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目前隧道施工超前地質(zhì)預報技術仍處在對單個方法、單一參數(shù)的解釋研究階段，由于地質(zhì)預報的具體方法各有其特點和局限性，很難找到一種適合于各種隧道地質(zhì)災害的探測方法，因此，就地球物理方法與隧道施工特點相結(jié)合進行綜合預報，以解決隧道超前地質(zhì)預報的多解性、預報精度及方法缺陷等問題做了較詳細的介紹。
關鍵詞：隧道；超前地質(zhì)預報；地質(zhì)災害；綜合參數(shù)；預報模式
中圖分類號： U456.33 文獻標志碼：B 文章編號：1009-7767（2012）05-0000-00
Tunnel Construction ahead Geological Prediction Technology Summarizing
Ye Ying
隧道施工超前地質(zhì)預報是指對隧道開挖掌子面前方的地質(zhì)情況及不良地質(zhì)體的工程性質(zhì)及位置、產(chǎn)狀進行探測、分析解釋及預報。隧道超前地質(zhì)預報從探測位置上可分為（洞外）地面預報與（洞內(nèi)）掌子面預報；從預報性質(zhì)上可分為物探方法、地質(zhì)方法、化探方法；從預報距離上可分為長距離預報（>100m）、短距離預報（<30m）與臨近預報（<10m）。
隧道施工過程中常見的地質(zhì)災害有：斷層破碎帶、巖性界面不整合接觸帶；巖溶、陷落柱及采空區(qū)；
巖爆；軟巖；地下水等。存在的主要問題有：①利用單一方法、單一參數(shù)解決某個具體問題，存在預報精度低、有多解性的現(xiàn)象；②某個具體方法的探測由于與現(xiàn)場裝置布置有關，從而存在對某種類型地質(zhì)體探測有利，對某些形狀或不同類別的災害體探測不利的現(xiàn)象；③目前適合于隧道掌子面的預報方法較少，使得超前地質(zhì)預報的方法組合受到限制。
1常見的掌子面超前地質(zhì)預報方法
隧道地震預報在掌子面附近的排布方法有多種，可分為二維2D（測線）觀測系統(tǒng)和三維3D（面積）
觀測系統(tǒng)。
1）2D觀測系統(tǒng)是震源與接收器沿測線排列。常見的2D觀測系統(tǒng)有：將炮點與接收器均設置在側(cè)墻的排布方式（見圖1、2），簡稱TSP（Tunnel Seismic Prediction）；將炮點設置在掌子面多個接收器在側(cè)墻上的排布方式，簡稱VSP（Vertical Seismic Profiling）；在隧道的2個側(cè)壁分別布設震源和檢波器，按其相對位置固定激發(fā)點（或接收點）和激發(fā)與接收相交錯的排布方式，簡稱HSP（Horizontal Sound wave Profiling）；把激發(fā)點和接收器按一定排列布置在隧道掌子面的排布方式，稱為垂直地震波排布（極小極距偏移法）。2D觀測系統(tǒng)通常主要預報較為簡單的二維地質(zhì)構(gòu)造，如斷層破碎帶、巖性界面等。
圖1 TSP現(xiàn)場排布
圖2 TSP測量原理
2）3D觀測系統(tǒng)是將震源點與接收器按空間排布，構(gòu)成空間位置或角度偏移，3D觀測系統(tǒng)有：TRT(True Reflection Tomography)（特定震源點與接收器的空間排布，采用距離偏移法）、USP（Underground Seismic Prediction）（震源點與接收器空間排布，見圖3，采用角度偏移法，每個接收器有64個分量）。只有三維的
觀測系統(tǒng)才能進行諸如形狀體的地質(zhì)災害探測，如巖溶、陷落柱、采空區(qū)
圖3 USP的3D觀測系統(tǒng)常用排列
目前的隧道地震預報采用的主要方法為反射波法，對地震記錄識別和追蹤的對比原則主要是位置對比（距離偏移）法。由于不同的排布方法各有其優(yōu)缺點，因此大部分儀器都有其自身的現(xiàn)場排布方法，不同的儀器是結(jié)合某個具體的排布設計相應地解釋處理軟件。如TSP202、203有其自身固定的排布方法，其他的相關儀器也類同，也有個別儀器在設計時同時考慮了適用幾種排列。
隧道電性預報方法主要有：GPR地質(zhì)雷達法、BEAM激發(fā)極化法、TEMT瞬變電磁法等。地質(zhì)雷達法屬廣普電磁法，應用較廣泛；BEAM法在國外應用較多，國內(nèi)案例較少；瞬變電磁法在國內(nèi)的研究與應用都較多。
2 超前地質(zhì)預報的實施
通常在對前期地質(zhì)勘查資料仔細研究后，并結(jié)合隧道工程進度、現(xiàn)場條件及物性參數(shù)測試，進行預報方法比選?？紤]到工程的整體進度，一般結(jié)合掌子面的具體情況采用長距離與短距離預報相結(jié)合的方法。同時，也要考慮隧道（洞外）地面超前預報方法。有時地面超前預報更方便、有效，所以應針對某個具體
隧道情況全面考慮。
預報方法可以組合與搭配，且前一參數(shù)或方法將為后一方法提供目標地質(zhì)體的特征或形態(tài)。后一方法的裝置排列設計將依照前一方法的結(jié)果進行。因此，相應的方法“先后合理”是指對隧道超前地質(zhì)預報實施過程中強調(diào)先后順序，它是超前地質(zhì)預報是否成功的重要保證。隧道超前地質(zhì)預報共有7個合理步驟。
1）充分收集已有的地質(zhì)資料。
資料收集和分析是隧道施工超前地質(zhì)預報的基礎，它直接關系到預報結(jié)果的準確性，是做好施工超前地質(zhì)預報工作的第一步。已有的地質(zhì)資料一般包括：①前期勘查資料。對這些資料進行分析研究，可以對工程范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造規(guī)律有基本的認識。經(jīng)驗證明，對構(gòu)造規(guī)律的掌握程度直接影響預報的準確度。在熟悉已有資料基礎上，應在地表進行實地踏勘并核對以便加深感性認識，從宏觀上了解隧道所在地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造單元及其特征和可能遇到的不良地質(zhì)地段，在此基礎上可大致確定預報的重點內(nèi)容。②施工過程資料。其中：施工掌子面地質(zhì)素描、鉆速測試可以收集到掌子面沒有露頭的與洞軸線近于正交的巖體軟弱帶情況；聲波測試可以收集掌子面內(nèi)部巖性變化情況，并為超前預報提供波速數(shù)據(jù)；裂隙網(wǎng)絡窗口調(diào)查為三維網(wǎng)絡計算機模擬提供數(shù)據(jù)，同時驗證預報效果。
2）描述所要預報的地質(zhì)災害體特征。
根據(jù)已有的地質(zhì)資料結(jié)合施工方法便可以確定地質(zhì)災害類型，并明確災害體的特征，對災害目標體進行地質(zhì)和地球物理的屬性描述，分析可能的參數(shù)特征，針對不同的災害類型盡可能地細化參數(shù)，還可配合已知
資料進行部分的巖性參數(shù)測試，從而準確把握地質(zhì)災害特征因素。
3）建立預報模式。
由于在某個局部地質(zhì)環(huán)境下，其災害地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有相對穩(wěn)定的特點，并且災害局部地質(zhì)受到特有地質(zhì)環(huán)境的影響，通常具有某些地質(zhì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)造上的特點。因此，在某些地區(qū)建立特定的隧道預報模式是必要的。這也說明針對某個工程項目要充分研究當?shù)貐^(qū)域地質(zhì)環(huán)境的重要性。根據(jù)地質(zhì)災害體的類型和特征參數(shù)，分類建立地質(zhì)預報模式（見表1），明確預報的各具體參數(shù)。
以上模式要能區(qū)分不同災害體的位置、形狀、大小、產(chǎn)狀及性質(zhì)等要素，同時要考慮施工因素及現(xiàn)場條件的影響。
4）選擇具體的預報方法。
首先，根據(jù)已建立的預報模式，結(jié)合隧道施工現(xiàn)場和地面條件，考慮施工方法要求，了解現(xiàn)場的地質(zhì)噪聲和干擾水平，兼顧隧道掌子面超前地質(zhì)預報和地面（洞外）預報方法，全面考慮應采用的具體方法；然后，明確以某個具體方法作為主導的、長距離的預報；最后確定相應的配合方法。主導方法要有普適性，配合方法有針對性。同時注意先進行主導方法的探測，配合方法應在有異常的部位進行，且網(wǎng)格細度應依次加密。
5）預報結(jié)果分析。
根據(jù)預報結(jié)果來消除干擾及假異常。應盡可能采用專業(yè)軟件分析、認識各種異常特點，特別要注意將預報的異常體分為不同類別，因為每個地區(qū)都會有特定的異常特點。正確地認識異常特點會指導下一步的工作。同時明確哪些異常對施工開挖具有危害，哪些異常要進行必要的鉆孔與測孔驗證。另外，還應分析已采用的預報模式及方法本身的缺陷和可能會遺漏哪些類型的異常，這些異常如何在施工中加以防范。
6）鉆孔與測孔的驗證工作。
對重要的、嚴重的地質(zhì)災害體進行必要的鉆孔與測孔的驗證是對預報結(jié)果的進一步論證，同時也是對預報工作的進一步細化和指導。
7）對不同類型災害體的施工預案。
根據(jù)預報結(jié)果可指導隧道施工中對災害體的開挖與支護，并建立隧道地質(zhì)災害的等級，明確各種等級災害體的開挖方法和支護參數(shù)選取。因為，一旦開挖遇到地質(zhì)災害體，就必須立即確定防護方案，以防災害體迅速擴大。因此，隧道地質(zhì)災害預案應在超前地質(zhì)預報結(jié)果中建立。
3 不同工況的超前地質(zhì)預報方法
3.1 山嶺隧道施工
山嶺隧道正在朝“長、大、深”方向發(fā)展，由于其具體工程特點不同，所以采用的預報方法也不同。
3.1.1 工程特點
山嶺隧道通常較長、埋深較大，在前期勘察期間由于受技術手段和現(xiàn)場條件所限（如：勘查較粗，且地面條件較差；地表植物較多，不利于許多方法探測；許多地球物理方法的縱向分辨率隨著深度的增加而降低，且隧道開挖直徑僅16m，埋深150m，縱向分辨率為90%），使地表探測的難度加大，前期勘察資料的準確度和可靠性就較差。
3.1.2 預報方法
山嶺隧道應以掌子面超前地質(zhì)預報為主，而長距離預報應以地震反射法中角度偏移法為主。其他電性方法，由于供電等原因，且探測距離較淺，可作為輔助方法?？倓t是“綜合參數(shù)（波速+電阻率）、長短結(jié)合（地震反射法+電性方法）”。地震反射法有：TSP、VSP、HSP、TRT、USP等。電性方法有：GPR地質(zhì)雷達、TEMT瞬變電磁法、BEAM激發(fā)極化法。鉆孔方法有彈性波和電磁波CT。預報時可根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件復雜情況選擇使用。
3.2 地鐵淺埋暗挖法和盾構(gòu)法施工
地鐵施工目前基本不做掌子面超前地質(zhì)預報，但并不表明地鐵施工不需要超前地質(zhì)預報。因為目前國內(nèi)大范圍地鐵施工仍在地表下20m以上施工，且地鐵隧道前期勘察資料相對山嶺隧道而言較為詳細；另外，地鐵所選線路基本都在原有城市道路下方，地鐵所穿越的上方既有市政設施及既有構(gòu)筑物基本已知；再者，地鐵主要建設在大型城市市域內(nèi)，而我國大多城市都建設在沖洪積平原上，土體隧道居多，當然也有巖質(zhì)隧道和較為復雜的巖溶地區(qū)。雖然，地鐵隧道遠比山嶺隧道地質(zhì)情況簡單，但是其修建于鬧市區(qū)，對地層變形和既有設施的保護又遠比山嶺隧道難于控制。所以，地鐵隧道對超前地質(zhì)預報技術的需求是迫切的，技術要求更加精細，出現(xiàn)的問題也很多。現(xiàn)階段不做掌子面前方預報，主要受預報技術和儀器設備所限。
3.2.1 工程特點
1）埋深相對較淺，地質(zhì)情況相對簡單，但變化較頻繁，更注重對既有構(gòu)筑物的保護；2）對盾構(gòu)施工而言，更注重對大粒徑（50cm以上）卵礫石分布和詳細位置的探測與預報；3）對砂性土體則注重對空洞、水囊的探測；4）地下水對工程施工的影響很大，也是探測預報的重點。
3.2.2 預報方法
由于地鐵施工埋深較淺，所以就國內(nèi)現(xiàn)有技術而言，地鐵前方預報方法應以地面方法為主（20m以上）、掌子面方法為輔。但是地面探測受各種干擾影響較大，如振動、電磁干擾等等，目前北京地鐵開工前要進行地面雷達法空洞掃描探測，測線間距4m，探測深度基本在6m以上，而隧道實際開挖在10m以下，因此探測方法對隧道施工幫助不大。不過，利用較大震源的跨孔法探測也不失為一種好方法，但仍需要做進一步的試驗和研究。常采用的地面探測方法有：GPR地質(zhì)雷達、TEM瞬變電磁法、淺層地震法、高密度電阻率法、綜合參數(shù)跨孔法等；隧道掌子面預報方法有：USP地震反射法、GPR地質(zhì)雷達、TEMT瞬變電磁法、BEAM法等。使用哪種方法應結(jié)合具體地質(zhì)條件和現(xiàn)場條件綜合確定。
3.3 在盾構(gòu)機及TBM上安裝預報設備
在盾構(gòu)機或TBM上安裝超前地質(zhì)預報設備，一直是機械開挖的目標和方向，但目前的盾構(gòu)機和TBM基本上還沒有這方面的設備。日本一些學者，做過一些SSP（Sonic Soft Ground Probing）聲波前方預報的試驗工作（見圖4），但目前仍沒有更深入的研究成果和更成熟的經(jīng)驗。
圖4 SSP軟巖地震反射的應用
3.3.1 施工特點
盾構(gòu)機和TBM推進艙的場地很小，且前方的刀盤轉(zhuǎn)動要保持一定的前方壓力，這對預報技術、方法和裝置排列會帶來一定的困難。對地震法而言，機械開挖的振動較大、影響也大；對電磁類方法而言，干擾電流和機器本身金屬類感應影響較大，掌子面現(xiàn)場也很難排布和操作，這些都造成了探測上的困難。
3.3.2 預報方法
在盾構(gòu)機和TBM上安裝固定的裝置進行超前地質(zhì)預報無疑是一個好的方向，由于機械設備及各種電流的干擾，在設備上安裝地震波反射法設備可能更為有效。筆者及所在團隊正在嘗試將干擾源作為激勵源進行超前地質(zhì)預報的研究。當然，利用角度偏移的地震反射法應為首選。但對敞開式盾構(gòu)或TBM也可采用其他掌子面方法進行預報。
4 應當注意的事項
1）充分認識可能產(chǎn)生的干擾或虛假異?，F(xiàn)象。
充分研究災害體的各種異常形態(tài)，在某個區(qū)域劃分不同的異常類型，對不同的異常干擾體所產(chǎn)生的異常就需要有充分的認識。虛假異常是地質(zhì)預報可靠性的“天敵”，通常都有引起異常的源體，也有其特定的規(guī)律，通過其他的方法可識別、可消去、可改正。具體表現(xiàn)如：電磁干擾（高壓線）、振動信號（機械振動）、既有水管等引起的地質(zhì)雷達異常；地形等變化引起的電法異常等等。只有充分認識虛假異常才有利于區(qū)分所要探測的災害異常體，從而提高預報的準確性。
2）超前地質(zhì)預報中的“盲人摸象”現(xiàn)象。
在復雜地區(qū)進行隧道超前地質(zhì)預報，必須緊密結(jié)合對當?shù)貫暮Τ梢蚣胺謳б?guī)律的研究，弄清災害體的分布規(guī)律，也就是要研究災害體水系網(wǎng)絡的分布規(guī)律及特點，即：知道“大象的整體形狀和結(jié)構(gòu)”。因為，地球物理探測法僅是對災害體的局部結(jié)構(gòu)進行探測，當探測到空洞時，就一定要結(jié)合空洞水系網(wǎng)絡的特點，推斷其為富水洞穴而不是其他洞穴。就和盲人摸象一樣，其實災害水系網(wǎng)絡也不是單個空洞的形狀。因此，對復雜地質(zhì)災害的探測，一定要掌握該地區(qū)地質(zhì)特點，在探測到局部災害體時，只有掌握宏觀的工程地質(zhì)
與水文地質(zhì)網(wǎng)絡特點，才能做出準確的、合理的、符合地質(zhì)情況的災害預報[1] 。
5 準確預報措施
5.1 “3個以上證據(jù)”準則
由于災害體的復雜性、形狀的不規(guī)則、分布極不均勻且受構(gòu)造控制的影響，使得災害體的探測變得異常困難。因此，在進行災害體探測時，需盡可能多的尋找已知證據(jù)與實測資料的驗證符合。通常，如實測資料有3個已知條件與現(xiàn)場實測資料吻合，就可以大膽地對未知同類異常進行相應推測。根據(jù)筆者的經(jīng)驗，“3個以上證據(jù)準則”是災害體預報的可靠性保證[1]。當然如何尋找3個以上已知證據(jù)，不同的預報方法，尋找的途徑也不同。如隧道掌子面TSP預報系統(tǒng)，在資料解釋前，第1個證據(jù)是隧道前期的勘查資料對已知災害體的描述，特別是勘查孔的已知資料。第2個證據(jù)是已開挖的前方50m的隧道地質(zhì)資料。第3個證據(jù)是當前掌子面的地質(zhì)資料。“3個以上證據(jù)”與地震反射法波形特征的吻合是進一步推測掌子面前方150m地質(zhì)情況的基礎，其他方法也類同。
5.2 利用綜合參數(shù)法提高預報可靠性和精度
由于具有災害體地質(zhì)條件的復雜性，地球物理方法的多解性，所以只有采用綜合參數(shù)法，才可提高預報可靠性和精度。目前已有人對各種預報方法做了大量的研究，論證了采用“綜合參數(shù)法”進行超前地質(zhì)預報的必要性，且已得到大量的實例驗證。根據(jù)目前的地球物理方法的技術現(xiàn)狀，考慮到方法的可靠性、預報精度及資料的可認識性，對復雜地質(zhì)災害體預報確定的最佳綜合參數(shù)為“波速+電阻率”。2個參數(shù)說明1個地質(zhì)目標體的2個性質(zhì)，利用波速對地質(zhì)構(gòu)造的敏感性和電阻率對水的敏感性進行綜合隧道超前地質(zhì)預報，相互映證與補充，可進一步提高超前地質(zhì)預報的可靠性和預報精度，減少多解性。
6 結(jié)論
通過對隧道施工超前地質(zhì)預報方法的研究認為：
1）重視隧道工程穿越的區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境的調(diào)查與掌握，可大大提高地質(zhì)預報的可靠性。
2）隧道施工超前地質(zhì)預報最佳的“綜合參數(shù)”為“波速+電阻率”，最佳組合方法為地震反射法和電性方法結(jié)合，可根據(jù)現(xiàn)場具體條件有針對性地選擇預報方法和儀器。
3）隧道施工超前地質(zhì)預報應盡可能結(jié)合實際地質(zhì)情況采用“模式”預報，它有利于高效、準確地探測具體的地質(zhì)災害體。
4）空間探測的預報方法和技術可有效提高預報技術的可靠性和解譯水平，是超前地質(zhì)預報技術的發(fā)展趨勢。
5）復雜條件下的超前地質(zhì)預報應遵循“綜合參數(shù)、長短結(jié)合、內(nèi)外兼顧、長期跟蹤、災害預案”原則，以確保隧道施工安全。
