摘要：在隧道开挖过程中，对掌子面前方的地质条件进行比较准确的预报，可有效地防止工程事故、加快施工进度以及保证工程质量。在地下工程施工中，地下水引起的地质灾害具有很大的危险性和突发性，所以要加强岩层地下水赋存情况的预测预报。本文对隧道超前地质预报和地下工程地下水超前地质预报的一些常用方法及其优缺点做了简要的介绍和比较。

关键词：隧道工程；超前地质预报技术；地质雷达；地下工程；地下水

 

0 引言

隧道工程在设计阶段有关地质资料大多是在地面上利用地面勘探、地质调查、钻孔测量和地球物理勘查方法获得的，而由于受工程地质条件和水文地质条件复杂多变性和目前勘查技术水平的影响，要想在施工前查明隧道围岩和其周围不良地质体(断层、破碎带、溶洞、暗河、软弱地层等)所处状态是十分困难的。在隧道工程修建过程中，由于前方地质情况不明，常常出现各种险情，例如塌方、涌水、岩爆、泥石流等地质灾害，这些问题的发生严重影响工程的进展，增加工程的造价，有时甚至会产生重大的事故。

地下水往往是和断层、溶洞等不良地质相伴相生的地质现象。断层、溶洞等在无地下水的情况下，对工程的危害相对较小，一旦赋存丰富的地下水，则工程地质灾害的危险性和突发性陡然增加，从某种意义上说，地下水危害已经成为影响地下工程安全的重要因素。因此提前预报开挖面前方的含水情况是相当必要的。

超前地质预报是结合现有地质资料，通过各种测量手段和分析方法，对开挖面前方的地质情况提前作出预报。突水预报是一个涉及到水文地质、工程地质、开采条件、岩石力学等诸多因素的复杂问题，借助于专家的实践经验和知识，运用合理的推理方法，建立一种突水预测与评价的专家系统方法一直是一个努力方向，然而由于专家经验和现场情况的不确定性，很难保证预测预报的成功率与准确性。自1972年在美国芝加哥首次召开的快速掘进与隧道工程会议至今，地下工程界一直关注施工超前地质预报工作。但是，在地下水地质超前准确的定量、定位预报方面，至今仍是国内外尚未攻克的技术难题和研究热点。采用科学的、先进的隧道超前地质预报技术预测、预报隧道开挖工作面前方的地质构造，准确查出隧道掘进方向的围岩性状、结构面发育情况，特别是溶洞、断层、破碎带和含水情况，减少隧道施工的盲目性一直是国内外隧道施工和地质工作的重要研究课题。

本文对隧道超前地质预报和隧道工程中采用的地下水超前预报技术的一些常用方法及其优缺点做了简要的介绍和比较。

 

1 常用隧道超前地质预报技术

超前地质预报可以探测掌子面前方的一些不良地质状况：如断层构造及断层破碎带、溶洞、裂隙及其规模和充填情况，地下水赋存状态及可能突水、涌水的位置、水量的大小及不同级别围岩的界面等。目前常用的超前地质预报方法依据预报的距离可分为长距离超前地质预报和短距离超前地质预报两类。长距离超前地质预报方法主要有TSP隧道地震波预报技术、长距离超前水平钻孔等，短距离超前地质预报方法主要有掌子面地质素描、地质雷达、红外探测等。

1．1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，是判断围岩类别最直接的资料，也是用以推断掌子面进深方向围岩状况的主要参照物和推断进深方向地质状况的边界条件。地质素描法理论基础牢固，设备简单，操作方便，不占用或很少占用隧道施工时间，成本低，但对操作人员地质知识水平要求较高，一般要求地质专业人员完成，且预报范围有限，特别是在地层岩性变化极为复杂的隧道中预报的准确率不高。

1．2地质雷达

地质雷达是目前分辨率最高的工程地球物理方法，在工程质量检测、场地勘察中被广泛采用，近年来也被用于隧道超前地质预报工作。地质雷达能探测到掌子面前方地层的变化，对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力。在深埋隧道和富水地层以及溶洞发育地区，地质雷达是一个很好的预报不良地质的手段。

地质雷达设备轻便，操作简便、灵活，适应性强，对施工干扰小，探测精确度较高，准确度较高，探测空间范围较广，特别是能形成围岩的总体和立体信息，但对测试资料的解译需由专业人员进行。

1．3TSP法

TSP203超前地质预报系统是专门为隧道和地下工程超前地质预报开发的，也是目前世界上在这个领域比较先进的探测设备。它是建立在对反射地震波信号的接收和处理基础上的测量系统，能准确预报隧道施工前方250m～500m范围内地质条件和岩石特性的变化，是一种三维空间的探测手段。

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方向及周围临近区域地质状况。TSP适用范围广、预报距离长、对隧道施工干扰小、预报精度高、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人意，且其只能对隧道围岩进行定性解释，而且还需要具有丰富地质工作经验的技术人员进行讲述，才能得到与实际地质情况相符的成果。

1．4红外探测

红外探测是一种建立在红外辐射场基础上的广义遥感技术。在隧道中，围岩每时每刻都在向外发射红外波段的电磁波，并形成红外辐射场，与此同时，必然会把它内部的地质信息(密度、能量)传递出来。干燥无水的地层和含水地层发射的红外辐射强度不同，地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化。红外探水仪通过接收岩体的红外辐射强度，根据拱顶、隧底、边墙、掌子面探测曲线和测量数据的变化能确定隐伏水体或含水构造所在空间方位。

红外探测具有以下几个特点：(1)探测距离短，为20m；(2)只定性告知20m范围内有无水，至于水压、水量、里程则探测不出；(3)适用于任何地层中定性判断探测点前方“有没有水”及水体存在方位；(4)仪器小巧轻便，操作简单，可实现全空间全方位探测；(5)资料分析简洁、快速、直观；(6)基本不占用隧道施工时间；(7)准确性高。

1．5超前水平钻孔

超前水平钻孔法是用钻探设备向掌子面前方钻探，从而直接揭示隧道掌子面前方地层岩性、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩石(体)的可钻性、岩体完整程度等资料，还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，是最直接有效的超前地质预报方法。超前水平钻孔可比较直观地告诉我们钻孔所经过部位的地层岩性、岩体完整程度、裂隙度、溶洞大小、有无水以及水压高低等。与物探方法相比，它具有直观性、客观性，不存在物探手段经常发生的多解性、不确定性，但其费用高，占用隧道施工时间长，且存在一孔之见的弊端。

 

2 地下突水超前预报方法

目前国内已开始应用井下物探技术，如坑道透视法、井下电法、氡气测定法等来探测充水水源和充水通道，并在研究、验证预测突水量的数学模型方面有较大进展。在国外物探方法也有一定的发展。如德、英、美等国研究槽波地震法探测落差大于煤厚的断层，以及采用井下数字地震仪探测岩层中的应力分布等。

2．1 超前钻孔法

超前钻孔法是在开挖面上进行钻孔，以探明巷道开挖面前方的地质情况，按钻孔器具的不同，又可分为超前地质钻孔法和超前风钻孔法。该方法用钻探设备向开挖面前方钻探，从而直接揭示前方地层岩性、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩石（体）的可钻性、岩体完整程度等。该方法常与水文地质测试法结合使用，是最常用、也是最有效的一种方法。

2．2 超前洞探法

超前洞探法又包括超前平行导洞法和超前小导洞法等。超前平行导洞法是在与巷道轴线相距一定距离的位置，平行于巷道开挖一导洞，以探明巷道的地质情况并兼做他用；超前小导洞法则是先沿巷道轴线开挖小导洞，探明地质情况。再将导洞扩大到巷道设计断面。该方法常与超前钻孔法配合使用。

2．3 红外线超前探水技术

该技术的原理是用红外线探测仪通过接收岩体的红外线幅射强度，根据围岩红外辐射强弱来推断开挖面前方30m范围内或周围区域是否存在含水体。利用红外线探测隐伏含水构造，主要是基于水体本身的热性质。首先，水的热导率比所有岩石的热导率低，对地下某一近水平的开挖空间来说，如果存在一个含水构造，这个含水构造中的水体不论是与巷道周围地层哪一部位发生水力联系，由于水自身的热导率很低，都很难被岩温所同化。所有岩石的比热均比水低，水体能最大限度的储存冷温和热温。此外，由于水的热扩散率低，因此从外部地层通过构造通道运移到采掘水平的隐伏水体，能够最大限度的保持原来所在地层的水温。故动水和岩温总是存在明显的温差。地温场理论指出，地球浅部0-20m为变温带，20-30m为恒温带，30m以下为增温带。在增温带中，处于同一水平的沉积岩，如果没有含水构造，在有限的开挖范围内，地温场是恒定值。当开挖周围空间出现含水构造时，正常温度将会叠加上含水构造的背景场，从而使正常地温场发生畸变。当地温场发生变化，开挖巷道周围介质所辐射的红外波段长的能量也要跟着变化。利用红外遥感技术进行施工前探水的主要手段是利用红外测温仪测量开挖面的岩石温度，连续获取岩石的温度信息，从温度异常点判断含水构造。测试过程是首先了解巷道内的正常红外辐射场和区域背景场。所谓正常辐射场，是指被测地层及相邻空间不存在隐伏含水构造，探测所获得的温度为一水平直线。区域背景场是指被测地层前方较远处存在一个含水构造，该构造暂时对施工不造成威胁。通过红外线测定，分析正常辐射场沿巷道长度在不同开挖时间的变化情况，并分析有没有背景场出现。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。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之上，仪器显示屏上的曲线出现数据突变。以此作为测定判断工作面前方含水构造的依据。根据红外辐射场曲线的变化规律，可以全空间、全方位探查地质含水体。

2．4 探地雷达法

探地雷达检测是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式在介质中传播，并根据产生的反射波进行判断。其工作过程是由置于地面的发射天线向地下发送一高频电磁脉冲波（主频为数十兆赫至数百兆赫乃至千兆），由于地层系统的结构层的电磁特性（如介电常数不同），当电磁波遇到不同结构层材料时，就会在其界面处发生透射和反射现象。电磁波在地层系统内传播的过程中，每遇到不同的结构层，就会在层间界面发生透射和反射，由于介质对电磁波信号有损耗作用，所以透射的雷达信号会越来越弱。各界面反射电磁波由天线中的接收器接收并由主机记录，利用采样技术将其转化为数字信号进行处理，得到从发射经地下界面反射回到接收天线的双程走时。当地下介质的波速已知时，可根据测到的精确走时值求得目标体的位置和埋深。这样，可对各测点进行快速连续的探测，并根据反射波组的波形与强度特征，通过数据处理得到地质雷达剖面图像。通过多条测线的探测，可了解场地目标体平面分布情况。通过对电磁波反射信号（ 即回波信号）的时频特征和振幅特征进行分析，便能了解地层的特征信息（ 如介电常数、层厚空洞等）。目前广泛采用探地雷达（GPR）技术探测开挖面前方30m 范围内及巷道底部的地质状况。针对探测地下含水体这一特殊问题。可以选用合适的时频变换作为地质雷达时频分析手段，探讨地质雷达信号的时频规律。当雷达波穿过潜水体时，潜水面下的反射波组较潜水面上的反射波组高频成分信号有较大的衰减。因而，雷达波的时频分析可以成为判断岩层是否含水的重要手段。在巷道前方岩石破碎带中岩土含水率和矿化度都会发生变化，从而使破碎面上的介电常数与周围地层有很大差异，破碎面上反射波振幅能量明显比两侧基岩信号强，其反射波同相轴连线为破碎带的位置。地下水富集部位，形成高频信号强吸收带，因而在这些部位雷达波波幅很弱。

3 结语

隧道超前地质预报技术对于隧道施工安全、施工质量和进度极为重要。由于受各种条件的限制，不同的隧道超前地质预报方法各有优缺点。在地质勘探资料的基础上采用长短结合的综合超前地质预报方法可以提高预报的精度。受各种条件的限制，不同的地质超前预报方法有各自的优缺点。超前平行导坑法具有地质法的优点，但投资大，且巷道与导坑间距过大、地层变化复杂时准确率明显降低，因此适用于设计间距较小、地层受构造影响小的平行巷道工程。超前钻孔法是最直接有效的地质超前预报方法，但一次钻探距离短，费用高且施工时间长。红外线超前探水技术对于岩体中较小的含水体预报准确性较差，且该方法要求全程监测，工作繁琐且可靠性不高。高密度电阻率法是根据岩石与电阻的关系来推断其性质的一种方法。电测法简便、成本低，但必须是以各层间电阻值具有一定的差别为前提，一般受制于巷道空间狭小的局限。地质雷达探测技术具有分辨率高、无损伤、探测和数据处理速度快、机动灵活、操作方便、抗干扰能力强等优点，可对巷道一定范围内进行全方位探测，但是其预报距离较短，只能预报掌子面前方10-50m处的工程地质、水文地质条件。TSP是一种新颖、快速、有效、无损的反射地震技术。在大多数岩层结构中，它的有效预报范围可达100m，在坚硬的岩层中可达200m，同时整个测量工作对巷道施工不会有干扰，或者仅有细微的干扰。因此，这种预报方法可作为一种有效的测量手段。但由于TSP属于地震预报法，只能得到有关岩石的物理特性，如地震波波速、泊松比等，故也存在多解性的特点。

由上述分析可知，地下含水体等不良地质情况的超前预报，特别是准确的定量、定位预报，是国内外巷道施工地质界尚未攻克的技术难题。因此对不同地质条件，应充分考虑其地球物理特征，选择多种有效的地球物理方法进行综合勘探，结合地质构造特点对观测资料进行综合分析和解释，最大限度地消除解释的非唯一性，满足巷道不良地质超前探测的实际需要。综合地球物理勘探解释可以是利用反映介质相同或相似特性的不同方法之间的综合解释，如地震反射资料、折射资料和天然地震资料的综合解释，也可以是反映介质不同待性的不同方法之间的综合解释，如电法勘探、热红外技术与地震勘探等资料的综合解释。结合应用GPR方法和TSP方法进行超前预报，不仅可以解决巷道开挖面前方地下水预报问题，还可以进行断层溶洞等综合预测，因而是较好的综合预报方法。