隧道施工期超前地质预报实施方法研究

隧道施工期超前地质预报实施方法研究

高武

中铁第五勘察设计院集团有限公司北京市102600

摘要：受地形地貌及地质条件的制约，隧道施工中往往会遇到断层、溶洞、涌水突泥、瓦斯、岩爆、大变形等地质灾害，严重地威胁到施工人员的生命财产安全，并影响施工进度。因此，在地质条件复杂区域，准确、全面地预报掌子面前方不良地质情况，对隧道的顺利施工至关重要。

关键词：隧道；超前地质预报;实施

引言：

为了更加有效地掌握隧道施工期间掌子面前方的地质情况，实现减少或杜绝施工期地质灾害、保障生产安全的目的,隧道施工期间地球物理超前地质探测技术并非地表地球物理勘探技术的简单移植或改造，严格来讲，隧道探测环境是三维全空间，地震波场、电磁场、电场等地球物理场的时空分布与地表半空间探测环境大不相同，隧道掌子面前方异常体的地球物理响应规律需开展针对性研究。

隧道施工期超前地质预报技术是传统地球物理勘探技术的创新，人们致力于优选可用的超前探测地球物理方法，探索有效的洞内观测模式，研究专用的反演理论与解译方法，开发相关探测仪器和装备，开展大量的现场实践与工程服务。

1隧道常见超前地质预报方法

1.1地质法

地面地质调查法主要利用的是地表地下构造的相关性原理，可以达到对隧道沿线不良地质情况进行宏观和概略的预报。该方法尤其要注重预测不良地质体的类型、规模和范围等。当隧道埋深不大，地质构造较简单时，此种方法准确性很高。掌子面地质素描的原理是利用揭露的隧道掌子面的实际地质情况预报掌子面前方可能出现的溶洞、断层破碎带、富水带等不良地质情况。

1.2物探法

TSP探测是根据隧道两侧围岩走向，在边墙上安装炸药作为震源，由此激发出的地震波在遇到前方和侧面的断层、破碎带等不良地质体时发生反射，并由地震检波器接收，通过对这些地震信号进行分析处理，即可推断出前方和侧面的地质情况。该法对于与隧道大角度相交的断层、破碎带、大型异常地质体可进行有效探测，探测距离可达100m，但对水体探测不敏感。

瞬变电磁法（TEM）是基于岩（矿）石的导电性、导磁性差异，在脉冲磁场间歇利用接收线圈观测由地下介质引起的二次感应磁场，从而探测地下介质视电阻率的一种方法。该法对含水裂隙、含水破碎带、溶蚀裂隙及低阻异常带，尤其是对地下水体的探测较为精准，但对视电阻率差异较小的介质体无反应。

地质雷达法(GPR)是基于地下介质的电性差异，向地下发射高频电磁波，并接收地下介质反射的电磁波，将其进行处理、分析、解释的一项工程物探技术。该种方法工作过程是GPR发射器向地下发射高频电磁脉冲波，当其遇到土体、溶洞等不同的目标体时，部分波反射回来，GPR接收器进行接收并由主机记录，并得到反射回来的波的双程走时t。并以此推断目标体的位置。

1.3钻探法

超前钻孔探测预报法是在隧道开挖工作面进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法。一般将超前钻孔探测预报法分为地质钻机钻孔法与炮孔加长法2种。

地质钻机钻孔法由于其占用工作面时间长，所以，一般在快要接近不良地质体时才使用这种方法。地质钻机钻孔法根据钻孔情况能直观的推断围岩软硬情况；岩性和强度特征；围岩破碎、溶洞情况；水头压力和涌水量大小；围岩节理裂隙发育状况等。

炮孔加长法是在隧道开挖作业中钻炮孔的时候，在掌子面上选择4~6个炮孔，钻孔深度比其他炮孔深度多出3m左右，通过观察钻进速率、岩粉、回水颜色等来判断围岩情况。

2超前地质预报方法选择

通过以上文分析可知，各种方法都有各自的特点和优势。纵观整个物探方法，得出较高准确性结论的前提是该种方法探测的物性参数即地球物理场有明显变化。因此每种方法的使用范围和使用前提不一样，不是每种方法都适用所有的地质情况。对于复杂的地质情况，必须选择合理的组合方式进行多参数的综合预报。

实际运用中应本着“以地质分析为核心，选择突变参数，多方法综合对比分析”的原则。即首先结合前期多种地质资料做综合分析，由地质分析对可能出现的不良地质体做出预判断；再对预判断可能出现的不良地质情况做物性分析，找出各种物性参数的变化情况，从中得到变化最明显的特征参数；最终选择对该种参数敏感的一种或者多种物探方法进行探测，综合判断，综合解译。在预报危险地段增加超前钻探，进一步探明地质情况，也进一步对预报结果修正以提高后期的地质预报准确性。铜锣山隧道主要面临着岩溶、涌突水、塌方等地质灾害，因此，在施工期间选择了TRT进行中长距离超前地质预报，对于预报范围内存在较大不良地质段的区域，则继续采用瞬变电磁法及地质雷达法确定该不良地质段的成因及大致规模，最后利用超前钻孔进行直观的采样分析，确定具体的应对施工方案。

3超前地质预报实施方法

3.1TSP方法

TSP方法是预报断层破碎带、大型溶洞的有效手段，对不良地质体的解译主要依据以下判视标准。

TSP方法数据解译判据

（1）断层破碎带解译判据：纵波反射较强，深度偏移多以强烈的负反射开始，以强烈的正反射结束，反射带内正、负反射层多而杂乱，纵横波速总体下降，但高低变化频繁。

（2）富水带解译判据：横波遇富水层反射强，视岩层结构的不同纵波反射也不同，且横波反射明显较纵波反射强。横波深度偏移以强烈的负反射开始，以强烈的正反射结束。若节理裂隙发育，则反射带内正、负反射层多，以负反射为主；若节理裂隙不发育，则反射带内正、负反射层少，以负反射为主。纵波深度偏移以强烈的负反射开始，以强烈的正反射结束。若节理裂隙发育，则反射带内正、负反射层较多，以负反射为主。

（3）地下水充填型溶洞解译判据：纵横反射都较强，但横波反射明显，较纵波反射强。横波深度偏移以强烈的负反射开始，以正反射结束，纵波深度偏移以强烈的负反射开始，以强烈的正反射结束，地下水充填型溶洞内纵横波速都大幅下降，且内部波速变化较小。

3.2地质雷达方法

水的电导率远高于岩石，因而探地雷达对水特别敏感，地质雷达是目前探测隧道含水体的有效手段。

地质雷达方法探测含水体的判据：

①雷达波通过含水体后，高频成分被吸收，反射波的优势频率降低；②雷达波对水和含水率高的介质的反射强烈，反射波强度大；③从含水层反射的雷达波，相对于入射波，其相位会反相。

3.3瞬变电磁方法数据解译

瞬变电磁测深法是一种时间域电磁法，它是利用阶跃波形电磁脉冲激发，不接地回线向地下发射一次场，在一次场断电后，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化来达到寻找各种地质目标的一种地球物理勘探方法。

由于隧道内全空间的环境不同于地面的半空间情况，因此，隧道中的探测方法不能照搬地面方法，必须采用全空间条件下的理论和方法。目前在瞬变电磁法中等效导电平面法是建立在全空间理论基础上的。另外，视纵向电导对低阻导电薄层反应灵敏，有利于探测低阻充水断层。隧道内充水断层、裂隙电阻率会呈现低阻，因此，地电模型可以等效为低阻薄层。

4超前地质预报应的注意问题

隧道超前地质预报手段有多种，预报方法的选择要根据各种预报仪器的特点及现场的地质、工程条件进行优化选择，在此基础上开发的超前地质预报方法智能选择系统可以帮助操作员从中选择不同岩性地区、构造发育特点、地下水文条件下需要选择的预报方法，提高预报准确度。

结束语：

总之，在复杂地质条件下的隧道超前预报工作中，各种探测手段不应有所偏颇，要本着以地质分析为核心和前提的理念，贯彻物探结合钻探，长、中、短循序渐进的科学工作方式，多参数相互映证，建立超前地质预报的体系。

参考文献：

[1]赵永贵,刘浩,孙宇,肖宽怀.隧道地质超前预报研究进展[J].地球物理学进展.2016(03)