隧洞施工超前預報現狀概述
發布時間：2010-01-14 共2頁
4、超前預報方法
4.1 直接預報法
4.1.1 水平鉆孔
在隧洞內安放水平鉆機進行水平鉆進，根據鉆孔資料來推斷隧洞前方的地質情況。鉆孔數量、角度及鉆孔深度可人為設計和控制。由鉆進速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液顏色、氣味、巖粉及遇到的其它情況來預報。此法可以反映巖體的大概情況，比較直觀，施工人員可根據實際地質情況進行下步施工組織。
水平鉆孔主要布置在開挖面及其附近，既可在超前導洞內布置鉆孔，也可在主洞工作面上進行鉆探，用以獲得準確可靠的地質資料，確保施工組織。該法可獲得工作面前方一定距離的巖芯，也可由鉆孔出水情況判斷前方有無地下水和前方何處有地下水，從而可以得到開挖面前方的地質情況。該法是施工預報最有效方法之一，但也存在不足之處：①對垂直隧洞軸線的地質結構面預報效果較好，與隧洞軸線平行的結構面預報較差；②需占用較長的施工作業時間，費用較高。
4.1.2 超前導坑
按導坑與正洞的相互位置分為平行導坑和正洞導坑。其中，平行導坑與正洞平行，斷面小且和正洞之間有一定距離，通過對導坑開挖中遇到的構造、結構面或地下水等情況作地質記錄與分析，進而對正洞地質條件進行預報。該法的優點是：預報成果比較直觀、精度高、預報的距離長、便于施工人員安排施工計劃和調整施工方案，還可以起到減壓放水、改善通風條件和探明地質構造條件的作用，同時，還可用作排除地下水、斷層注漿處理、擴建成第二條隧洞之用。正洞導坑布置在正洞中，是正洞的一部分，其作用與平行導坑相比，效果更好。超前導坑的缺陷為：一是成本太高，有時需要全洞進行平導開挖；二是施工工期較長。
4.2 地質分析法
4.2.1 斷層參數預測法
利用斷層影響帶的特殊節理或集中帶的分布規律，通過對斷層影響帶的系統編錄所得經驗公式，來預報隧洞斷層破碎帶的位置和規模。由于大多數不良地質現象與斷層破碎帶有密切的關系，故依據斷層破碎帶推斷其它不良地質體的位置和規模。
4.2.2 地質體投射法
在地表準確鑒別不良地質體的性質、位置、規模和巖體質量及精確測定不良地質體產狀的基礎上，應用地質界面和地質體透射公式進行預報。
4.2.3 正洞地質編錄與預報
隧洞施工中，及時對其開挖面（掌子面、邊墻面和拱頂面）上的各種地質現象進行測繪和記錄，利用已挖洞段地質情況來預報前方可能出現的不良地質現象。它分為①巖層巖性和層位預測法：在開挖面揭露巖層與地表某段巖層為同層和確認標志層的前提下，用地表巖層的層序預測掌子面前方將要出現的巖層；②地質體延伸預測法：在長期預報得出不良地質體厚度的基礎上，依據開挖面不良地質體的產狀和單壁始見位置，經過一系列的三角函數運算，求得條帶狀不良地質體在隧洞掌子面前方消失的距離。
該法是對開挖面地質情況如實而準確的反映。其主要內容包括地層巖性、構造和節理裂隙發育情況、地下水狀態、圍巖穩定性及初期支護采用方法等。其優點是占用施工時間很短，設備簡單，不干擾施工，成果快速，預報效果較好，而且為整個隧洞提供了完整的地質資料；缺點是與隧洞夾角較大而又向前傾的結構面容易產生漏報。
4.3 物探法
4.3.1 彈性波法
4.3.1.1 TSP超前預報技術
TSP（Tunnel Seismic Prediction）超前預報系統是利用地震波在不均勻地質體中產生的反射波特性來預報隧洞掌子面前方及周圍臨近區域的地質情況。該法屬多波多分量探測技術，可以檢測出掌子面前方巖性的變化，如不規則體、不連續面、斷層和破碎帶等。它可以在鉆爆法或TBM開挖的隧洞中使用，而不必接近掌子面。數據采集時在隧洞一邊側墻等間隔鉆制20余個炮孔，而在兩側壁鉆取2個檢波器孔，使檢波器置入套管中，依次激發各炮，從掌子面前方任一波阻抗差異界面反射的信號及直達波信號將被2個三分量檢波器接收，該過程所需時間約1小時。然后利用TSPwin軟件處理可得P波和S波波場分布規律，其分析過程為：數據調整→帶通濾波→首波拾取→拾取處理→炮能量平衡→直達波損耗系數Q估算→反射波提取→P波、S波分離→速度分析→縱向深度位置搜索→反射界面提取等，最終顯示掌子面前方與隧道軸線相交的反射同相軸及其地質解譯的二維或三維成果圖。由相應密度值，可算出預報區內巖體物理力學參數，進而可劃分該區圍巖工程類別。實踐表明該法有效預報距離100～200m.
通過分析反射波速度，即可進行時深轉換，由隧洞軸的交角及洞面的距離來確定反射層所對應界面的空間位置和規模，再結合P波和S波的動力學特征，遵循以下原則來推斷地質體的性質：①正反射振幅表明進入硬巖層，負反射振幅表明進入軟巖層；②若S波反射較P波強，則表明巖層飽水；③Vp/Vs增大或泊松比突然增大，常常由于流體的存在而引起；④若Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加。
TSP超前預報技術作為一種比較先進的探測手段已在我國水利、水電、鐵路、公路、煤炭等系統的各類隧洞或地下洞室工程中得到應用，如正在建設中的宜萬鐵路野三關隧洞、遼寧大伙房水庫引水隧洞、云南元磨高速公路的大風埡口和布垅箐隧洞等工程。它具有預報距離相對較長、精度較高、提交資料及時、經濟等優點，尤其與隧洞軸線或呈大角度相交的面狀軟弱帶，如斷層、破碎帶、軟弱夾層、地下洞穴（含溶洞）以及地層的分界面等效果較好。而對不規則形態的地質缺陷或與隧洞軸線平行的不良地質體，如幾何形狀為圓柱體或圓錐體的溶洞、暗河及含水情況探測有一定的局限性。
4.3.1.2 地震負視速度法
它是將地震勘探中VSP法應用于近水平的隧洞中，也是利用地震反射波特征來預報隧洞開挖面附近圍巖的地質情況。在側壁的一定范圍內布置激震點進行激發，其振動信號在隧洞圍巖內傳播，當巖層波阻抗發生變化時，地震波信號將部分返回。反射界面與測線直立正交時，所接收的反射波與直達波在記錄圖像呈負視速度，其延長線與直達波延長線的交點即為反射界面的位置，縱、橫波共同分析還可了解反射界面兩側巖性及軟硬程度的變化。該法具有明顯的方向特征，可有效區分掌子面前方反射信號與周圍干擾信息，提高了識別物性界面的精確度，能對其進行較為準確的定位，預報距離可達100m以上。
觀測時在已開挖洞段的側壁或底部布設，距掌子面一定距離布設一激震點和一系列接收點，采用多炮共道或多道共炮。當偏重于運動學特征參數的應用時共炮與共道兩種記錄方式可任意選用；當要求測試設備簡化與強調接收條件一致性時，宜采用多炮共道式；當強調動力學參數的對比利用時，則宜選用多道共炮方式。為獲取“負視速度”，震源應在預報目的體的遠端，接收點間距采用小道間距，多道接收。根據需要與設備條件，可采用單分量、三分量或組合檢波器。
負視速度法的原理與TSP法基本相同，只是數據處理軟件的開發尚難趕上TSP法。此法在實施預報時不占用開挖工作面，對施工干擾相對較小，在鐵路隧洞工程中是常用的預報方法之一，如在渝懷鐵路圓梁山隧道正洞、平導和迂回導坑以及朔黃鐵路長梁山隧洞施工中，均采用了負視速度法，取得了較好的預報效果。
4.3.1.3 TST超前預報技術
TST（Tunnel Seismic Tomography）超前預報系統是通過可視化地震反射成像技術預報隧洞掌子面前方150m范圍內的地質情況，可準確預報斷裂帶、破碎帶、巖溶發育帶以及巖體工程類別變化等地質對象的位置、規模和性質。該法數據采集用多道數字地震儀，處理軟件為三維地震分析成像系統。它充分運用地震反射波的運動學和動力學特征，具有巖體波速掃描、地質構造方向掃描、速度偏移成像、吸收系數成像、走時反演成像等多種功能，從巖體的力學性質、巖體完整性等多方面對地質情況進行綜合預報。
測試時可在隧洞內掌子面、兩側、上頂和下底面，也可在隧洞外山頂布置。洞內觀測時檢波器埋入巖體1～1.5m，以避免聲波和面波干擾。可采用爆炸或錘擊激發地震波。
TST軟件包括地震數據預處理和偏移成像等功能。預處理功能包括：①噪聲和干擾切除；②濾波和面波清除；③小波分析與信號加強；④地震波能量吸收譜分析；⑤地震波走時拾取。偏移成像功能包括：①速度掃描分析與巖體工程類別判別；②方向掃描與構造產狀分析；③地質界面速度偏移成像；④巖體完整性吸收偏移成像；⑤地震波走時地質界面反演成像；⑥斷裂與破碎帶智能識別；
該技術在云南明珠隧洞應用取得了良好的效果，所得成果為：①地質界面波速偏移成像；②巖體吸收特性偏移成像；③地震波走時反演成像；
4.3.1.4 水平聲波剖面法（HSP）
它利用孔間地震剖面法（ABSP）的原理及相應軟件開發的一種超前預報方法。其原理是向巖體中輻射一定頻率的高頻地震波，當地震波遇到波阻抗分界面時，將發生折射、反射，頻譜特征也將發生變化，通過探測反射信號（接收頻率為聲波頻段的地震波），求得其傳播特征后，便可了解工作面前方的巖體特征。震源和檢波器的布置除離開開挖面對施工干擾較小外，還因反射波位于直達波、面波延續相位之外而不受干擾，因此記錄清晰、信噪比高、反射波同相軸明顯。
觀測時在隧洞的兩個側壁分別布設震源和檢波器，按其相對位置設計成兩種觀測方式即固定激發點（或接收點）和激發與接收點相錯斜交方式。震源在預報目的體的遠端，接收點間距采用小道間距，多道接收，構成“水平聲波剖面”。利用時差和頻差與地質相結合的方法確定反射面的空間方位并“投影”到該剖面上，從而確定反射面的空間位置及性質。其特點是各檢測點所接收的反射波路徑相等，反射波組合形態與反射界面形態相同，圖像直觀，同時觀測時也不影響掌子面的掘進。
該法已在工程中得到應用，如渝懷鐵路的圓梁山隧洞、千溪溝隧洞等，均取得了較好效果。目前，該法數據采集單元和現場實測過程進行了較大的改進，可以在開敞式TBM法施工的隧洞中掘進機不停的情況下進行測試，因而具有較大的優越性，但尚處于研制和初步應用階段，例如在遼寧大伙房引水工程TBM2隧洞中進行試驗。
4.3.1.5 TRT真地震反射成像技術
TRT（True Reflection Tomography）真地震反射成像法是利用巖體中不均勻面的反射地震波進行超前探測，它是美國NSA工程公司近年開發的新方法，國外已實際應用。該法在觀測方式和資料處理方法上與TSP法及負視速度法均有很大不同，它采用空間多點激發和接收的觀測方式，其檢波點和激發點呈空間分布，以便充分獲得空間場波信息，從而使前方不良地質現象的定位精度大大提高；它的數據處理關鍵技術是速度掃描和偏移成像，不需要走時，因此，對巖體中反射界面位置的確定、巖體波速和工程類別的劃分都有較高的精度，而且還具有較大的探測距離，應該說較TSP法有較大的改進。由實際應用知，TRT法在結晶巖體中的探測距離可達100～150m，在軟弱的土層和破碎的巖體中尚可預報60～100m.該法成功應用的例子很多，較典型的是奧地利的通過阿爾卑斯山的鐵路雙線隧洞施工中進行了全程的超前預報。由于多種因素，目前國內尚未引進該技術。
4.3.1.6 陸地聲納法
它是“陸上極小偏移距高頻彈性波反射連續剖面法”的簡稱，可在狹小的場地和基巖裸露的條件下，探查巖溶等有限物體。也稱為高密度地震反射或地震映像法。施測時采用極小偏移距地震波激發—接收系統，進行單點測量或在激震點兩側對稱位置上各設一檢波器，一次激發兩道接收。源檢距的大小根據最小探查深度而定，以目的體反射波不受先到的干擾波影響為準。為提高分辨率，需激發和采集高頻信號。采用電聲轉換聲學發射裝置來激發頻率為幾千赫至幾十千赫的彈性波。由于可采集很寬頻率的反射信號，故可以用分窗口帶通濾波的方法處理資料，分別提取不同頻譜的信息，以突出不同規模的探查對象的反射圖像。
該法具有分辨率高、可避開許多干擾波、反射波能量高、探查巖溶和洞穴效果好、圖像簡單易辨等優點，但需占用開挖面工作時間且實測剖面較短。已在云臺山鐵路隧洞、南昆線鋁廠隧洞等工程中應用，預報距離50～100m.
4.3.1.7 面波法
分為穩態法和瞬態法。穩態法在掌子面上放置一個激振器，用計算機控制激振器使其產生各種不同波長的波面，用兩個拾振器同時接到不同方向的振動波，由計算機算出每一種波長的面波傳播速度，根據面波的勘測深度等于波長的二分之一的原理，即可得到一組不同深度的面波平均速度的分布規律，不同介質面波的傳播速度不同。從不同面波速度分布圖，就可以反應出地質構造的不同介面，如斷層、地下水等特性變化。瞬態法由于排列長度的關系未見實際應用的報道。
此法需要的場地較小，適合在地下洞室開挖面上工作，探測深度也能滿足施工預報的要求，對資料的分析判斷可在現場進行，操作簡便。已在南嶺隧洞中應用，很清楚地發現距工作面幾米處的斷層破碎帶。但該法在開挖面上能探測多遠的距離，尚需進一步實驗研究。
4.3.2 地質雷達技術
利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，由掌子面通過發射天線向前發射，當遇到異常地質體或介質分界面時發生反射并返回，被接收天線接收，并由主機記錄下來，形成雷達剖面圖。由于電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁波場強度以及波形將隨所通過介質的電磁特性及其幾何形態而發生變化。因此，根據接收到的電磁波特征，既波的旅行時間、幅度、頻率和波形等，通過雷達圖像的處理和分析，可確定掌子面前方界面或目標體的空間位置或結構特征。當前方巖體完整的情況下，可以預報30m的距離；當巖石不完整或存在構造的條件下，預報距離變小，甚至小于10m.雷達探測的效果主要取決于不同介質的電性差異，即介電常數，若介質之間的介電常數差異大，則探測效果就好。由于該法對空洞、水體等的反映較靈敏，因而在巖溶地區用得較普遍。缺點是洞內測試時，由于受干擾因素較多，往往造成假的異常，形成誤判。此外它預報的距離有限，一般以不超過30m，且要占用掌子面的工作時間。
應用地質雷達進行超前預報，在鉆爆法施工的隧洞中使用相對較多，如太平驛水電站引水隧洞、海南高速公路東線大茅隧洞等工程中應用，均取得了較好的應用效果。由于探測時需要占用掌子面的工作時間，故在掌子面上測試時需要停機進行，因而TBM法施工的隧洞中應用時需作特殊研究解決。
4.3.3 紅外探水法
由于所有物體都發射出不可見的紅外線能量，該能量大小與物體的發射率成正比。而發射率的大小取決于物體的物質和它的表面狀況。當掌子面前方及周邊介質單一時，所測得的紅外場為正常場，當存在隱伏含水構造或有水時，他們所產生的場強要疊加到正常場上，從而使正常場產生畸變。據此判斷掌子面前方一定范圍內有無含水構造。
現場測試有兩種方法：一是在掌子面上，分上、中、下及左、中、右六條測線的交點測取9個數據，根據這9個數據之間的最大差值來判斷是否有水；二是在已挖洞段按左邊墻、拱部、右邊墻的順序進行測試，每5m或3m測取一組數據，共測取50m或30m，并繪制相應的紅外輻射曲線，根據曲線的趨勢判斷前方有無含水。
掌子面上9個數據的最大差值大于10μw/cm2，就可以判定有水；紅外輻射曲線上升或下降均可以判定有水，其他情況判定無水。紅外探測的特點是可以實現對隧洞全空間、全方位的探測，儀器操作簡單，能預測到隧洞外圍空間及掘進前方30m范圍內是否存在隱伏水體或含水構造，而且可利用施工間歇期測試，基本不占用施工時間。但這種方法只能確定有無水，至于水量大小、賦水形態、具體位置沒有定量解釋。
4.3.4 BEAM法
BEAM（Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring），這是當前國際上唯一的一種電法超前預報方法，是由德國GEOHYDRAULIC DATA公司推出的產品。它是一種聚焦電流頻率域的激發極化方法，其最大特點是通過外圍的環狀電極發射一個屏障電流和在內部發射一個測量電流，以便電流聚焦進入要探測的巖體中，通過得到一個與巖體中孔隙有關的電能儲存能力的參數PFE（Percentage frequency effect）的變化，預報前方巖體的完整性和含水性；它的另一個特點是所有的裝置都安裝在盾構挖掘機的刀頭（測量電極）和外側鋼環（屏蔽電流）上，也可裝在鉆爆法施工鉆頭的前方（測量電極）及兩側鋼架（屏蔽電流）上，隨著隧洞掘進，連續不斷獲得成果，并適時處理得出掌子面前方的PFE曲線。由此預報前方巖體的性狀及含水情況。這種儀器在歐洲許多國家都已得到應用，但在我國尚未引進。
4.4 地質物探綜合分析法
要推動隧洞超前預報水平，提高預報準確度，就必須將地質調查方法與多種物探方法有機結合起來，對地質物探資料進行系統處理和綜合分析。其工作方法和主要內容為：
⑴ 收集、熟悉地質資料：了解工程區內宏觀的地質環境、大型構造形跡的發育分布規律以及工程圍巖所處的具體構造部位、巖體的結構特征、節理裂隙發育程度、巖體完整性、巖石（體）強度、地下水狀態等；掌握全隧洞的地質背景，指出存在的不良地質問題和地段，還要知道各段圍巖的穩定程度、可能發生地質災害的位置、規模、性質和防治措施，目的在于保證隧洞施工設計、施工方法和措施能順應地質情況的變化適時做出調整和修改。
⑵ 施工地質編錄：對已開挖洞段地質狀態作詳細真實的描述，可作為超前預報的依據，該內容包括巖性、巖石堅硬程度及完整情況、斷層及破碎帶、節理裂隙、地下水狀態、不良地質現象等作編錄。
⑶ 圍巖特性測試：根據工程需要，對巖石物理力學特性進行補充測試，如巖石點荷載強度、巖石回彈值、巖體彈性模量、軟弱面剪切強度等，有時還應進行初始地應力和二次應力場的測試等。上述數據是預報圍巖穩定性的重要參數。
⑷ 地球物理探測：根據巖體不同物理性質量測一定距離以內的物理力學參數的變化，據此判斷出隧洞工作面前方的地質情況。采用多種物探儀器進行超前探測，常用的物探方法有地震反射、聲波反射、地質雷達、TSP203隧道超前地質預報系統等技術。
⑸ 地質物探綜合分析：組成以地質工程師為主物探及相關工程技術人員的施工地質組，對上述地質和物理探測資料進行整理和綜合分析，最后做出施工面前方不良地質問題的預測預報。
5、結語
以上較為詳細的介紹了當前我國隧洞施工超前預報的現狀及其探測技術。筆者認為：實施超前預報應首先收集和熟悉已有資料，提出預報探測的計劃和重點；然后配合施工進程，開展地表補充調查和洞內地質素描，以施工地質調查資料為依據，演繹隧洞內需要超前探測段的地質理想模型；接著選擇一種以上對施工干擾少、探測時間短的有望達到預報目標的物探技術，開展室內和現場實測；最后組成地質、物探及相關工程專業人員的分析組，對地質和物探資料進行系統處理和綜合分析，提出預報意見。
為提高超前預報精度，有必要對現有技術方法進行改進，尤其是觀測方法應全方位進行，以獲得三維空間圍巖性態，提高定位精度。資料處理應建立不同地質界面的特征識別模式，提高判別準確性。
目前國內正在進行大規模的水利水電、鐵路和公路工程建設，需要修建大量的隧洞和洞室，而投入合理的超前預報技術將在減少和消除地下工程的災害發揮巨大作用。
由于隧洞工程超前預報工作目前尚有許多不成熟之處，因此需在實踐過程中不斷總結和提高。
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