我国隧道工程超前预报技术现状分析(修改稿).doc

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我国隧道工程超前预报技术现状分析

钟宏伟1）赵凌2）

1）中国地质大学地球物理与空间信息学院，湖北武汉430074

2）长江工程地球物理勘测研究院（武汉），湖北武汉430010

摘要：

回顾了我国隧道工程超前预报技术的历史，介绍了近年来的研究进展，分析了其现状，指出了当前亟待解决的一些问题并提出了解决这些问题的基本设想。

关键词：

隧道工程超前预报TSP法相控阵探地雷达TRT法BEAN法

AnalysisontheCurrentSituationoftheTunnelEngineeringForwardDetectionTechnologyinChina

ZhongHongwei1）ZhaoLin2）

1）GeophysicalandspaceinformationinstituteofChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei,430074

2）InstituteofChangjiangEngineeringGeophysicsExploration（Wuhan）,Wuhan,Hubei,430010

Abstract:

ReviewedthehistoryofthetunnelengineeringforwarddetectiontechnologyinChina,introducedtheresearchdevelopmentinrecentyears,analyzedthecurrentsituation,pointedouttheexistedproblemsandthebasicideasondealingwiththeseproblems.

Keywords:

thetunnelengineeringforwarddetectionTSPphasedarraygroundpenetratingradar（GPR）

0引言

随着公路、铁路、水利、矿山及其它工程建设的飞速发展，我国的施工隧道已大量地出现。

截至1999年，我国仅铁路隧道就已达6876个，总长度为3670公里，为世界第一。

作为隐蔽工程的公路隧道、铁路隧道、矿山隧道、输水隧道等在施工过程中，由于前方地质情况不明，经常会因遇到断层、破碎带、暗河、高地应力等不良地质体而导致塌方、泥石流、涌水、岩爆冒顶等地质灾害发生。

这些灾害的出现，往往会影响施工进度，造成人员伤亡，给施工单位、国家和人民带来严重的经济损失。

如1994年在尖山工程建设中[1]，由于对前方地质灾害掌握不清，结果出现了塌方、涌水并伴随着大量泥石流出现，大大影响了工程进度，给尖山工程建设带来了严重的经济损失；天生桥二级水电站3条引水隧洞以及太平驿引水隧洞在施工过程中均多处发生过岩爆现象[2]，类似的地质灾害在许多中小工程型和大型隧道工程中都出现过[3]。

此外，有些隧道不仅延伸很长，而且往往深埋于山体之中。

对于这些埋藏很深的长隧道，由于其前期的地勘工作受到技术水平和经费的限制，因而在施工前不可能查清隧道围岩的地质情况。

随着隧道工程施工的逐步深入，其安全隐患会一一暴露出来。

这时需要在施工过程中采取有效方法，对前方不良地质灾害进行准确的超前预报，以便及时地修正开挖和支护设计方案，避免施工事故发生。

由此可见，隧道施工过程中的超前预报工作在隧道工程中的地位和作用都十分重要。

然而我国的隧道超前预报技术的水平又是一个什么样的现状呢？

目前的隧道超前预报技术是否能满足工程建设的要求？

如果不能满足，那么今后的研究工作应向何处迈进和深入？

本文试图就这些问题开展讨论。

1我国隧道工程超前探测技术的现状

在我国隧道工程的勘察阶段，一般都要进行工程地质调绘、岩溶水文地质调查、综合地球物理勘探、水文试验、深孔钻探等大量地面调查和勘探测试工作。

这些工作可基本查清隧道区域内的工程地质和水文地质情况，给设计部门提供一定的地质资料作为隧道工程的设计依据。

但由于隧道是一个线状的隐蔽工程，且深埋于地下，其岩体的工程地质、水文地质条件复杂多变。

限于目前的地质勘探水平，试图在工程勘察阶段就准确无误地查明其工程岩体的状态、特征以及可能发生地质灾害的不良地质体的位置、规模和性质是极其困难的，特别是在复杂的岩溶地区。

因此，这些问题都必须依靠施工过程中的地质超前预报工作来解决。

隧道施工期的超前预报一般分为直接预报方法和间接方法两大类。

直接预报方法主要有掌子面的超前钻探、超前平导法等，间接方法主要是多种类型的地球物理探测手段。

超前钻探法是运用钻孔台车从隧道掌子面向前打孔时钻进速度的变化，并结合岩粉和泥浆颜色来预测打眼深度范围内的地质情况的。

该方法能直接揭示掌子面前方的地质特征；超前平导法（或导坑法）是通过在隧道中线附近先期贯通的一个综合性地质探洞来对主洞作进行直观的地质超前预报的，该方法曾在秦岭特长隧道修建中发挥过重要作用[4]。

但由于上述两种方法都属于有损的探测和预报方法，其最大的缺点是费时费事、耗资巨大，有时甚至与隧道施工相冲突或遇到水体和瓦斯突出等灾害地质层时会造成意想不到的灾难，因而其在工程实践中的应用受到了很大的限制。

鉴于这方面的原因，本文对这两种方法将不作过多的分析和讨论，而将着重讨论地球物理方法在隧道超前预报方面的现状和存在的问题。

目前用于隧道超前预报的地球物理方法很多，主要有遂道地震超前预报系统（TSP）、水平声波剖面（HSP）法、陆地声纳法、探地雷达（GPR）法和红外探水法几种。

1．遂道地震超前预报系统

隧道地震超前预报测量系统简称TSP（TunnelSeismicPrediction），是我国20世纪90年代从瑞士安伯格（AMBERG）测量技术公司引进的一套先进的地质超前预报探测系统，也是我国目前应用较为广泛的一种。

TSP和其它反射地震波方法一样，采用了回声测量原理：

地震波在指定的震源点（通常在隧道的左边墙或右边墙，大约24个炮点布成一条直线）用小量炸药激发产生，产生的地震波在岩石中以球面波的形式向前传播，当地震波遇到岩石物性接口（即波阻抗接口，例如断层、岩石破碎带、岩性突变等）时，一部分地震信号反射回来，一部分地震信号透射进入前方介质，反射的地震信号被两个三维高灵敏度的地震检波器（一般左边墙和右边墙各一个）接收。

通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析，便可推断断层、岩石破碎等不良地质体的位置、规模、产状及岩石力学参数。

采集的TSP资料通过TSPWin软件进行处理。

TSPWin软件处理流程为：

资料设置→带通滤波→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→Q-估计→反射波提取→P-S分离→速度分析→深度偏移→反射层提取。

通过TSPWin软件处理，可以获取P波、SH波、SV波的时间剖面、深度剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果以及反射层在探测范围内的2D或3D空间分布。

在瑞士20公里长的Vereina隧道工程施工中，TSP产生了较好的经济效益[5]。

该系统引入我国之后，一些专家学者结合我国隧道施工的具体情况对其作了大量的深化完善工作。

1991年铁道部第一勘察设计院曾昭璜在该系统基础上提出地震负视速度法或隧道垂直地震剖面法[6]，该方法与TSP的不同之处是TSP法为多点激发、一点接收，负视速度法是一点激发、多点接收。

曾昭璜认为：

当反射面与测线直立正交时，所接收的反射波与直达波在记录图像上呈负视速度，其延长线与直达波延长线的交点即为反射面的空间位置。

中国铁路工程总公司的何振起和铁道部第三勘测设计院的白恒恒等利用该思想并结合超前水平钻探等方法，在山西省长梁山隧道F5、F12断层预报和福州飞鸾岭公路隧道预报中取得了预期效果[7-8]。

2002年，石家庄铁道学院的李忠等人从地质构造学理论、爆破地震学理论出发，就如何增加TSP-202超前预报探测系统的探测距离进行了初步探讨[9]。

他们认为，若能根据现场具体地质情况来确定传感器最佳安装位置、选取合适的采样参数以及探测炸药种类和用量，则其探测距离可达到200米以上。

他们还对如何利用TSP-202超前预报探测系统搜索角问题进行了研究，指出当以一个较符合实际地质情况的搜索角去处理地震波信息时，不但会使信息量会大大增加，而且对断裂构造的预测精度也会大大提高[10]。

他们运用概率论等数学方法，结合自己的研究成果在新倮纳隧道地质超前预报中取得了一定的效果[11]。

2．水平声波剖面法

该方法是弹性波反射法的一种。

探测时不占用掌子面，将发射源和接收换能器布设在遂道两侧的浅孔内，发、收位置均在平行于隧道地面的同一水平面上，构成一“水平声波剖面”。

这种方法的特点是各检测点所接受的反射波路径相等，因此反射波组合形态与反射界面形态相同，通常是直达波呈双曲线形态，反射波呈直线形，其图象直观。

该方法的另一种优点是对反射界面倾角没有限制，适用的范围对负视速度法广泛。

3．陆地声纳法

陆地声纳法是钟世航1992年提出的，其实质是垂直地震波反射法。

该方法采用极小偏移距、锤击激发、高频超宽带接收反射弹性波进行连续剖面探测。

据报道此方法在羊寨隧道和铝厂隧道超前探测时，成功地探查出掌子面前方40～80m距离范围的溶洞[12－15]。

4．探地雷达法

探地雷达法也叫地质雷达法。

该方法利用发射天线将高频电磁波以脉冲形式由隧道掌子面发射至地层中，经地层接口反射返回隧道掌子面，由另一天线接收回波信号，通过对接收的回波信号进行处理与分析解释，达到对短距离进行超前预报的目的。

吴永清等人利用该方法在107国道上焦冲、六甲洞和石仓岭三座公路隧道10～40m内的地质超前预报中取得了一定的效果[16]。

长春科技大学的薛建等人采用地震反射法（TSP-202）进行中长距离（100m左右）预报，采用地质雷达进行短距离（10～40m以内）的预报，两种方法相互结合，互相补充，在吉林省白山市石碑岭隧道掘进中，成功地预测出几十处断层和多处5～10m宽的破碎带[17]。

5．红外探水法

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红外辐射场强，根据围岩红外辐射场强的变化值来确定掌子面前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体。

该方法在渝怀线园梁山隧道中取得了较好的效果。

2现状分析

上述两类方法在我国隧道工程施工超前探测中虽然已经获得了很多成功的工程实例，及时为施工和设计单位提供了科学的参考依据，但实际上还存在很多问题。

有损方法的缺陷是显而易见的，笔者在前面已作了分析，不再赘述。

物理探测法虽具有快速无损、测试简便、费用低廉、可提供较大范围内地质体的几何性质和物理性质等优点，但隧道工程特有的探测条件要求物探技术能在狭小检测场地条件下进行大距离、高精度、快速准确的超前预报，现有的物理超前探测技术都难以完全满足。

地震反射法的探测距离虽然可长达百米以上，但探测精度低，且因探测对象复杂多变，各种杂波干扰严重，有效波的识别与分离十分困难，因而有时难以获得好的结果。

目前应用较多的TSP-202（或TSP－2003）隧道地震超前预报系统，在地质结构复杂、波阻抗差异不大的情况下就存在这样的问题。

由于掌子面的尺寸相对探测对象的距离来说要小得多，因此隧道内的地震波场是三维波场。

在这种情况下，偏移成像和物性结构反演成像相互迭代是解决问题的重要途径，速度参数的获取是复杂结构探测的核心问题。

但就目前情况来看，一些反演精细速度的方法尚未实用，先进的波场分离技术亟待开发，这使得TSP-203超前预报探测系统在复杂探测条件下难有作为。

因此，目前我国工程界目前对TSP法的评价褒贬并不一致。

较为一致的看法是，对与隧道呈大角度相交的面状软弱带，如断层、软弱夹层、地层分界等其探测效果较好，但对不规则形态的地质缺陷如溶洞、暗河及含水情况等其探测效果均不理想。

探地雷达法的探测速度