超前地质预报技术在隧道施工中的应用

摘要：超前地质预报技术在国已经成为一个热点技术，引起了隧道以及地下工程界的很大重视。超前地质预测可以降低地质灾害发生的机率，并且可以为工程施工提供地质依据，可以进一步的预测由于前期地质勘察工作的局限而导致的、隐伏的重大地质问题，进而指导工程施工的顺利进行。那么经常采用的预报手段到底有哪些、原理是什么、有哪些优缺点、适用范围如何、在工程中该如何选择、工艺流程及操作要点等，本文主要是介绍和讲解这些问题。

关键词：隧道、超前地质预测、施工

Abstract: the advance of geological forecast technology in China has become a hot technology, arousing the tunnel and underground engineering great attention. Advance geological forecast can reduce the risk of geological disaster, and can provide the geological basis for engineering construction, can further forecast the major geological problems due to the limitations of the geological survey, concealed, and guide the engineering construction smoothly. So frequently used forecast means what do, what is the principle, advantages and disadvantages, scope of what how in engineering, how should choose, process and key operation, etc, this paper is to introduce and explain the problem.

Key Words: tunnel, early geological forecast, construction

一、超前地质预报技术存在的问题

超前地质预报技术还存在很多问题。例如：它占用很多施工时间，目前在很多设计都进行了必要的超前地质预报的设计，但是很多施工设计中没有给地址预报作时间规划，这就给工期带来很多时间上的矛盾，尤其是像超前钻孔比较多的隧道，工期会有很大的压力;很多工程中给予地址预报的费用很低，这使得地址预报工作很难正常工作;目前还没有一种预报手段能够对所有问题进行解决，对探测结果的准确性还不够高。所以超前地质预报应该列入到施工组织的管理中去，给予充足的时间和经费，还应该编制地质预报技术的大纲，最终经过有关部门审查批准后进行执行。

二、超前地质预报技术

超前地质预报的主要手段：

2.1超前地质预报方法分类

(1)地质分析法(其中包括地质素描法、地质作图法等);

(2)超前钻探预报法(包括深孔水平钻探、5～8m加深炮孔探测及孔内摄影等);

(3)超前导坑预报法(包括平行导坑法、正洞导坑法等);

(4)物探方法(包括地质雷达、TSP隧道地震波反射法、负视速度法、红外探测等等)。

2.2 各种预报方法比较

2.2.1地质分析法

a.地质素描法

1、原理。地质素描法就是通过描述记录隧道地质的相关信息，并且绘制成图表，结合现有的相关资料，对隧道开挖进行地质条件的预测。包括隧道地层的岩性、结构面产状、地质构造、出水状态即出水量、溶洞等等地质信息。

2、优缺点。优点就是设备简单易于操作，而且费用较低，提交资料及时。但是缺点就是对于隧道交角比较大加上向前倾的结构面就会容易漏报，所以对技术人员的操作水平和知识水平有很大的要求。

b.地质投影作图法

利用地表观测到的断层、岩脉等产状，投影作图给出该断层、岩脉在洞轴上出现的位置。

2.2.2超前钻探预报法

a.深孔水平钻探

1、原理。超前地质钻孔是利用水平钻机在隧道掌子面进行水平地质钻探获取地质信息的一种超前预报方式。

2、优缺点。优点就是它可以对煤系地层进行孔内煤和瓦斯参数的测定，进而可以采取相应的措施，防治煤与瓦斯带来的危险，它可比直观地告诉我们地质信息，包括钻孔所钻地质的地层岩性、裂隙度、溶洞的大小、有没有水以及水压高低等;它与物探方法比较，具有直观性、客观性，而且不存在像物探方法经常出现的的多解性、不确定性。缺点就是费用高、占用隧道施工时间长，且资料只是一孔之见。

b.加深炮孔探测

1、原理。该方法是利用风钻或者掘岩台车在隧道掌子面钻水平小孔径的浅孔获取地质信息的一种方法，加深炮孔探测是对深孔水平钻探的补充，凭借它的数量比较多所以它的效果非常好。

2、优缺点。优点就是与深孔水平钻探比较，它设备简单易于操作、占用隧道施工时间短。缺点是孔浅，且不能取岩芯。

2.2.3超前导坑预报法

a.平行导坑法

平行导坑法是这样的：在隧道的正洞左边(右边)一定的距离挖掘一个平行断面较小的导坑，根据导坑中地质情况结合地质理论以及作图法来进行对正洞地质条件的预报。地质预报只是平行导坑用途之一，因为它的费用非常昂贵，所以只是在设计的图纸中涉及到平导设计的时候才会使用这种法。

b.正洞导坑法

正洞导坑法是这样的：在隧道正洞的某部位挖掘一个断面较小的导坑，一次来探测正洞地质的情况。该方法较平行导坑法更直接、更准确。

2.2.4物探方法

a.地质雷达

1、原理。地质雷达的原理是高频电磁波理论，使用的是时间域脉冲雷达，以宽频带短脉冲的高频地磁波的反射原理来检查物体，雷达系统首先会向被测的物体发射高频电磁波脉冲，因为不同的物体介质不同，脉冲在不同介质的界面被反射回来也是不同的，我们根据电磁波从发射到反射回来双程走时的长短差别，通过计算分析来确定探测目标的形态和属性，并结合工程地质理论来分析，得到对达埋藏目标的探测与判断。

2、优缺点

优点：对于目前的技术水平来说，地质雷达采用高频率的天线作为隧道砼衬砌质量无损检测的手段仍是比较合适的;因为地质雷达在对5～30m范围内的地表探测，尤其是地下地层或地质异常体的反射信号是非常明显的，所以地质雷达是比较理想的探测方法;灰岩地区隧道铺底前采用中~低频率的天线来探测隧底隐伏岩溶洞穴仍是经常使用;在岩溶重点发育的地段也经常使用地质雷达，拉对掌子面前方和边墙外侧岩溶洞穴进行探测。

缺点：由于洞内不易防水、防潮和防尘，这样很易造对成仪器造成损坏，尤其是没有专门的天线，操作起来费时费力，效果也不好;由于探测距离相对太短，一次探测5～30m的距离，相对目前隧道每天开挖将近10～20m的进度很不相符;隧道内的环境条件与地质雷达的理论基础一半无限空间不吻合，加之洞内钢拱架、锚杆、钢轨等金属构件的影响，探测结果一般不太理想。

b.TSP隧道地震波反射法

l、原理。TSP202(TSP203)超前地质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道掘进面前方及周围临近区域地质状况的。它是在掌子面后方边墙上一定范围内布置一排爆破点。依此进行微弱爆破，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，信号的一部分被返回。界面两侧岩石的强度差别越大，反射回来的信号也就越强。返回的信号被经过特殊设计的接收器接收转化成电信号并进行放大。根据信号返同的时间和方向，通过专用数据处理软件处理就可以得到岩体强度变化界面的位置及方位。

2、优缺点

适用的范围非常广，可以适用于极软岩到极硬岩的任何地质情况;预报的距离长，可以预报掌子面的前方100～350m的范围内所有地质状况，而且围岩越硬越完整它可以预报的长度就越大;对隧道的施工影响小，因为它可以在隧道施工的间隙进行;提交资料及时，在采集完数据的第二天就可以完成提并交报成果;具备一套专用的处理软件，可以将复杂的波形处理转化成易懂的波形能量分析图;隧道顶部和底部的波形能量分析图分析确定了之后，我们就可以分析得到出断层破碎带、软弱夹层相对于隧道的空间地理位置，进而计算机能够自动地绘制得到弹性波速度有差异的地质界面，相对于隧道轴线的地质平面图和纵断面图;预报准确性，因为其是根据爆破孔与接收器之间的弹性波速度的平均值以及地质体反射波到达接收器的时间来确定地质体的位置的，所以准确性收到弹性波速度差异的影响。预报精度，它所能反映出的地质体的宽度是根据采样间隔和岩体弹性波速度来确定的。预报断层、弱硬岩接触面等面状结构反射信号较为明显，而预报溶洞等点状地质体则不尽如人意，因其预报原理和计算模型是以平面为计算依据，对小型溶洞反映不明显。

三、工艺流程及操作要点

通过研究现有的资料来制定预报方案：

首先，研究现有区域地质以及工程地质的资料，充分了解整个区域的地质情况，包括地形地貌、地质构造、地层岩性、特殊地质以及地下水发育等，分析该区域隧道地质问题等，根据对这些现有资料的研究分析，并针对不同的地质情况进行地质预报重要性分级，并且不同级别的地段应该采取不同的预报手段，这样就可以达到既预报准确又节省有限预报资源的目的。

根据地质灾害对隧道施工安全的危害程度，分为以下四级：

A级：存在重大地质灾害隐患的地段，例如大型的暗河系统，重大物探异常地段，可溶岩与非可溶岩接触带，软弱、富水、导水性良好的地层，特殊地质地段，可能发生特大型突水突泥地段，诱发重大环境地质灾害的地段等。

B级：中、小型突水突泥地段，较大物探异常地段，断裂带等。

C级：突水突泥发生可能性小的地段，水文地质相对好的碎屑岩及碳酸盐岩地段、小型断层破碎带。

D级：发生突水突泥的可能性极小的非可溶岩地段。

根据不同的地质灾害程度分级，选择不同的方法来进行超前地质预报：

A级预报：可以采用地质分析法、地质雷达、TSP隧道地震波反射法、超前水平钻探等方法进行预报。

B级预报：采用地质分析法、TSP或HSP，地质雷达，超前水平钻孔法。如果发现局部地段工程地质条件较复杂，也可以按照A级的预报方法。

C级预报：应该以地质分析方法为主。对一些非常重要的地质界面、断层地段也可以使用TSP方法探测。

D级预报：采用地质分析法。

四、结论

超前地质预报在隧道施工中对消除地质灾害事故的发生起着巨大作用, 无论哪一种方法都存在一定的局限性，无论是钻探还是物探方法,所以在施工的过程中，应以地质方法为基础,根据实际情况灵活地使用各类预报方法,将各种方法的长处结合起来，切实地提高超前地质预报的准确性。