，分別提取不同頻譜的信息，以突出不同規模的探查對象的反射圖像。

　　該法具有分辨率高、可避開(kāi)許多干擾波、反射波能量高、探查巖溶和洞穴效果好、圖像簡(jiǎn)單易辨等優(yōu)點(diǎn)，但需占用開(kāi)挖面工作時(shí)間且實(shí)測剖面較短。已在云臺山鐵路隧洞、南昆線(xiàn)鋁廠(chǎng)隧洞等工程中應用，預報距離50～100m.

　　4.3.1.7 面波法

　　分為穩態(tài)法和瞬態(tài)法。穩態(tài)法在掌子面上放置一個(gè)激振器，用計算機控制激振器使其產(chǎn)生各種不同波長(cháng)的波面，用兩個(gè)拾振器同時(shí)接到不同方向的振動(dòng)波，由計算機算出每一種波長(cháng)的面波傳播速度，根據面波的勘測深度等于波長(cháng)的二分之一的原理，即可得到一組不同深度的面波平均速度的分布規律，不同介質(zhì)面波的傳播速度不同。從不同面波速度分布圖，就可以反應出地質(zhì)構造的不同介面，如斷層、地下水等特性變化。瞬態(tài)法由于排列長(cháng)度的關(guān)系未見(jiàn)實(shí)際應用的報道。

　　此法需要的場(chǎng)地較小，適合在地下洞室開(kāi)挖面上工作，探測深度也能滿(mǎn)足施工預報的要求，對資料的分析判斷可在現場(chǎng)進(jìn)行，操作簡(jiǎn)便。已在南嶺隧洞中應用，很清楚地發(fā)現距工作面幾米處的斷層破碎帶。但該法在開(kāi)挖面上能探測多遠的距離，尚需進(jìn)一步實(shí)驗研究。

　　4.3.2 地質(zhì)雷達技術(shù)

　　利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，由掌子面通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)向前發(fā)射，當遇到異常地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時(shí)發(fā)生反射并返回，被接收天線(xiàn)接收，并由主機記錄下來(lái)，形成雷達剖面圖。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁波場(chǎng)強度以及波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此，根據接收到的電磁波特征，既波的旅行時(shí)間、幅度、頻率和波形等，通過(guò)雷達圖像的處理和分析，可確定掌子面前方界面或目標體的空間位置或結構特征。當前方巖體完整的情況下，可以預報30m的距離；當巖石不完整或存在構造的條件下，預報距離變小，甚至小于10m.雷達探測的效果主要取決于不同介質(zhì)的電性差異，即介電常數，若介質(zhì)之間的介電常數差異大，則探測效果就好。由于該法對空洞、水體等的反映較靈敏，因而在巖溶地區用得較普遍。缺點(diǎn)是洞內測試時(shí)，由于受干擾因素較多，往往造成假的異常，形成誤判。此外它預報的距離有限，一般以不超過(guò)30m，且要占用掌子面的工作時(shí)間。

　　應用地質(zhì)雷達進(jìn)行超前預報，在鉆爆法施工的隧洞中使用相對較多，如太平驛水電站引水隧洞、海南高速公路東線(xiàn)大茅隧洞等工程中應用，均取得了較好的應用效果。由于探測時(shí)需要占用掌子面的工作時(shí)間，故在掌子面上測試時(shí)需要停機進(jìn)行，因而TBM法施工的隧洞中應用時(shí)需作特殊研究解決。

　　4.3.3 紅外探水法

　　由于所有物體都發(fā)射出不可見(jiàn)的紅外線(xiàn)能量，該能量大小與物體的發(fā)射率成正比。而發(fā)射率的大小取決于物體的物質(zhì)和它的表面狀況。當掌子面前方及周邊介質(zhì)單一時(shí)，所測得的紅外場(chǎng)為正常場(chǎng)，當存在隱伏含水構造或有水時(shí)，他們所產(chǎn)生的場(chǎng)強要疊加到正常場(chǎng)上，從而使正常場(chǎng)產(chǎn)生畸變。據此判斷掌子面前方一定范圍內有無(wú)含水構造。

　　現場(chǎng)測試有兩種方法：一是在掌子面上，分上、中、下及左、中、右六條測線(xiàn)的交點(diǎn)測取9個(gè)數據，根據這9個(gè)數據之間的最大差值來(lái)判斷是否有水；二是在已挖洞段按左邊墻、拱部、右邊墻的順序進(jìn)行測試，每5m或3m測取一組數據，共測取50m或30m，并繪制相應的紅外輻射曲線(xiàn)，根據曲線(xiàn)的趨勢判斷前方有無(wú)含水。

　　掌子面上9個(gè)數據的最大差值大于10μw/cm²，就可以判定有水；紅外輻射曲線(xiàn)上升或下降均可以判定有水，其他情況判定無(wú)水。紅外探測的特點(diǎn)是可以實(shí)現對隧洞全空間、全方位的探測，儀器操作簡(jiǎn)單，能預測到隧洞外圍空間及掘進(jìn)前方30m范圍內是否存在隱伏水體或含水構造，而且可利用施工間歇期測試，基本不占用施工時(shí)間。但這種方法只能確定有無(wú)水，至于水量大小、賦水形態(tài)、具體位置沒(méi)有定量解釋。

　　4.3.4 BEAM法

　　BEAM（Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring），這是當前國際上唯一的一種電法超前預報方法，是由德國GEOHYDRAULIC DATA公司推出的產(chǎn)品。它是一種聚焦電流頻率域的激發(fā)極化方法，其最大特點(diǎn)是通過(guò)外圍的環(huán)狀電極發(fā)射一個(gè)屏障電流和在內部發(fā)射一個(gè)測量電流，以便電流聚焦進(jìn)入要探測的巖體中，通過(guò)得到一個(gè)與巖體中孔隙有關(guān)的電能儲存能力的參數PFE（Percentage frequency effect）的變化，預報前方巖體的完整性和含水性；它的另一個(gè)特點(diǎn)是所有的裝置都安裝在盾構挖掘機的刀頭（測量電極）和外側鋼環(huán)（屏蔽電流）上，也可裝在鉆爆法施工鉆頭的前方（測量電極）及兩側鋼架（屏蔽電流）上，隨著(zhù)隧洞掘進(jìn)，連續不斷獲得成果，并適時(shí)處理得出掌子面前方的PFE曲線(xiàn)。由此預報前方巖體的性狀及含水情況。這種儀器在歐洲許多國家都已得到應用，但在我國尚未引進(jìn)。

　　4.4 地質(zhì)物探綜合分析法

　　要推動(dòng)隧洞超前預報水平，提高預報準確度，就必須將地質(zhì)調查方法與多種物探方法有機結合起來(lái)，對地質(zhì)物探資料進(jìn)行系統處理和綜合分析。其工作方法和主要內容為：

　�、� 收集、熟悉地質(zhì)資料：了解工程區內宏觀(guān)的地質(zhì)環(huán)境、大型構造形跡的發(fā)育分布規律以及工程圍巖所處的具體構造部位、巖體的結構特征、節理裂隙發(fā)育程度、巖體完整性、巖石（體）強度、地下水狀態(tài)等；掌握全隧洞的地質(zhì)背景，指出存在的不良地質(zhì)問(wèn)題和地段，還要知道各段圍巖的穩定程度、可能發(fā)生地質(zhì)災害的位置、規模、性質(zhì)和防治措施，目的在于保證隧洞施工設計、施工方法和措施能順應地質(zhì)情況的變化適時(shí)做出調整和修改。

　�、� 施工地質(zhì)編錄：對已開(kāi)挖洞段地質(zhì)狀態(tài)作詳細真實(shí)的描述，可作為超前預報的依據，該內容包括巖性、巖石堅硬程度及完整情況、斷層及破碎帶、節理裂隙、地下水狀態(tài)、不良地質(zhì)現象等作編錄。

　�、� 圍巖特性測試：根據工程需要，對巖石物理力學(xué)特性進(jìn)行補充測試，如巖石點(diǎn)荷載強度、巖石回彈值、巖體彈性模量、軟弱面剪切強度等，有時(shí)還應進(jìn)行初始地應力和二次應力場(chǎng)的測試等。上述數據是預報圍巖穩定性的重要參數。

　�、� 地球物理探測：根據巖體不同物理性質(zhì)量測一定距離以?xún)鹊奈锢砹�學(xué)參數的變化，據此判斷出隧洞工作面前方的地質(zhì)情況。采用多種物探儀器進(jìn)行超前探測，常用的物探方法有地震反射、聲波反射、地質(zhì)雷達、TSP203隧道超前地質(zhì)預報系統等技術(shù)。

　�、� 地質(zhì)物探綜合分析：組成以地質(zhì)工程師為主物探及相關(guān)工程技術(shù)人員的施工地質(zhì)組，對上述地質(zhì)和物理探測資料進(jìn)行整理和綜合分析，最后做出施工面前方不良地質(zhì)問(wèn)題的預測預報。

　　5、結語(yǔ)

　　以上較為詳細的介紹了當前我國隧洞施工超前預報的現狀及其探測技術(shù)。筆者認為：實(shí)施超前預報應首先收集和熟悉已有資料，提出預報探測的計劃和重點(diǎn)；然后配合施工進(jìn)程，開(kāi)展地表補充調查和洞內地質(zhì)素描，以施工地質(zhì)調查資料為依據，演繹隧洞內需要超前探測段的地質(zhì)理想模型；接著(zhù)選擇一種以上對施工干擾少、探測時(shí)間短的有望達到預報目標的物探技術(shù)，開(kāi)展室內和現場(chǎng)實(shí)測；最后組成地質(zhì)、物探及相關(guān)工程專(zhuān)業(yè)人員的分析組，對地質(zhì)和物探資料進(jìn)行系統處理和綜合分析，提出預報意見(jiàn)。

　　為提高超前預報精度，有必要對現有技術(shù)方法進(jìn)行改進(jìn)，尤其是觀(guān)測方法應全方位進(jìn)行，以獲得三維空間圍巖性態(tài)，提高定位精度。資料處理應建立不同地質(zhì)界面的特征識別模式，提高判別準確性。

　　目前國內正在進(jìn)行大規模的水利水電、鐵路和公路工程建設，需要修建大量的隧洞和洞室，而投入合理的超前預報技術(shù)將在減少和消除地下工程的災害發(fā)揮巨大作用。

　　由于隧洞工程超前預報工作目前尚有許多不成熟之處，因此需在實(shí)踐過(guò)程中不斷總結和提高。

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