９８・ ２０１１年２月 ・ｆ一 材Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｉｃｈｕａｎ ｌｄｉｎ ｇ２０１１年第１期 第３７卷总第１５９期 隧道施工超前地质预报方法综述 许春献 （中铁十八局集团有限公司隧道工程公司） 摘要：本文简述了各种超前地质预报方法的特点， 提出了在复杂地质条件下，运用多种方法进行综合预报， 并以陕西省小康高速公路包家山隧道为例，说明综合预报 易产生漏报。 １．３水平超前探孔 水平超前探孑Ｌ方法是在隧道内安放水平钻机进行水平 的有效性。 关键词：复杂地质条件；超前地质预报；隧道施工 中图分类号：Ｕ４５２．１ ｌ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—４０１１（２０１ １）０１—００９８—０２ Ｏ前言 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。由于隧道及其它 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红外探测；⑥弹性波法；⑦电磁波法。 １常规地质法 １．１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。 １．２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 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。钻孑Ｌ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 探测、电磁波法等。 ２．１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）孔内测试分单孑Ｌ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。 ２．２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ｉ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５ ｍ或３ ｉｎ测取一组数据，共测取５０ ｍ或３０ ｍ，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。 ２０１１年第１期 第３７卷总第１５９期 ＩＩＪ材Ｍａ 砌 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｅ芝・９９・ ２０ｌ１年２月 掌子面上９个数据的最大差值大于１０ｐ￣ｗ／ｃｍ ，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３０ ｍ范围内是否存在隐伏水体或含水构造， 而且可利用施工问歇期测试，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。 ２．３弹性波法 观测时在隧道的两个侧壁分别布置震源和检波器，按 其相对位置设计成两种观测方式即固定激发点（或接收点） 和激发与接收点相错斜交方式，详见图２。 ２．３．３ ＴＳＰ２０３超前地质预报系统 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 ＴＳＰ２０３隧道地质超前预报系统是采用地震勘探原理对 隧道未开挖区段地质情况进行超前预报的设备。它是目前 隧道超前地质预报中采用的最新的地球物理探测方法，属 多波多分量地震探测技术。该技术主要是在隧道已开挖的 左边墙或右边墙布设地震激发点和接收点，采用固定接收 点、改变激发点的方法采集反射波信号。信号的接收采用 高灵敏度的三分量加速度地震检波器，可以比较准确的确 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。 ２．３．１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。 反 射 界 面 Ａ Ｂ 图１ 负视速度法工作原理图 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２～５ ｍ），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。 ２．３．２水平声波剖面法 该方法（接收频率为声波频段的地震波）是利用孑Ｌ问 地震剖面法（ＡＢＳＰ）的原理及相应软件开发的一种超前预报 方法。震源和检波器的布置除脱离开挖工作面对施工干扰 小外，还因反射波位于直达波、面波延续相位之外不受干 扰，因此做到记录清晰、信噪比高，使反射波同相轴明显。 图２相错斜交观测方式示意图 定反射波的空间位置。运用地震勘探原理对所得地震波进 行处理分析可以分辨隧道开挖面前方地质体的性质、位置 和规模，包括软弱岩石带、含水情况、节理裂隙发育带、 断层及其影响带等，在地质情况较好时预报深度可达２００ｍ 左右。ＴＳＰ２０２超前地质预报系统示意图见图３。 图３ ＴＳＰ２０３超前地质预报示意图 ＴＳＰ２０３隧道地质超前预报系统还可以计算出围岩的动 态弹性模量、泊松比、体积模量、剪切模量、拉梅常数、 纵波速度、纵波横波速度比、密度。结合围岩的岩性、含 水、节理发育、结构面等情况可对围岩的类别进行评估。 ２．４电磁波法 电磁波法是利用电磁波在不同介质中产生透射、反射的 特性来进行地质预报工作的，目前常用的方法有地质雷达。 利用地质雷达进行超前预报时，当前方岩石完整的情况下， 可以预报３０ ｍ的距离；当岩石不完整或存在构造的条件 下，预报距离小于１０ ｍ。雷达探测的效果主要取决于不同 介质的电性差异，即介电常数，若介质之间的介电常数差 异大，则探测效果就好。在洞内测试时，由于受干扰因素 较多，往往造成假的异常，形成误判。 ３工程实例 包家山隧道是陕西省小河至安康高速公路的控制性工 程，全长１１．１９ ｋｍ，隧道地势险要，山高沟深，岩性多变， 施工难度大，其长度在国内排名第三。预报方法采用了地 质素描、水平超前探孔、红外探水及ＴＳＰ２０３隧道地质超前 预报系统等方法进行综合预报。预报成果与开挖结果基本 对应，取得了较好的地质预报效果。 ４体会 在隧道施工过程中进行地质预报，各种方法都有其长 处和短处，特别是在地质条件复杂的隧道中，应综合运用 各种预报方法，互相印证、取长补短、综合分析，可以取 得较好的地质预报效果。 ［ＩＤ：６３１９］
