【摘要】随着隧道长度的增加，隧道建设的风险也随之增加，因此有必要在隧道施工过程中进行可靠有效的超前地质预报用于指导隧道施工以防止工程地质灾害的发生。开展综合超前地质预报工作，较准确地报隧道地质情况，制定可靠的处理方案和技术措施，及时采取预防手段与应急预案，确保隧道安全顺利地通过隧道不良地质区段。
【关键词】隧道；技术；超前地质预报；应用研究
1 隧道超前地质预报方法介绍
目前隧道超前地质预报物探方法中常用的方法有TSP法、探地雷达法、瞬变电磁法等。各种方法有不同的适用条件与应用范围，本文针对不同物探方法的特点进行总结分析，结合多种物探方法进行超前地质综合预报，提高超前地质预报的准确性。
1.1 TSP法
TSP（TunnelSeismicPrediction），即隧道地震超前地质预报系统，它是目前我国最为常用的超前地质预报物探方法的一种。利用TSP方法进行隧道超前地质预报，由于接收的数据是三分量的，因此经过处理后TSP数据不光能得到反射界面，TSPwin是TSP设备自带的处理软件，用以处理TSP检波器采集的数据。经过数据处理，可获得多种参数成果。其中主要用以数据解释的是地震纵、横波时间剖面，转换波时间剖面，还以获取反射层参数、围岩的力学参数等成果，同时，成果中的反射界面在工作面前方预报距离内的二维和三维空间分布也很重要。在对异常的判识过程中，由于地震波球面扩散特性，TSP可以探测到距离很远的相对隧道轴线夹角较大的平面状反射界面。当异体界面复杂无规律且夹角较小时，如圆锥体或圆柱体岩溶，隧道轴线平行发育的岩溶与断层等，往往TSP探测出以上异常体较为困难。
1.2 探地雷达法
探地雷达（GroundPenetratingRadar，简称GPR）在超前预报中应用极其广泛。其原理与地震反射波极为相似，将弹性波信号替换为电磁波信号即可。在地震反射波法中，分析反射波参数得到的是介质弹性波物理参数；而在探地雷达法中，其物理参数也由弹性波参数转化为电性参数—介电常数。探地雷达的数据处理仅仅是为了突出异常响应的一些修饰性的处理，因此现场数据的采集决定了探地雷达数据质量的好坏，同样探地雷达在数据的采集过程中有一些问题需要注意。首先探地雷达的天线应尽量与掌子面耦合。其次由于雷达电磁波对金属体极为敏感，因此掌子面周围的施工台车与金属网片等干扰会在雷达剖面上叠加到掌子面前方地质体在雷达剖面的响应上。故在数据采集的过程中应尽量远离施工台车等金属物体，保证采集数据的质量。地质雷达法是指借助于连续扫描电磁波反射曲线叠加法的应用，经电磁波于隧道掌子面前方反射以及传播，结合所测反射脉冲波进行反射面和隧道掌子面之间距离的计算。因电磁波对水非常敏感。
1.3红外探水
红外探测技术是通过探测前方一定范围内的红外辐射场的变化，即通过探测仪显示出红外辐射温度的变化。将稳定的地质体作为探测对象时，得到红外场的强度与场源本身的场强相一致。如果前方地质体存在地下脉状流、脉状含水体或隐伏含水体等异常现象，其辐射出来的异常场将叠加在正常辐射场上，则在探测数据上会出现畸变。因此在隧道掘进现场，当掌子面前方存在含水构造时，含水构造产生的异常红外辐射场会叠加到围岩的正常辐射场上，仪器显示屏上的曲线出现数据突变；而当掌子面前方没有含水构造时，所测定的红外辐射场为正常场值，数据曲线近似为一条直线。即通过对采集到的红外场强数据进行分析，就可以全面地预报隧道前方的不良地质体，尤其是含水体。红外探水基本步骤一般是在掌子面后方60米处，朝掌子面方向每隔5m对隧道周边探测一次，每次探测顺序依次为左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙和隧底中线，共探测12个断面，这样沿隧道轴线方向共形成6条探测曲线，分别为左边墙探测曲线、左拱腰探测曲线、拱顶探测曲线、右拱腰探测曲线、右边墙探测曲线和隧底中线探测曲线。在掌子面上水平方向自上而下布置4条测线，每条测线上布置6个测点。
2 工程应用
2.1工程概况
中国西南地区某在建铁路金瓶岩隧道位于青藏高原东部边缘，群山林立，坡陡谷深，属构造剥蚀高中山地貌。隧道全长12773m，最大埋深约791m。隧址区地处四川省阿坝州松潘县镇坪乡与镇江关乡境内，线路沿岷江左岸逆流而上，距岷江130～1120m，属傍山隧道，地势左低右高，地面高程2410 ～3260m，相对高差约300 ～600m，最低点位于岷江河谷，标高约2500m。主要穿越三叠系上统新都桥组（T[3]x）千枚岩夹砂岩，区内区域构造影响，地层层位倒转，小褶曲发育，产状变化较大，节理发育，岩体受挤压破碎严重，围岩稳定性差，易产生局部掉块或整体坍落。
2.2探测预报情况分析
金瓶岩隧道采用瑞士安伯格测量技术公司的 TSP203 地质超前预报系统进行长期超前地质预报，三分量检波器同时接受各自的地震波数据，并使用设备自有的TSPwin软件进行数据处理。处理之后，主要用于数据解释的有：地震纵横波的时间剖面、转换波的时间剖面、反射界面参数、围岩的力学参数、反射层在工作面前方预报距离内的二维和三维空间分布等。
采用美国 GSSI 公司生产的 SIR—3000 型地质雷达开展探地预报。厂家对外业采集软件与内业分析软件进行了集成，可以在同一个软件包进行。该工程的地质超前预报中，在测线位置上的探测里程范围内，电磁波反射信号较弱，振幅变化不明显，同相轴连续性较好，说明整个探测里程范围内围岩较完整，节理裂隙不发育，围岩稳定性较好。
由红外探水可知，掌子面岩体上均匀布置24个测点的红外辐射场强数值最大值为236μW/cm2，最小值为233μW/cm2，差值为3μW/cm2，小于允许的最小安全值10μW/cm2。推测前方围岩与掌子面含水情况基本一致。沿掌子面方向，场强值呈上升趋势，并且五条曲线相互有交叉。说明掌子面前方具有含水构造的可能性。
根据勘探资料综合判断，该段可能发育断层带或岩性界面。此外，根据判识原则，可以判断此处地下水比较发育。综合各超前地质预报手段分析结论，施工中易产生塌方、拱部掉块等地质灾害。施工过程中应加强超前钻探或加深炮孔法作进一步的探测，同时应短进尺、多循环、弱爆破、加强支护、及时衬砌，防止塌方、漏水等工程地质问题发生，确保工程质量及施工安全。
结束语
综上所述，伴随着经济水平和科学技术水平提高，隧道等一系列地下工程也取得了相应发展，因隧道地质条件比较复杂，对此，在施工过程中实施超强地质预报也变得尤为重要。超前地质预测预报。作为工序纳入施工组织管理，应给予必要的操作时间和空间，但现场操作时，地质预报工作与工期的矛盾比较突出，特别是对超前地质预报做得比较到位，超前钻孔打得比较多的重点长大隧道，占用施工时间较长。在隧道中应用超前地质预报技术，借助于各种手段以及技术预报隧道掌子面前方地质情况，在确保隧道施工顺利完成和安全的同时，还可在一定程度上避免对周围生态环境产生不利影响和破坏。
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第一作者简介：张同晓（1970- ），男，高级工程师，土木工程专业，中铁十四局集团第二工程有限公司
