洞室开挖施工中地质超前预报的现状及其探测技术.docx
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洞室开挖施工中地质超前预报的现状及其探测技术
洞室开挖施工中地质超前预报的现状及其探测技术
摘要：
文章较为全面地论述了水电及其它工程隧洞施工中地质超前预报工作的重要性及超前预报的目的、内容等，并就当前国内外常用超前预报方法和技术的实用性及优缺点进行了综述和探讨，这将有助于隧洞施工超前预报技术在我国隧洞工程中的推广应用，总结经验，提高预测预报精度，满足工程建设之需。
关键词：
洞室开挖，超前预报，物探技术，
前言
在水利水电工程建设中几乎都要进行地下洞室群的开挖。
尽管施工前进行了大量的地质勘察工作，但由于当前勘察技术手段和方法的限制，加上地质体的复杂多变，期望在施工前完全查明工程岩体的状态、特性，准确地预测隧洞施工中可能发生地质灾害的位置、性质和规模是十分困难的。
因此，世界各国隧洞工程界都十分重视超前预报工作。
地下工程超前预报与监测预报不同，超前预报主要是加强施工期间的地质分析工作，即根据开挖揭露出来的地质情况，校正补充地勘时未能查到的资料，分析推断掌子面前方的地质情况，推测是否存在前期勘察时没有查到的不良地质体，以便预先采取措施；而监测预报是在开挖以后，预报因围岩变形而产生的各种破坏。
1地质超前预报目的
隧洞开挖中引发灾难的自然因素是多种多样的（如地下水、有毒或易燃气体、高地温、岩爆等），而由于人们对地质特性认识不足、施工方法不当也可引起灾害（如塌方冒顶等）。
人们对地层物理、化学性能的了解和岩体本身结构状态的认识，需通过多种勘探试验手段，才能获得定性和定量分析的依据。
隧洞开挖地质超前预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。
通过地质超前预报，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及洞室围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧洞涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使施工单位提前做好预防措施，保证施工安全。
2地质超前预报内容
隧洞施工地质超前预报的内容一般包括：
1不良地质预报及灾害地质预报：
预报掌子面前方一定范围内有无突水、突泥、岩爆及有害气体等，并查明其范围、规模、性质，提出施工措施或建议；
2水文地质预报：
预报洞内突涌水量的大小及其变化规律，并评价其对环境地质、水文地质的影响；
3断层破碎带的预报：
预报断层的位置、宽度、产状、性质、充填物的状态，是否为充水断层，并判断其稳定程度，提出施工对策；
④围岩类别及其稳定性预报：
预报掌子面前方的围岩类别与采用的支护设计是否吻合，并判断其稳定性，随时提供修改设计、调整支护类型、确定二次衬砌时间的建议等；
⑤预测隧洞内有害气体含量、成分及动态变化；
3地质超前预报方法
3.1直接预报法
3.1.1超前钻孔
在隧洞内安放钻机向掌子面前方水平钻进，根据钻孔资料来推断隧洞前方的地质情况。
钻孔数量、角度及钻孔深度可人为设计和控制。
由钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉及遇到的其它情况来预报。
此法可以反映岩体的大概情况，比较直观，施工人员可根据实际地质情况进行下步施工组织。
水平钻孔主要布置在开挖面及其附近，既可在超前导洞内布置钻孔，也可在主洞工作面上进行钻探，用以获得准确可靠的地质资料，确保施工组织。
该法可获得工作面前方一定距离的岩芯，也可由钻孔出水情况判断前方有无地下水和前方何处有地下水，从而可以得到开挖面前方的地质情况。
该法是施工预报最有效方法之一，但也存在不足之处：
①对垂直隧洞轴线的地质结构面预报效果较好，与隧洞轴线平行的结构面预报较差；②需占用较长的施工作业时间，费用较高。
3.1.2超前导洞
按导洞与正洞的相互位置分为平行导洞和正洞导洞。
其中，平行导洞与正洞平行但相隔一段距离，断面小且其工作面超前正洞，通过对导洞开挖中遇到的构造、结构面或地下水等情况作地质记录与分析，进而对正洞地质条件进行预报。
该法的优点是：
预报成果比较直观、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，还可以起到减压放水、改善通风条件的作用，同时，还可用作排除地下水、断层注浆处理、用作施工支洞甚至扩建成第二条隧洞。
正洞导洞布置在正洞中，是正洞的一部分，其作用与平行导洞相比，效果更好。
超前导洞的缺陷为：
一是成本太高；二是施工工期较长。
3.2地质分析法
3.2.1断层特性预测法
根据当地断层发育特点，利用断层影响带的地质特征，例如特殊的劈理带、节理密集带、片状岩、压碎岩或碎裂岩带、或岩石蚀变带、风化带等的分布规律，甚至根据系统编录或调查统计得到的经验公式，来预报隧洞断层破碎带的位置和规模。
由于大多数不良地质现象与断层破碎带有密切的关系，故依据断层破碎带可推断其它不良地质现象的特征和规模。
3.2.2地质体投影法
在地表准确鉴别不良地质体的性质、位置、规模和岩体质量及精确测定不良地质体产状的基础上，应用地质界面和地质体几何投影公式进行预报。
3.2.3正洞地质编录与预报
隧洞施工中，及时对其开挖面（掌子面、边墙面和拱顶面）上的各种地质现象进行测绘和记录，利用已挖洞段地质情况来预报前方可能出现的不良地质现象。
它分为①岩层岩性和层位预测法：
在开挖面揭露岩层与地表某段岩层为同层和确认标志层的前提下，用地表岩层的层序预测掌子面前方将要出现的岩层；②地质体延伸预测法：
在长期预报得出不良地质体厚度的基础上，依据开挖面不良地质体的产状和位置，经过几何投影或三角函数运算，求得条带状不良地质体在隧洞掌子面前方出现或消失的距离。
该法是对开挖面地质情况如实而准确的反映。
其主要内容包括对地层岩性、构造和节理裂隙发育情况、地下水状态、围岩稳定性的编录及初期支护采用方法的记载等。
其优点是占用施工时间很短，设备简单，不干扰施工，成果快速，预报效果较好，而且为整个隧洞提供了完整的地质资料；缺点是与隧洞夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报。
3.3物探法
3.3.1弹性波法
3.3.1.1TSP超前预报技术
TSP（TunnelSeismicPrediction）超前预报系统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洞掌子面前方及周围临近区域的地质情况。
该法属多波多分量探测技术，可以检测出掌子面前方岩性的变化，如不规则体、不连续面、断层和破碎带等。
它可以在钻爆法或TBM开挖的隧洞中使用，而不必接近掌子面。
数据采集时在隧洞一边侧墙等间隔钻制20余个炮孔，而在两侧壁钻取2个检波器孔，把检波器置入套管中，依次激发各炮，从掌子面前方任一波阻抗差异界面反射的信号及直达波信号将被2个三分量检波器接收，整个探测过程所需时间约1小时。
然后利用TSPwin软件处理可得P波和S波波场分布规律，其分析过程为：
数据调整→带通滤波→首波拾取→拾取处理→炮能量平衡→直达波损耗系数Q估算→反射波提取→P波、S波分离→速度分析→纵向深度位置搜索→反射界面提取等，最终显示掌子面前方与隧道轴线相交的反射同相轴及其地质解译的二维或三维成果图。
由相应密度值，可算出预报区内岩体物理力学参数，进而可划分该区围岩工程类别。
实践表明该法有效预报距离100～200m。
通过分析反射波速度，即可进行时深转换，由隧洞轴的交角及洞面的距离来确定反射层所对应界面的空间位置和规模，再结合P波和S波的动力学特征，遵循以下原则来推断地质体的性质：
①正反射振幅表明进入硬岩层，负反射振幅表明进入软岩层；②若S波反射较P波强，则表明岩层饱水；③Vp/Vs增大或泊松比突然增大，常常由于流体的存在而引起；④若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。
TSP超前预报技术作为一种比较先进的探测手段已在我国水利、水电、铁路、公路、煤炭等系统的各类隧洞或地下洞室工程中得到应用。
它具有预报距离相对较长、精度较高、提交资料及时、经济等优点，尤其在用于与隧洞轴线或呈大角度相交的面状软弱带，如断层、破碎带、软弱夹层、地下洞穴（含溶洞）以及地层的分界面等效果较好。
然而在对不规则形态的地质缺陷或与隧洞轴线平行的不良地质体，如几何形状为圆柱体或圆锥体的溶洞、暗河及含水情况的探测方面有一定的局限性。
3.3.1.2地震负视速度法
它是将地震勘探中VSP法应用于近水平的隧洞中，也是利用地震反射波特征来预报隧洞开挖面附近围岩的地质情况。
在侧壁的一定范围内布置激震点进行激发，其振动信号在隧洞围岩内传播，当岩层波阻抗发生变化时，地震波信号将部分返回。
反射界面与测线直立正交时，所接收的反射波与直达波在记录图像呈负视速度，其延长线与直达波延长线的交点即为反射界面的位置，纵、横波共同分析还可了解反射界面两侧岩性及软硬程度的变化。
该法具有明显的方向特征，可有效区分掌子面前方反射信号与周围干扰信息，提高了识别物性界面的精确度，能对其进行较为准确的定位，预报距离可达100ｍ以上。
测试时，在已开挖洞段的侧壁或底部，距掌子面一定距离布设一激震点和一系列接收点，采用多炮共道或多道共炮方法测试。
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。
为获取“负视速度”，震源应在预报目的体的远端，接收点间距采用小道间距，多道接收。
根据需要与设备条件，可采用单分量、三分量或组合检波器。
负视速度法的原理与TSP法基本相同，只是数据处理软件的开发尚难赶上TSP法。
此法在实施预报时不占用开挖工作面，对施工干扰相对较小，在铁路隧洞工程中是常用的预报方法之一，如在渝怀铁路圆梁山隧道正洞、平导和迂回导洞以及朔黄铁路长梁山隧洞施工中，均采用了负视速度法，取得了较好的预报效果。
3.3.1.3TST超前预报技术
TST（TunnelSeismicTomography）超前预报系统是通过可视化地震反射成像层析技术预报隧洞掌子面前方150m范围内的地质情况，可准确预报断裂带、破碎带、岩溶发育带以及岩体工程类别变化等地质对象的位置、规模和性质。
该法数据采集用多道数字地震仪，处理软件为三维地震分析成像系统。
它充分运用地震反射波的运动学和动力学特征，具有岩体波速扫描、地质构造方向扫描、速度偏移成像、吸收系数成像、走时反演成像等多种功能，从岩体的力学性质、岩体完整性等多方面对地质情况进行综合预报。
测试时可在隧洞内掌子面、两侧、上顶和下底面，也可在隧洞外山顶布置。
洞内观测时检波器埋入岩体1～1.5m，以避免声波和面波干扰。
可采用爆炸或锤击激发地震波。
TST软件包括地震数据预处理和偏移成像等功能。
预处理功能包括：
①噪声和干扰切除；②滤波和面波清除；③小波分析与信号加强；④地震波能量吸收谱分析；⑤地震波走时拾取。
偏移成像功能包括：
①速度扫描分析与岩体工程类别判别；②方向扫描与构造产状分析；③地质界面速度偏移成像；④岩体完整性吸收偏移成像；⑤地震波走时地质界面反演成像；⑥断裂与破碎带智能识别；
该技术在云南明珠隧洞应用取得了良好的效果，所得成果为：
①地质界面波速偏移成像；②岩体吸收特性偏移成像；③地震波走时反演成像；
3.3.1.4水平声波剖面法（HSP）
它是利用孔间地震剖面法（ABSP）的原理及相应软件开发的一种超前预报方法。
其原理是向岩体中辐射一定频率的高频地震波，当地震波遇到波阻抗分界面时，将发生折射、反射，频谱特征也将发生变化，通过探测反射信号（接收频率为声波频段的地震波），求得其传播特征后，便可了解工作面前方的岩体特征。
震源和检波器的布置除离开开挖面对施工干扰较小外，还因反射波位于直达波、面波延续相位之外而不受干扰，因此记录清晰、信噪比高、反射波同相轴明显。
测试时在隧洞的两个侧壁分别布设震源和检波器，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）方式和激发与接收点相错斜交方式。
震源在预报目的体的远端，接收点间距采用小道间距，多道接收，构成“水平声波剖面”。
利用时差和频差与地质相结合的方法确定反射面的空间方位并“投影”到该剖面上，从而确定反射面的空间位置及性质。
其特点是各检测点所接收的反射波路径相等，反射波组合形态与反射界面形态相同，图像直观，同时观测时也不影响掌子面的掘进。
该法已在工程中得到应用，如渝怀铁路的圆梁山隧洞、千溪沟隧洞等，均取得了较好效果。
目前，该法数据采集单元和现场实测过程进行了较大的改进，可以在开敞式TBM法施工的隧洞中掘进机不停的情况下进行测试，因而具有较大的优越性，但尚处于研制和初步应用阶段，例如在辽宁大伙房引水工程TBM2隧洞中进行试验。
3.3.1.5TRT真地震反射成像技术
TRT（TrueReflectionTomography）真地震反射成像法是利用岩体中不均匀面的反射地震波进行超前探测，它是美国NSA工程公司近年开发的新方法，国外已实际应用。
该法在观测方式和资料处理方法上与TSP法及负视速度法均有很大不同，它采用空间多点激发和接收的测试方式，其检波点和激发点呈空间分布，以便充分获得空间场波信息，从而使前方不良地质现象的定位精度大大提高；它的数据处理关键技术是速度扫描和偏移成像，不需要走时，因此，对岩体中反射界面位置的确定、岩体波速和工程类别的划分都有较高的精度，而且还具有较大的探测距离，应该说较TSP法有较大的改进。
由实际应用知，TRT法在结晶岩体中的探测距离可达100～150m，在软弱的土层和破碎的岩体中尚可预报60～100m。
该法成功应用的例子很多，较典型的是在奥地利的穿越阿尔卑斯山的铁路双线隧洞施工中进行了全程的超前预报。
由于多种原因，目前国内尚未引进该技术。
3.3.1.6陆地声纳法
它是“陆上极小偏移距高频弹性波反射连续剖面法”的简称，可在狭小的场地和基岩裸露的条件下，探查岩溶等有限物体。
也称为高密度地震反射或地震映像法。
施测时采用极小偏移距地震波激发—接收系统，进行单点测量或在激震点两侧对称位置上各设一检波器，一次激发两道接收。
源检距的大小根据最小探查深度而定，以目的体反射波不受先到的干扰波影响为准。
为提高分辨率，需激发和采集高频信号。
采用电声转换声学发射装置来激发频率为几千赫至几十千赫的弹性波。
由于可采集很宽频率的反射信号，故可以用分窗口带通滤波的方法处理资料，分别提取不同频谱的信息，以突出不同规模的探查对象的反射图像。
该法具有分辨率高、可避开许多干扰波、反射波能量高、探查岩溶和洞穴效果好、图像简单易辨等优点，但需占用开挖面工作时间且实测剖面较短。
该法已在云台山铁路隧洞、南昆线铝厂隧洞等工程中应用，预报距离50～100m。
3.3.1.7面波法
分为稳态法和瞬态法。
稳态法在掌子面上放置一个激振器，用计算机控制激振器使其产生各种不同波长的波面，用两个拾振器同时接到不同方向的振动波，由计算机算出每一种波长的面波传播速度，根据面波的勘测深度等于波长的二分之一的原理，即可得到一组不同深度的面波平均速度的分布规律。
不同介质面波的传播速度不同，从不同面波速度分布图，就可以反应出地质构造的不同介面，如断层、地下水等特性变化。
瞬态法由于排列长度的关系未见实际应用的报道。
此法需要的场地较小，适合在地下洞室开挖面上工作，探测深度也能满足施工预报的要求，对资料的分析判断可在现场进行，操作简便。
该法已在南岭隧洞中应用，能很清楚地发现距工作面几米处的断层破碎带。
但该法在开挖面上能探测多远的距离，尚需进一步实验研究。
3.3.2地质雷达技术
利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面通过发射天线向前发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。
由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。
因此，根据接收到的电磁波特征，即波的旅行时间、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。
在前方岩体完整的情况下，可以预报30m的距离；当岩石不完整或存在构造的条件下，预报距离变小，甚至小于10m。
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。
由于该法对空洞、水体等的反映较灵敏，因而在岩溶地区用得较普遍。
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。
应用地质雷达进行超前预报，在钻爆法施工的隧洞中使用相对较多，如太平驿水电站引水隧洞、海南高速公路东线大茅隧洞等工程中的应用，均取得了较好的应用效果。
应用该法探测时需要占用掌子面的工作时间，在掌子面上测试时需要停机进行，因而在TBM法施工的隧洞中应用时需作特殊研究解决。
3.3.3红外探水法
所有物体都发射出不可见的红外线能量，该能量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：
一是在掌子面上，分别在上、中、下及左、中、右六条测线的交点上测取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；二是在已挖洞段按左边墙、拱部、右边墙的顺序进行测试，每5m或3m测取一组数据，共测取50m或30m，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。
掌子面上9个数据的最大差值大于10μw/cm2，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洞全空间、全方位的探测，仪器操作简单，能预测到隧洞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、赋水形态、具体位置没有定量解释。
3.3.4BEAM法
BEAM（Bore-TunnelingElectricalAheadMonitoring），这是当前国际上唯一的一种电法超前预报方法，是由德国GEOHYDRAULICDATA公司推出的产品。
它是一种聚焦电流频率域的激发极化方法，其最大特点是通过外围的环状电极发射一个屏障电流和在内部发射一个测量电流，以便电流聚焦进入要探测的岩体中，通过得到一个与岩体中孔隙有关的电能储存能力的参数PFE（Percentagefrequencyeffect）的变化，预报前方岩体的完整性和含水性；它的另一个特点是所有的装置都安装在盾构挖掘机的刀头（测量电极）和外侧钢环（屏蔽电流）上，也可装在钻爆法施工钻头的前方（测量电极）及两侧钢架（屏蔽电流）上，随着隧洞掘进，连续不断获得成果，并适时处理得出掌子面前方的PFE曲线。
由此预报前方岩体的性状及含水情况。
这种仪器在欧洲许多国家都已得到应用，但在我国尚未引进。
3.4地质物探综合分析法
要推动隧洞超前预报水平，提高预报准确度，就必须将地质调查方法与多种物探方法有机结合起来，对地质、物探资料进行系统处理和综合分析。
其工作方法和主要内容为：
⑴收集、熟悉地质资料：
了解工程区内宏观的地质环境、大型构造形迹的发育分布规律以及工程围岩所处的具体构造部位、岩体的结构特征、节理裂隙发育程度、岩体完整性、岩石（体）强度、地下水状态等；掌握全隧洞的地质背景，分析、判断存在的不良地质问题和地段，预测各段围岩的稳定程度、可能发生地质灾害的位置、规模、性质和准备采用的防治措施，目的在于保证隧洞施工设计、施工方法和措施能顺应地质情况的变化适时做出调整和修改。
⑵施工地质编录：
对已开挖洞段地质状态作详细真实的描述，以作为超前预报的依据。
工作内容包括对岩性、岩石坚硬程度及完整情况、断层及破碎带、节理裂隙、地下水状态、不良地质现象等作编录。
⑶围岩特性测试：
根据工程需要，对岩石物理力学特性进行补充测试或试验，如岩石点荷载强度、岩石回弹值、岩体弹性模量、软弱面剪切强度等，有时还应进行初始地应力和二次应力场的测试等。
上述数据是预报围岩稳定性的重要参数。
⑷地球物理探测：
根据岩体不同物理性质量测一定距离以内的物理力学参数的变化，据此判断出隧洞工作面前方的地质情况。
采用多种物探仪器进行超前探测，常用的物探方法有地震反射、声波反射、地质雷达、TSP203隧道超前地质预报系统等技术。
⑸地质物探综合分析：
组成以地质工程师为主的包括物探及相关工程技术人员的施工地质组，对上述地质和物理探测资料进行整理和综合分析，最后做出施工面前方不良地质问题的预测预报。
4结语
以上较为详细地介绍了当前我国隧洞施工超前预报的现状及其探测技术。
笔者认为：
实施超前预报应首先收集和熟悉已有资料，提出预报探测的计划和重点；然后配合施工进程，开展地表补充调查和洞内地质素描，以施工地质调查资料为依据，演绎隧洞内需要超前探测段的地质理想模型；组成地质、物探及相关工程专业人员的资料分析组，对地质和物探资料进行系统处理和综合分析，提出预报意见。
尽管隧洞施工超前预报已引起国内外隧洞工程界的重视，也做了许多卓有成效的工作，但到目前为止还没有一套系统的普遍适用的方法，国内外隧洞工程的重大地质灾害仍时有发生。
因此，准确预报开挖前方的地质条件是隧洞建设者们的迫切要求，二十世纪八十年代以来世界各国都把这一问题列为重点研究课题。
但是隧洞施工超前预报又是一项复杂而艰难的任务，尚需在工程实践中不断创新、优化、总结、完善和提高，要真正搞好隧洞施工超前预报还任重道远。
主要参考文献
⑴赵永贵等.隧道地质超前预报研究进展[J].地球物理学进展，2003⑶.
⑵王洪勇.综合超前地质预报在园梁山隧道中的应用[J].现代隧道技术，2004⑶.
⑶杨立财等.隧道施工超前地质预报技术应用研究[J].西部探矿工程，2004⑿.
⑷李勇等.隧道施工地质超前预报方法[J].地质与资源，2004⑵.
张卫军男（1968——）甘肃会宁高级工程师中国水利水电第四工程局第一施工局
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