1、引言
隨著我國經濟的快速發展以及西部大開發倡議的進展，公路、鐵路隧道的大量修建是形勢發展的需要，且隧道逐漸向深埋、長大方向發展。較之以前的淺埋短隧道，深埋長隧道可能遇到的工程地質問題及地質災害會更多、更嚴重。在施工過程中經常會因遇到斷層、暗河、破碎帶、等不良地質體而導致塌方、泥石流、涌水、巖爆等地質災害。這些災害的出現,往往會影響施工進度,造成人員傷亡,給施工單位、國家和人民帶來嚴重的經濟損失。
超前地質預報是隧道地質工作調查的一個重要部分。隧道地質調查工作（尤其是長大山嶺隧道與水下隧道）與其他工程的地質工作有一個很大的不同之點，就是其他工程（例如路基橋基等工程）絕大部分地質工作都是在勘測階段完成，在施工過程中只進行少量的補充修正。而隧道工程的地質工作，在勘測階段往往只能完成一部分，只能起到定性的或局部定量的評價，還有很大一部分地質工作，必須在隧道施工過程中，在隧道坑道進行勘探及量測，以便修正補充精密調查與施工中地質情況不符的地方，據此變更設計、改變施工方法及施工管理等。由此可見,超前預報工作在隧道工程中的地位和作用都是十分重要的。
2、隧道超前地質預報現狀
隧道超前地質預報的內容主要包括地下水、地層巖性、斷層、破碎帶、節理、巖體類別等。重點是預報破碎帶、地下水狀況及斷層的位置及其可能對施工造成的影響。目前超前地質預報使用到的方法技術主要包括以下幾種：TSP法、探地雷達法、工程地質調查與推斷、水平鉆探等，另外還有一些不常用到的方法技術如：水平聲波剖面法、紅外探水法及陸地聲納法等。
TSP法作為一種長距離超前地質預報方法已發展成為國內外最先進的預報方法。它主要是采用回聲測量原理，具有其他方法不可比擬的優點：適用范圍廣、預報距離長、與TBM施工干擾少,能加快施工進度，能給出斷層帶和含水層的三維空間位置，TSP技術配備有功能強大的后處理功能,能快速的分析前方圍巖情況、及時提交資料，對于連續探測而言,TSP綜合費用最低。同時通過TSPwin軟件處理可以獲得:P波、SH波、SV波的時間剖面、提取的反射層、深度偏移剖面、各反射層能量大小、巖石物理力學參數以及反射在探測范圍內的2D或3D空間分布等成果。通過分析這些信息能夠對隧道工作面前方圍巖工程地質情況的性質、位置和規模進行比較準確的探測和預報,包括:（1）含水情況；（2）軟弱巖層的分布；（3）節理、裂隙發育情況；（4）斷層及影響帶；（5）溶洞、暗河、煤層等。當然，TSP法在實際工作中也存在許多問題，其中最主要的問題是不良地質條件的判讀缺乏明確的指標，更多依賴于物探技術人員和地質專家的經驗。另外對于與隧道走向近乎平行的斷裂帶、飽水帶，以及幾何形狀為圓錐體或圓柱體的溶洞等等，尚無法識別或是識別效果很差。
探地雷達法屬于短期預報方法，它的探測速度較快,但是其探測距離與分辨率的矛盾無法克服、多次波及其他雜波干擾嚴重,原始記錄的信雜比低,有效波的識別及其成果解譯十分困難，而且所獲得的被探測對象的空間信息量太少,其資料成果的解釋往往存在多解性。
水平聲波剖面法實際上也是地震波反射法的一種,因而TSP法所存在的部分技術問題水平聲波剖面法同樣存在，而其卻不具備TSP法的優點。在地質條件不太復雜的情況下,該方法對掌子面前方50ｍ內的地質狀況的預報比較準確。
紅外探水法對預報掌子面前方有無潛伏的含水體是有效的,但對含水層的位置、賦水形態、出水量都無法知曉,對無水情況下的地質災害則難以預報。
陸地聲納法目前還很不成熟,存在著許多問題。
3、方法原理簡介
從上述的超前地質預報技術現狀可以看出，TSP法無疑是目前國內外最先進的超前地質預報方法，但是它還是存在著不少缺點，特別是對于地質條件復雜的地區，TSP法的資料解釋存在著很嚴重的多解性，所以多種預報方法相結合，利用綜合物探的方法進行超前地質預報就顯得很有必要。通過對比各種預報方法的優缺點，筆者認為以長距離預報見長的TSP法和短距離預報快速的探地雷達法的有效結合，基本上可以滿足大部分情況的隧道預報。對于其他特殊情況再考慮綜合其他預報方法。
3.1 TSP法
TSP(Tunnel Seismic Prediction)法是一種新穎、快速、有效、無損的反射地震技術。它是為隧道超前地質預報而專門設計的,可以在隧道施工、地下礦藏、洞穴和地下暮穴開挖前提供幫助,其目的在于迅速超前地提供在開挖周圍及前方的三維空間的工程地質預報。TSP和其它反射地震波方法一樣,采用了回聲測量原理(圖1)。地震波在指定的震源點(通常在隧道的左邊墻或右邊墻,大約24個炮點布成一條直線)用小藥量激發產生。地震波在巖石
圖1 TSP203系統隧道預報原理
Fig.1 The principle of TSP203 system
中以球面波形式傳播。當地震波遇到巖石物性界面(即波阻抗差異界面,例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時,一部分地震信號反射回來,一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收.反射信號的旅行時間和反射界面的距離成正比,故而能提供一種直接的測量。
3.2 探地雷達法
探地雷達(ground penetrating radar)是基于不同介質的電性差異，利用高頻電磁波，探測隱蔽介質分布和目標體的一種高新地球物理方法。當發射天線T以寬頻帶、短脈沖方式向地下發射電磁波時，遇到具有不同介電特性的介質時(如空洞、分界面)，就會有部分電磁波能量反射(回波)，接收天線接收反射回波并記錄反射時間，與此同時接收天線還接收到了雷達波在空氣中以及沿介質體表層傳播的直達波(如圖2)。
對于反射波我們可以用下面的反射波旅行時間計算公式：
……………………(1)
式中，－反射波走時，單位為ns；（1ns＝10
-9秒）
－電磁波在介電常數為的目標層中的傳播速度，單位為m/ns；
S、d分別為發射天線和接收天線距離與反射界面的埋深。
圖2 雷達記錄示意圖
Fig.2 Schematic diagram of GPR record
由上所述，雷達反射波的旅行時，會隨被測介質的厚度而變化。于是，把發射與接收天線在被測介質表面同步移動，便可將反射界面的反射波依次排列成二維圖象。根據二維圖象我們可以判讀出探測目標體的狀況。
4、應用實例分析
筆者參與了湖南常（德）—吉（首）、邵(陽)－懷(化)高速公路建設過程中的部分隧道超前地質預報工作，主要采取了以TSP203系統長距離預報為主，同時與探地雷達相結合的方案。其中對于圍巖較好的區域采用TSP法就可以得到很好的預報效果，對于某些圍巖較差的地段，根據TSP法的預測結果，再用地質雷達加以確認，這種長短預報方法的有效結合取得了良好的效果，對施工起到了很好的指導作用,基本達到了預期的探測目的。下面通過在大灣隧道右線YK78＋761－YK78＋861區段的一次預報結果加以說明。大灣隧道為一座上、下行分離的四車道高速公路隧道，其右線YK78＋761－YK78＋861段地形相對平緩，隧道埋深淺（屬淺埋段）。地層巖性為：志留系周家溪群，黃褐色強風化－弱風化砂質板巖夾泥質板巖、硅質板巖和炭質板巖，區段內受區域構造影響，擠壓褶曲明顯，局部柔褶現象極為發育，并伴有擠壓片理等跡象。為了探明掌子面前方的地質情況，我們首先采用了TSP203系統進行長距離預報，其探測結果如圖3所示，根據探測結果可以推斷出掌子面前方的地質情況如表1所示。
從推斷結果看，前方的地質情況比較復雜，且掌子面前方50米內（YK78＋793處）就有一個比較明顯的弱反射（推斷為破碎帶）。為了確保有效指導施工，當施工至YK78＋767時，我們采用探地雷達做了進一步的探測，其結果如圖4所示。從圖中可以看出距離掌子面差不多26米（YK78＋793）處，有一明顯反射界面，與TSP203的探測結果相當吻合，故確定為破碎帶。隨后的開挖結果證明了預報結果的準確性（見圖5）。
圖3 深度偏移剖面圖
Fig.3 The section of depth excursion
表 1 TSP203的探測結果
|
序號 |
里 程 |
長度（m） |
推 斷 結 果 |
|
1 |
YK78+761～773 |
12 |
強風化巖層，節理裂隙較發育。 |
|
2 |
YK78+773～797 |
24 |
弱風化巖層， YK78+793處節理發育，
含水豐富，推斷為破碎帶。 |
|
3 |
YK78+797～803 |
6 |
強風化巖層，節理裂隙發育。 |
|
4 |
YK78+803～817 |
14 |
弱風化巖層，局部節理發育。 |
|
5 |
YK78+817～830 |
13 |
弱風化巖層，節理裂隙較發育。 |
|
6 |
YK78+830～835 |
5 |
弱風化巖層，局部夾軟弱巖層、節理發育。 |
|
7 |
YK78+835～861 |
26 |
弱風化巖層，局部節理發育。 |
Table 1 The detected result of TSP203
圖4 地質雷達探測結果 圖5 YK78＋793開挖結果
Fig.4 The detected result of GPR Fig.5 The excavated result of YK78＋793
5、結論及建議
通過大量的工程實踐，筆者對于隧道的超前地質預報工作和隧道施工也有了較深刻的認識，提出幾點結論：（1）隧道施工需要特別重視地質勘察工作，除了業主提供的詳勘地質報告以外，施工單位仍需做細致的超前地質預報工作，準確掌握和判明隧道開挖掌子面前方的地質情況，以確保施工安全有效地順利進行。（2）對于絕大部分隧道的地質預報工作，TSP法和探地雷達的有效結合基本可以滿足需要，特別是某些圍巖較好的區段TSP法就可以得到滿意的預報結果；但對于某些復雜地質情況，應針對其特有的不良工程特性，采用相應的、行之有效的綜合物探手段，有必要時還可以適當選擇水平鉆探。（3）對于超前預報方法所推測出來的某些特復雜、可能會發生嚴重工程事故的不良地段，建議按照其最不利因素組合的情況來施工。（4）TSP法的智能化和解釋精度還有待進一步的提高。
參考文獻（References）:
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