隧洞施工超前預(yù)報(bào)現(xiàn)狀概述

　　前言

　　隧洞建設(shè)中對(duì)工程地質(zhì)條件的認(rèn)知和掌握程度是確?？焖佟踩藿ǖ臎Q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(dāng)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(fù)雜多變，期望在施工前完全查明工程巖體的狀態(tài)、特性，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)隧洞施工中可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的位置、性質(zhì)和規(guī)模是十分困難的。因此，世界各國(guó)隧洞工程界都十分重視超前預(yù)報(bào)工作。

　　隧洞開(kāi)挖中引發(fā)災(zāi)難的因素是多種多樣的(如地下水、有毒或易燃?xì)怏w、高地溫、巖爆等)，而由于人們對(duì)地質(zhì)特性認(rèn)識(shí)不足、施工方法不當(dāng)也可引起災(zāi)害(如塌方冒頂?shù)?。人們對(duì)地層物理、化學(xué)性能的了解和巖體本身結(jié)構(gòu)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，需通過(guò)多種勘探試驗(yàn)手段，才能獲得定性和定量分析的依據(jù)。
　　地下工程超前預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)不同，超前預(yù)報(bào)主要是加強(qiáng)施工期間的地質(zhì)工作，是在開(kāi)挖之前，除根據(jù)開(kāi)挖時(shí)揭露出來(lái)的實(shí)際地質(zhì)情況，校正補(bǔ)充地勘時(shí)未能查到的資料外，還要根據(jù)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(yù)先采取措施；而監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)是在開(kāi)挖以后，預(yù)報(bào)因圍巖變形而產(chǎn)生的各種破壞。

　　盡管隧洞施工超前預(yù)報(bào)已引起國(guó)內(nèi)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(tǒng)的普遍適用的方法，國(guó)內(nèi)外隧洞工程的重大地質(zhì)災(zāi)害仍時(shí)有發(fā)生。因此，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)開(kāi)挖前方的地質(zhì)條件是隧洞建設(shè)者們的迫切要求，二十世紀(jì)八十年代以來(lái)世界各國(guó)都把這類問(wèn)題列為重點(diǎn)研究課題。但是隧洞施工超前預(yù)報(bào)又是一項(xiàng)復(fù)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(jié)、完善和提高，要真正搞好隧洞施工超前預(yù)報(bào)任重道遠(yuǎn)。

　　1 超前預(yù)報(bào)目的

　　開(kāi)挖前對(duì)地質(zhì)情況的了解，對(duì)于隧洞建設(shè)有著十分重要的作用。通過(guò)超前預(yù)報(bào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性，為正確選擇開(kāi)挖斷面、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預(yù)防隧洞涌水、突泥、突氣等可能形成的災(zāi)害性事故及時(shí)提供信息，使工程單位提前做好施工準(zhǔn)備，保證施工安全，同時(shí)還可節(jié)約大量資金。所以隧洞超前預(yù)報(bào)對(duì)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(jié)約投資等具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

　　2 超前預(yù)報(bào)內(nèi)容

　　隧洞施工超前預(yù)報(bào)的內(nèi)容一般包括：

　?、俨涣嫉刭|(zhì)預(yù)報(bào)及災(zāi)害地質(zhì)預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)掌子面前方一定范圍內(nèi)有無(wú)突水、突泥、巖爆及有害氣體等，并查明其范圍、規(guī)模、性質(zhì)，提出施工措施或建議；

　?、谒牡刭|(zhì)預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)洞內(nèi)突涌水量的大小及其變化規(guī)律，并評(píng)價(jià)其對(duì)環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)的影響；

　?、蹟鄬蛹捌淦扑閹У念A(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)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?dāng)鄬?，并判斷其穩(wěn)定程度，提出施工對(duì)策；

　?、車鷰r類別及其穩(wěn)定性預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)掌子面前方的圍巖類別與設(shè)計(jì)是否吻合，并判斷其穩(wěn)定性，隨時(shí)提供修改設(shè)計(jì)、調(diào)整支護(hù)類型、確定二次襯砌時(shí)間的建議等；

　?、蓊A(yù)測(cè)隧洞內(nèi)有害氣體含量、成分及動(dòng)態(tài)變化； 

　　3 隧洞施工超前預(yù)報(bào)分類

　　如何對(duì)隧洞施工超前預(yù)報(bào)合理分類，目前國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)到系統(tǒng)的分類標(biāo)準(zhǔn)。但超前預(yù)報(bào)分類的必要性是顯而易見(jiàn)的：

　?、僬_的分類是制定有關(guān)規(guī)程、細(xì)則或指南所需要的；

　　②正確的分類有利于把超前預(yù)報(bào)納入施工計(jì)劃和管理的全過(guò)程；

　?、壅_的分類有利于指導(dǎo)科研立題及其管理。

　　根據(jù)隧洞施工超前預(yù)報(bào)的內(nèi)容和目的以及實(shí)際預(yù)報(bào)中的作用，結(jié)合我國(guó)隧洞施工超前預(yù)報(bào)的客觀實(shí)際，以下簡(jiǎn)要介紹隧洞施工超前預(yù)報(bào)分類的初步設(shè)想。

　　3.1 按預(yù)報(bào)的作用劃分

　?、?nbsp;常規(guī)預(yù)報(bào)：是勘測(cè)設(shè)計(jì)階段地質(zhì)工作的繼續(xù)，也是隧洞施工的一個(gè)作業(yè)過(guò)程。其目的是結(jié)合施工進(jìn)程，收集地質(zhì)資料，判斷圍巖類別，了解掌子面前方短距離內(nèi)的工程地質(zhì)條件，為正確選擇斷面大小、襯砌類型、施工方法和支護(hù)設(shè)計(jì)或修改施工設(shè)計(jì)等提供依據(jù)，其成果可作為隧洞竣工后維修養(yǎng)護(hù)參考。該預(yù)報(bào)是短距離預(yù)報(bào)的主要任務(wù)，目前已有比較成熟的經(jīng)驗(yàn)。多以地質(zhì)素描為主，配合簡(jiǎn)單的物探測(cè)試了解掌子面前方地質(zhì)條件。常規(guī)預(yù)報(bào)應(yīng)以施工單位為主，作定量預(yù)報(bào)、并結(jié)合施工進(jìn)行，預(yù)報(bào)時(shí)盡量不占或少占施工作業(yè)時(shí)間。

　?、?nbsp;成災(zāi)預(yù)報(bào)：隧洞施工中的地質(zhì)災(zāi)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(dǎo)致施工失去控制的非常事件。該事件可引起人員傷亡、機(jī)械設(shè)備失效并嚴(yán)重破壞、甚至被迫長(zhǎng)時(shí)間停工，致使工程部門(mén)蒙受重大的經(jīng)濟(jì)損失。隧洞地質(zhì)災(zāi)害主要有大規(guī)模塌方、涌水、涌泥、涌石、巖爆、瓦斯等。成災(zāi)預(yù)報(bào)是對(duì)可能的災(zāi)害性地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)，以指導(dǎo)隧洞施工中的防災(zāi)和減災(zāi)工作。該預(yù)報(bào)是中、長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)的主要任務(wù)，是為隧洞施工戰(zhàn)略決策服務(wù)的。對(duì)可能成災(zāi)的地質(zhì)條件，應(yīng)從設(shè)計(jì)和施工方法上考慮特殊對(duì)策，否則可按常規(guī)預(yù)報(bào)進(jìn)行。成災(zāi)預(yù)報(bào)應(yīng)由設(shè)計(jì)、科研、施工單位組成專家小組，采用地質(zhì)、物探綜合分析法進(jìn)行定性和定量預(yù)報(bào)，并視工作需要占用部分施工作業(yè)時(shí)間。
　?、?nbsp;專門(mén)預(yù)報(bào)：對(duì)特殊地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行預(yù)報(bào)，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(dāng)，甚至可能釀成大的地質(zhì)災(zāi)害。可見(jiàn)，專門(mén)預(yù)報(bào)也是隧洞施工預(yù)報(bào)的重要內(nèi)容之一。該預(yù)報(bào)應(yīng)由設(shè)計(jì)、科研和施工部門(mén)組成專門(mén)小組，采用綜合手段作定性和定量預(yù)報(bào)。

　　3.2 按距掌子面的距離劃分

　　隧洞施工超前預(yù)報(bào)距離與隧洞施工速度和工程實(shí)際需要密切相關(guān)。結(jié)合我國(guó)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：

　?、?nbsp;短距離預(yù)報(bào)：0～15m。就我國(guó)目前快速施工的水平，一般采用鉆爆與TBM相結(jié)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(yù)報(bào)三個(gè)循環(huán)的前方地質(zhì)條件，即能滿足安全施工要求。根據(jù)我國(guó)目前的探測(cè)技術(shù)，要預(yù)報(bào)掌子面前方15m范圍內(nèi)的地質(zhì)條件并不困難，且測(cè)試基本可與施工同步進(jìn)行。對(duì)成災(zāi)預(yù)報(bào)而言，短距離預(yù)報(bào)相當(dāng)于臨災(zāi)預(yù)報(bào)或防災(zāi)處理階段。

　?、?nbsp;中距離預(yù)報(bào)：15～50m。對(duì)于防災(zāi)預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)，只有15m范圍內(nèi)的臨災(zāi)預(yù)報(bào)是不夠的。發(fā)現(xiàn)有可能成災(zāi)的地質(zhì)條件，馬上要準(zhǔn)備處理，顯然太緊張。比較理想至少應(yīng)有30m的距離。因此，進(jìn)行范圍超過(guò)15m的中距離預(yù)報(bào)是隧洞施工所必須的。另外，從目前已有的預(yù)報(bào)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(cè)已十分有效。說(shuō)明物探方法在中、長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)中是有潛力的。

　?、?nbsp;長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)：50m以上為長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)。

　　3.3 按采用的手段劃分

　?、?nbsp;經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)：在以往工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，憑感覺(jué)就能進(jìn)行的預(yù)報(bào)。它對(duì)臨災(zāi)預(yù)報(bào)有特殊意義，如鑿孔過(guò)程中發(fā)現(xiàn)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(xiàn)巖塊彈射現(xiàn)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(yù)報(bào)法或地質(zhì)分析法的預(yù)報(bào)效果與從事預(yù)報(bào)人員的經(jīng)驗(yàn)豐富程度密切相關(guān)。

　?、?nbsp;采用儀器預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)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(jī)；物探方法需各種物探儀器等。

　　⑶ 綜合預(yù)報(bào)：地質(zhì)體是復(fù)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(yīng)采用綜合預(yù)報(bào)方法。根據(jù)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(bǔ)充和印證，才能獲得良好效果。

　　3.4 按精度劃分

　?、?nbsp;定量預(yù)報(bào)：“定量”是對(duì)前方地質(zhì)體具體位置、規(guī)模、設(shè)計(jì)參數(shù)變化等給出量的概念；對(duì)災(zāi)害性地質(zhì)條件，除明確災(zāi)害性質(zhì)外，還應(yīng)明確可能成災(zāi)的位置、規(guī)模和影響范圍等。當(dāng)然對(duì)量的精度要求也是相對(duì)的，如短距離預(yù)報(bào)精度要求最高；中距離預(yù)報(bào)精度要求次之；長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)則以定性為主，強(qiáng)調(diào)戰(zhàn)略上的指導(dǎo)作用。

　?、?nbsp;定性預(yù)報(bào)：定性是對(duì)定量而言。定性一定要準(zhǔn)，具體位置的精度可不作嚴(yán)格規(guī)定。

　　4 超前預(yù)報(bào)方法

　　4.1 直接預(yù)報(bào)法

　　4.1.1 水平鉆孔

　　在隧洞內(nèi)安放水平鉆機(jī)進(jìn)行水平鉆進(jìn)，根據(jù)鉆孔資料來(lái)推斷隧洞前方的地質(zhì)情況。鉆孔數(shù)量、角度及鉆孔深度可人為設(shè)計(jì)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(yù)報(bào)。此法可以反映巖體的大概情況，比較直觀，施工人員可根據(jù)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(dǎo)洞內(nèi)布置鉆孔，也可在主洞工作面上進(jìn)行鉆探，用以獲得準(zhǔn)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(yù)報(bào)最有效方法之一，但也存在不足之處：①對(duì)垂直隧洞軸線的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面預(yù)報(bào)效果較好，與隧洞軸線平行的結(jié)構(gòu)面預(yù)報(bào)較差；②需占用較長(zhǎng)的施工作業(yè)時(shí)間，費(fèi)用較高。 [Page]

　　4.1.2 超前導(dǎo)坑

　　按導(dǎo)坑與正洞的相互位置分為平行導(dǎo)坑和正洞導(dǎo)坑。其中，平行導(dǎo)坑與正洞平行，斷面小且和正洞之間有一定距離，通過(guò)對(duì)導(dǎo)坑開(kāi)挖中遇到的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面或地下水等情況作地質(zhì)記錄與分析，進(jìn)而對(duì)正洞地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)。該法的優(yōu)點(diǎn)是：預(yù)報(bào)成果比較直觀、精度高、預(yù)報(bào)的距離長(zhǎng)、便于施工人員安排施工計(jì)劃和調(diào)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(gòu)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(kuò)建成第二條隧洞之用。正洞導(dǎo)坑布置在正洞中，是正洞的一部分，其作用與平行導(dǎo)坑相比，效果更好。超前導(dǎo)坑的缺陷為：一是成本太高，有時(shí)需要全洞進(jìn)行平導(dǎo)開(kāi)挖；二是施工工期較長(zhǎng)。

　　4.2 地質(zhì)分析法

　　4.2.1 斷層參數(shù)預(yù)測(cè)法

　　利用斷層影響帶的特殊節(jié)理或集中帶的分布規(guī)律，通過(guò)對(duì)斷層影響帶的系統(tǒng)編錄所得經(jīng)驗(yàn)公式，來(lái)預(yù)報(bào)隧洞斷層破碎帶的位置和規(guī)模。由于大多數(shù)不良地質(zhì)現(xiàn)象與斷層破碎帶有密切的關(guān)系，故依據(jù)斷層破碎帶推斷其它不良地質(zhì)體的位置和規(guī)模。

　　4.2.2 地質(zhì)體投射法

　　在地表準(zhǔn)確鑒別不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、規(guī)模和巖體質(zhì)量及精確測(cè)定不良地質(zhì)體產(chǎn)狀的基礎(chǔ)上，應(yīng)用地質(zhì)界面和地質(zhì)體透射公式進(jìn)行預(yù)報(bào)。

　　4.2.3 正洞地質(zhì)編錄與預(yù)報(bào)

　　隧洞施工中，及時(shí)對(duì)其開(kāi)挖面(掌子面、邊墻面和拱頂面)上的各種地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)繪和記錄，利用已挖洞段地質(zhì)情況來(lái)預(yù)報(bào)前方可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象。它分為①巖層巖性和層位預(yù)測(cè)法：在開(kāi)挖面揭露巖層與地表某段巖層為同層和確認(rèn)標(biāo)志層的前提下，用地表巖層的層序預(yù)測(cè)掌子面前方將要出現(xiàn)的巖層；②地質(zhì)體延伸預(yù)測(cè)法：在長(zhǎng)期預(yù)報(bào)得出不良地質(zhì)體厚度的基礎(chǔ)上，依據(jù)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(shù)運(yùn)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(duì)開(kāi)挖面地質(zhì)情況如實(shí)而準(zhǔn)確的反映。其主要內(nèi)容包括地層巖性、構(gòu)造和節(jié)理裂隙發(fā)育情況、地下水狀態(tài)、圍巖穩(wěn)定性及初期支護(hù)采用方法等。其優(yōu)點(diǎn)是占用施工時(shí)間很短，設(shè)備簡(jiǎn)單，不干擾施工，成果快速，預(yù)報(bào)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(jié)構(gòu)面容易產(chǎn)生漏報(bào)。

　　4.3 物探法

　　4.3.1 彈性波法

　　4.3.1.1 TSP超前預(yù)報(bào)技術(shù)

　　TSP(Tunnel Seismic Prediction)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)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(yù)報(bào)隧洞掌子面前方及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)情況。該法屬多波多分量探測(cè)技術(shù)，可以檢測(cè)出掌子面前方巖性的變化，如不規(guī)則體、不連續(xù)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(shù)據(jù)采集時(shí)在隧洞一邊側(cè)墻等間隔鉆制20余個(gè)炮孔，而在兩側(cè)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(hào)及直達(dá)波信號(hào)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(guī)律，其分析過(guò)程為：數(shù)據(jù)調(diào)整→帶通濾波→首波拾取→拾取處理→炮能量平衡→直達(dá)波損耗系數(shù)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(yīng)密度值，可算出預(yù)報(bào)區(qū)內(nèi)巖體物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而可劃分該區(qū)圍巖工程類別。實(shí)踐表明該法有效預(yù)報(bào)距離100～200m。

　　通過(guò)分析反射波速度，即可進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，由隧洞軸的交角及洞面的距離來(lái)確定反射層所對(duì)應(yīng)界面的空間位置和規(guī)模，再結(jié)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(fù)反射振幅表明進(jìn)入軟巖層；②若S波反射較P波強(qiáng)，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(yù)報(bào)技術(shù)作為一種比較先進(jìn)的探測(cè)手段已在我國(guó)水利、水電、鐵路、公路、煤炭等系統(tǒng)的各類隧洞或地下洞室工程中得到應(yīng)用，如正在建設(shè)中的宜萬(wàn)鐵路野三關(guān)隧洞、遼寧大伙房水庫(kù)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(yù)報(bào)距離相對(duì)較長(zhǎng)、精度較高、提交資料及時(shí)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，尤其與隧洞軸線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(duì)不規(guī)則形態(tài)的地質(zhì)缺陷或與隧洞軸線平行的不良地質(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(cè)有一定的局限性。

　　4.3.1.2 地震負(fù)視速度法

　　它是將地震勘探中VSP法應(yīng)用于近水平的隧洞中，也是利用地震反射波特征來(lái)預(yù)報(bào)隧洞開(kāi)挖面附近圍巖的地質(zhì)情況。在側(cè)壁的一定范圍內(nèi)布置激震點(diǎn)進(jìn)行激發(fā)，其振動(dòng)信號(hào)在隧洞圍巖內(nèi)傳播，當(dāng)巖層波阻抗發(fā)生變化時(shí)，地震波信號(hào)將部分返回。反射界面與測(cè)線直立正交時(shí)，所接收的反射波與直達(dá)波在記錄圖像呈負(fù)視速度，其延長(zhǎng)線與直達(dá)波延長(zhǎng)線的交點(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(cè)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(qū)分掌子面前方反射信號(hào)與周圍干擾信息，提高了識(shí)別物性界面的精確度，能對(duì)其進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定位，預(yù)報(bào)距離可達(dá)100m以上。

　　觀測(cè)時(shí)在已開(kāi)挖洞段的側(cè)壁或底部布設(shè)，距掌子面一定距離布設(shè)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(dāng)偏重于運(yùn)動(dòng)學(xué)特征參數(shù)的應(yīng)用時(shí)共炮與共道兩種記錄方式可任意選用；當(dāng)要求測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)化與強(qiáng)調(diào)接收條件一致性時(shí)，宜采用多炮共道式；當(dāng)強(qiáng)調(diào)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的對(duì)比利用時(shí)，則宜選用多道共炮方式。為獲取“負(fù)視速度”，震源應(yīng)在預(yù)報(bào)目的體的遠(yuǎn)端，接收點(diǎn)間距采用小道間距，多道接收。根據(jù)需要與設(shè)備條件，可采用單分量、三分量或組合檢波器。

　　負(fù)視速度法的原理與TSP法基本相同，只是數(shù)據(jù)處理軟件的開(kāi)發(fā)尚難趕上TSP法。此法在實(shí)施預(yù)報(bào)時(shí)不占用開(kāi)挖工作面，對(duì)施工干擾相對(duì)較小，在鐵路隧洞工程中是常用的預(yù)報(bào)方法之一，如在渝懷鐵路圓梁山隧道正洞、平導(dǎo)和迂回導(dǎo)坑以及朔黃鐵路長(zhǎng)梁山隧洞施工中，均采用了負(fù)視速度法，取得了較好的預(yù)報(bào)效果。

　　4.3.1.3 TST超前預(yù)報(bào)技術(shù)

　　TST(Tunnel Seismic Tomography)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)是通過(guò)可視化地震反射成像技術(shù)預(yù)報(bào)隧洞掌子面前方150m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，可準(zhǔn)確預(yù)報(bào)斷裂帶、破碎帶、巖溶發(fā)育帶以及巖體工程類別變化等地質(zhì)對(duì)象的位置、規(guī)模和性質(zhì)。該法數(shù)據(jù)采集用多道數(shù)字地震儀，處理軟件為三維地震分析成像系統(tǒng)。它充分運(yùn)用地震反射波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，具有巖體波速掃描、地質(zhì)構(gòu)造方向掃描、速度偏移成像、吸收系數(shù)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(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)。

　　測(cè)試時(shí)可在隧洞內(nèi)掌子面、兩側(cè)、上頂和下底面，也可在隧洞外山頂布置。洞內(nèi)觀測(cè)時(shí)檢波器埋入巖體1～1.5m，以避免聲波和面波干擾。可采用爆炸或錘擊激發(fā)地震波。

　　TST軟件包括地震數(shù)據(jù)預(yù)處理和偏移成像等功能。預(yù)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(hào)加強(qiáng)；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別判別；②方向掃描與構(gòu)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(shí)別；

　　該技術(shù)在云南明珠隧洞應(yīng)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(yīng)軟件開(kāi)發(fā)的一種超前預(yù)報(bào)方法。其原理是向巖體中輻射一定頻率的高頻地震波，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅讲ㄗ杩狗纸缑鏁r(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(cè)反射信號(hào)(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(duì)施工干擾較小外，還因反射波位于直達(dá)波、面波延續(xù)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。 [Page]

　　觀測(cè)時(shí)在隧洞的兩個(gè)側(cè)壁分別布設(shè)震源和檢波器，按其相對(duì)位置設(shè)計(jì)成兩種觀測(cè)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(cuò)斜交方式。震源在預(yù)報(bào)目的體的遠(yuǎn)端，接收點(diǎn)間距采用小道間距，多道接收，構(gòu)成“水平聲波剖面”。利用時(shí)差和頻差與地質(zhì)相結(jié)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(cè)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，同時(shí)觀測(cè)時(shí)也不影響掌子面的掘進(jìn)。

　　該法已在工程中得到應(yīng)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(shù)據(jù)采集單元和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(jī)不停的情況下進(jìn)行測(cè)試，因而具有較大的優(yōu)越性，但尚處于研制和初步應(yīng)用階段，例如在遼寧大伙房引水工程TBM2隧洞中進(jìn)行試驗(yàn)。

　　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(cè)，它是美國(guó)NSA工程公司近年開(kāi)發(fā)的新方法，國(guó)外已實(shí)際應(yīng)用。該法在觀測(cè)方式和資料處理方法上與TSP法及負(fù)視速度法均有很大不同，它采用空間多點(diǎn)激發(fā)和接收的觀測(cè)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(xiàn)象的定位精度大大提高；它的數(shù)據(jù)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(duì)巖體中反射界面位置的確定、巖體波速和工程類別的劃分都有較高的精度，而且還具有較大的探測(cè)距離，應(yīng)該說(shuō)較TSP法有較大的改進(jìn)。由實(shí)際應(yīng)用知，TRT法在結(jié)晶巖體中的探測(cè)距離可達(dá)100～150m，在軟弱的土層和破碎的巖體中尚可預(yù)報(bào)60～100m。該法成功應(yīng)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隧洞施工中進(jìn)行了全程的超前預(yù)報(bào)。由于多種因素，目前國(guó)內(nèi)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(xù)剖面法”的簡(jiǎn)稱，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。也稱為高密度地震反射或地震映像法。施測(cè)時(shí)采用極小偏移距地震波激發(fā)—接收系統(tǒng)，進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量或在激震點(diǎn)兩側(cè)對(duì)稱位置上各設(shè)一檢波器，一次激發(fā)兩道接收。源檢距的大小根據(jù)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(zhǔn)。為提高分辨率，需激發(fā)和采集高頻信號(hào)。采用電聲轉(zhuǎn)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(hào)，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(guī)模的探查對(duì)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(cè)剖面較短。已在云臺(tái)山鐵路隧洞、南昆線鋁廠隧洞等工程中應(yīng)用，預(yù)報(bào)距離50～100m。

　　4.3.1.7 面波法

　　分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法在掌子面上放置一個(gè)激振器，用計(jì)算機(jī)控制激振器使其產(chǎn)生各種不同波長(zhǎng)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(jì)算機(jī)算出每一種波長(zhǎng)的面波傳播速度，根據(jù)面波的勘測(cè)深度等于波長(zhǎng)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(guī)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(yīng)出地質(zhì)構(gòu)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(zhǎng)度的關(guān)系未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用的報(bào)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(cè)深度也能滿足施工預(yù)報(bào)的要求，對(duì)資料的分析判斷可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，操作簡(jiǎn)便。已在南嶺隧洞中應(yīng)用，很清楚地發(fā)現(xiàn)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(cè)多遠(yuǎn)的距離，尚需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

　　4.3.2 地質(zhì)雷達(dá)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)射天線向前發(fā)射，當(dāng)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，被接收天線接收，并由主機(jī)記錄下來(lái)，形成雷達(dá)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(qiáng)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(jù)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(dá)圖像的處理和分析，可確定掌子面前方界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)前方巖體完整的情況下，可以預(yù)報(bào)30m的距離；當(dāng)巖石不完整或存在構(gòu)造的條件下，預(yù)報(bào)距離變小，甚至小于10m。雷達(dá)探測(cè)的效果主要取決于不同介質(zhì)的電性差異，即介電常數(shù)，若介質(zhì)之間的介電常數(shù)差異大，則探測(cè)效果就好。由于該法對(duì)空洞、水體等的反映較靈敏，因而在巖溶地區(qū)用得較普遍。缺點(diǎn)是洞內(nèi)測(cè)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(yù)報(bào)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(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，在鉆爆法施工的隧洞中使用相對(duì)較多，如太平驛水電站引水隧洞、海南高速公路東線大茅隧洞等工程中應(yīng)用，均取得了較好的應(yīng)用效果。由于探測(cè)時(shí)需要占用掌子面的工作時(shí)間，故在掌子面上測(cè)試時(shí)需要停機(jī)進(jìn)行，因而TBM法施工的隧洞中應(yīng)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(dāng)掌子面前方及周邊介質(zhì)單一時(shí)，所測(cè)得的紅外場(chǎng)為正常場(chǎng)，當(dāng)存在隱伏含水構(gòu)造或有水時(shí)，他們所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)要疊加到正常場(chǎng)上，從而使正常場(chǎng)產(chǎn)生畸變。據(jù)此判斷掌子面前方一定范圍內(nèi)有無(wú)含水構(gòu)造。 [Page]

　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試有兩種方法：一是在掌子面上，分上、中、下及左、中、右六條測(cè)線的交點(diǎn)測(cè)取9個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)這9個(gè)數(shù)據(jù)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(cè)試，每5m或3m測(cè)取一組數(shù)據(jù)，共測(cè)取50m或30m，并繪制相應(yīng)的紅外輻射曲線，根據(jù)曲線的趨勢(shì)判斷前方有無(wú)含水。

　　掌子面上9個(gè)數(shù)據(jù)的最大差值大于10μw/cm2，就可以判定有水；紅外輻射曲線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(cè)的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧洞全空間、全方位的探測(cè)，儀器操作簡(jiǎn)單，能預(yù)測(cè)到隧洞外圍空間及掘進(jìn)前方30m范圍內(nèi)是否存在隱伏水體或含水構(gòu)造，而且可利用施工間歇期測(cè)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(dāng)前國(guó)際上唯一的一種電法超前預(yù)報(bào)方法，是由德國(guó)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(nèi)部發(fā)射一個(gè)測(cè)量電流，以便電流聚焦進(jìn)入要探測(cè)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(chǔ)存能力的參數(shù)PFE(Percentage frequency effect)的變化，預(yù)報(bào)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(gòu)挖掘機(jī)的刀頭(測(cè)量電極)和外側(cè)鋼環(huán)(屏蔽電流)上，也可裝在鉆爆法施工鉆頭的前方(測(cè)量電極)及兩側(cè)鋼架(屏蔽電流)上，隨著隧洞掘進(jìn)，連續(xù)不斷獲得成果，并適時(shí)處理得出掌子面前方的PFE曲線。由此預(yù)報(bào)前方巖體的性狀及含水情況。這種儀器在歐洲許多國(guó)家都已得到應(yīng)用，但在我國(guó)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(yù)報(bào)水平，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度，就必須將地質(zhì)調(diào)查方法與多種物探方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)，對(duì)地質(zhì)物探資料進(jìn)行系統(tǒng)處理和綜合分析。其工作方法和主要內(nèi)容為：

　?、?nbsp;收集、熟悉地質(zhì)資料：了解工程區(qū)內(nèi)宏觀的地質(zhì)環(huán)境、大型構(gòu)造形跡的發(fā)育分布規(guī)律以及工程圍巖所處的具體構(gòu)造部位、巖體的結(jié)構(gòu)特征、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、巖體完整性、巖石(體)強(qiáng)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(wěn)定程度、可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的位置、規(guī)模、性質(zhì)和防治措施，目的在于保證隧洞施工設(shè)計(jì)、施工方法和措施能順應(yīng)地質(zhì)情況的變化適時(shí)做出調(diào)整和修改。 [Page]

　?、?nbsp;施工地質(zhì)編錄：對(duì)已開(kāi)挖洞段地質(zhì)狀態(tài)作詳細(xì)真實(shí)的描述，可作為超前預(yù)報(bào)的依據(jù)，該內(nèi)容包括巖性、巖石堅(jiān)硬程度及完整情況、斷層及破碎帶、節(jié)理裂隙、地下水狀態(tài)、不良地質(zhì)現(xiàn)象等作編錄。

　?、?nbsp;圍巖特性測(cè)試：根據(jù)工程需要，對(duì)巖石物理力學(xué)特性進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)試，如巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度、巖石回彈值、巖體彈性模量、軟弱面剪切強(qiáng)度等，有時(shí)還應(yīng)進(jìn)行初始地應(yīng)力和二次應(yīng)力場(chǎng)的測(cè)試等。上述數(shù)據(jù)是預(yù)報(bào)圍巖穩(wěn)定性的重要參數(shù)。

　　⑷ 地球物理探測(cè)：根據(jù)巖體不同物理性質(zhì)量測(cè)一定距離以內(nèi)的物理力學(xué)參數(shù)的變化，據(jù)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(cè)，常用的物探方法有地震反射、聲波反射、地質(zhì)雷達(dá)、TSP203隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)等技術(shù)。

　?、?nbsp;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(duì)上述地質(zhì)和物理探測(cè)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(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　以上較為詳細(xì)的介紹了當(dāng)前我國(guó)隧洞施工超前預(yù)報(bào)的現(xiàn)狀及其探測(cè)技術(shù)。筆者認(rèn)為：實(shí)施超前預(yù)報(bào)應(yīng)首先收集和熟悉已有資料，提出預(yù)報(bào)探測(cè)的計(jì)劃和重點(diǎn)；然后配合施工進(jìn)程，開(kāi)展地表補(bǔ)充調(diào)查和洞內(nèi)地質(zhì)素描，以施工地質(zhì)調(diào)查資料為依據(jù)，演繹隧洞內(nèi)需要超前探測(cè)段的地質(zhì)理想模型；接著選擇一種以上對(duì)施工干擾少、探測(cè)時(shí)間短的有望達(dá)到預(yù)報(bào)目標(biāo)的物探技術(shù)，開(kāi)展室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；最后組成地質(zhì)、物探及相關(guān)工程專業(yè)人員的分析組，對(duì)地質(zhì)和物探資料進(jìn)行系統(tǒng)處理和綜合分析，提出預(yù)報(bào)意見(jiàn)。

　　為提高超前預(yù)報(bào)精度，有必要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方法進(jìn)行改進(jìn)，尤其是觀測(cè)方法應(yīng)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(yīng)建立不同地質(zhì)界面的特征識(shí)別模式，提高判別準(zhǔn)確性。

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

　　由于隧洞工程超前預(yù)報(bào)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(jié)和提高。

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　　⑻ 李文林王萍等.深埋長(zhǎng)大隧道若干技術(shù)問(wèn)題調(diào)查研究工作報(bào)告——隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)[R].水利部天津水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院信息檔案處科技信息室，2001年4月. 　 原作者： 劉康和 李明福  
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