目前隧道施工超前地質預報技術仍處在對單個方法、單一參數的解釋研究階段，由於地質預報的具體方法各有其特點和局限性，很難找到一種適合於（yú）各種隧道地質災害的探測方法，因此，就（jiù）地球物理方（fāng）法與隧道施工（gōng）特點相結合進行綜合預報（bào），以解決隧道超前地質（zhì）預報的多解性、預報精（jīng）度及方法缺陷等問題做了較詳細的介紹。
關鍵詞：隧（suì）道；超前地（dì）質預報；地質災害；綜合參數；預（yù）報（bào）模式
中圖分類號： U456.33              文獻（xiàn）標誌碼：B      文章編號：1009-7767（2012）05-0000-00

Tunnel Construction ahead Geological Prediction Technology Summarizing
Ye Ying

    隧道施（shī）工超前地質預報是指對隧道開（kāi）挖掌子（zǐ）麵前方的地質情況及不良地質（zhì）體的工程性質及位置、產狀（zhuàng）進行探測、分析（xī）解釋及預報。隧道超前地（dì）質預報從探（tàn）測位置上可分為（洞外（wài））地麵預報與（洞內）掌子麵預報；從預報性質上可分為物探方（fāng）法、地質方法、化探方法；從（cóng）預報距離上可分為長距離預報（>100m）、短距（jù）離預報（<30m）與臨近（jìn）預報（<10m）。
    隧道施工過（guò）程中常見的地（dì）質災（zāi）害有：斷層（céng）破碎帶、岩性界麵不整合接觸帶；岩（yán）溶、陷落柱（zhù）及（jí）采（cǎi）空區（qū）；
岩爆；軟岩；地下水等。存在的主要問題有：①利用單（dān）一方法（fǎ）、單一參數解決某個具體問題，存在預報精度低、有多解性的現象；②某個（gè）具體方法的探測（cè）由（yóu）於（yú）與（yǔ）現場裝置布置有關，從而存在對某種類型地質體探測有利（lì），對某些形狀或（huò）不同類別的災害體（tǐ）探測不利的（de）現象；③目前適合於隧道掌（zhǎng）子麵的預報方法較少，使得（dé）超前地質預報的方法組合受到限製。
1常見的掌子麵（miàn）超前地質預（yù）報方法（fǎ）
    隧道地（dì）震預報在掌（zhǎng）子麵附（fù）近的排布方法有多種，可分為二維2D（測線）觀測係（xì）統和三維3D（麵積）
觀測（cè）係（xì）統。
    1）2D觀測係統是震源與（yǔ）接收器（qì）沿測線排列。常見（jiàn）的2D觀測（cè）係統有：將炮點與接收器均設置（zhì）在側牆的排布方式（見圖1、2），簡稱TSP（Tunnel Seismic Prediction）；將炮點設置在掌子麵多個接收器在側牆上的排布方式，簡（jiǎn）稱VSP（Vertical Seismic Profiling）；在隧道的2個側壁（bì）分別（bié）布設震源和檢波器，按其相對位置（zhì）固定激發點（diǎn）（或接收點）和（hé）激發與接收相交錯（cuò）的排布方（fāng）式，簡（jiǎn）稱HSP（Horizontal Sound wave Profiling）；把激發點和接收器按一（yī）定排（pái）列布（bù）置（zhì）在隧道掌子麵的排布方式，稱為垂直地震波排布（bù）（極小極距偏移法）。2D觀測係統通常主（zhǔ）要預報較為簡單的二維地質構造，如斷（duàn）層破碎帶、岩性（xìng）界麵等。

圖1 TSP現場排布

圖2 TSP測量原理

    2）3D觀測係統是將震源點與接收器按空間排布，構成空間（jiān）位置或角度偏移，3D觀測係統有：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（dù）偏移法，每個接收器有（yǒu）64個分量）。隻有三維的
觀測係統才能進行諸如形狀體的地質災（zāi）害（hài）探測，如岩溶、陷落柱、采空區

圖3 USP的3D觀測係統常用（yòng）排列
   

    目前（qián）的隧道地震預（yù）報采（cǎi）用（yòng）的主要方法為反射（shè）波法，對（duì）地震記錄識別（bié）和追蹤的對比（bǐ）原則主要是位置對比（距離偏移）法。由於不同的（de）排布（bù）方法各有其優（yōu）缺點，因此大部分儀器（qì）都有其自身的現場排布方法，不同的儀器是結合某個具體的排布設計（jì）相應地解釋處理軟件。如TSP202、203有其自身固定的排布（bù）方法，其他的相關儀（yí）器也類同，也有個別儀器在設計時（shí）同時考慮了適用幾（jǐ）種排列。
    隧道電性（xìng）預報（bào）方法主要有：GPR地質雷達法、BEAM激發極化法、TEMT瞬變電磁（cí）法等。地（dì）質雷達法屬廣普（pǔ）電磁法，應用較廣泛；BEAM法在國外應用較多，國內案例較少；瞬變電磁法在國內的研究與應用都較多。
2 超前地質預報的實施
    通（tōng）常在（zài）對前期地質勘（kān）查資料仔細研究後，並結合隧道工程（chéng）進度、現場條件（jiàn）及物性參數（shù）測（cè）試，進行預報方法比選。考慮到工程的整體進度，一般（bān）結合掌子麵的具體情況采用長距（jù）離（lí）與短距離預報相結合的方法。同時，也（yě）要考慮隧道（洞外）地麵超前預報方法。有（yǒu）時地麵超前（qián）預報更（gèng）方便、有效，所以應針對某個具體
隧道情況全麵考慮。
    預報方法可以組合（hé）與搭配，且前一參數或方法將為後一方法提供目標地質體的特征或形態。後一方法（fǎ）的裝置（zhì）排列設計將依照（zhào）前一方法的結果進行。因此，相應的（de）方法“先後合理”是（shì）指對隧道超（chāo）前地質預報（bào）實施過程中（zhōng）強調先後順序，它是超（chāo）前地質預報是否成（chéng）功的（de）重要保證（zhèng）。隧道超前地質預（yù）報（bào）共有7個合理步驟。
    1）充分收（shōu）集已有（yǒu）的地質資料。
    資料（liào）收集（jí）和分（fèn）析是（shì）隧道（dào）施工超前地質預報的基礎，它直接關係到預報（bào）結果的準確性，是做好施（shī）工超前（qián）地質預報工作的第一步。已（yǐ）有的地質資（zī）料一般包括：①前期勘查資料。對這些資料進行（háng）分析研究，可（kě）以對工程範圍內的地質（zhì）構（gòu）造規律有基本的認識。經驗證明，對構造規律的掌（zhǎng）握程度直接影響預報的（de）準確（què）度。在熟悉已有資料基（jī）礎上，應在地（dì）表進行實（shí）地踏勘並核對以（yǐ）便加深感（gǎn）性認識，從宏觀上了解隧道所在地區（qū）的地質構造單元及其特征和可能遇到的不良地質地段，在此基礎上可大致確定預報的重點內容。②施工過程資料。其中：施工掌子麵地質素（sù）描、鑽速測試可以收集到掌子麵沒有露頭的與洞軸線近於正交的岩體軟弱帶情況；聲波測試可以收集掌子麵內部岩性變化情況，並為（wéi）超前預報提供波速數據；裂隙（xì）網絡窗口調查為三維網絡計算機模擬提供數據，同時驗證預報效果。
    2）描（miáo）述所要預報的地質災害體特征。
根據（jù）已（yǐ）有的地質資料結合施工方法便可以確定地質災害類型，並明確災害體的特征，對（duì）災害目標體進行地質和地（dì）球物理的屬性描述（shù），分析可能的參數特征，針對不同的災害類型（xíng）盡可能地細化參（cān）數，還可配合已知
資料進行部分的岩性參數測試，從而準確把握地質災害特征因素。
    3）建（jiàn）立預報（bào）模式。
    由於在某個局部地質環境下，其災害地質結構具有相對穩定的特點，並且災（zāi）害局部地質受到特有地質（zhì）環境的影響，通常具有某（mǒu）些地質結構或構造上的特點。因此，在某些地區建立特定的隧道預報（bào）模式是必要的。這也說明針對某（mǒu）個工程（chéng）項目要充分研究當地區域地質環境的重要性。根據地質災害體的類（lèi）型和特征參數，分類建立地質預報模式（見表1），明確預（yù）報的各具體參數。

    以上模式（shì）要能區分不同災害體的位置、形狀、大小、產狀及性質等要素，同（tóng）時要考慮施（shī）工因素及現場條件的影響。
    4）選擇具體的預報方法。
    首先，根據已建立的預報模式，結合隧道施工現場和（hé）地麵條件，考慮施工方法要求，了解現場的地質（zhì）噪（zào）聲和幹擾水平，兼顧隧道掌子麵超前地（dì）質預報和地麵（洞外）預報方法，全麵考慮應采用的具體方法；然（rán）後，明確以某個（gè）具體方法作為主導的、長距離的（de）預報；最後確定相應的配合方法。主導方法要有普適性，配合方（fāng）法有針對（duì）性。同時注意先進行（háng）主導方法的探測，配合方法應在有異常的部位進行，且網格細度應依次加密。
    5）預報結果（guǒ）分析。
    根據預報結果來消除（chú）幹擾及假（jiǎ）異常（cháng）。應盡（jìn）可能采（cǎi）用專業軟件分（fèn）析、認識各種異常特點，特別要注意將預報（bào）的異常體分為不同類別，因為每個地區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（nǎ）些異常對（duì）施工開挖具（jù）有危害，哪些（xiē）異常（cháng）要進行必要的鑽孔與測孔驗證。另外，還應分析已采用的預報模式及方法本身的（de）缺（quē）陷和可能（néng）會（huì）遺漏哪些類型的異常，這些異常如何在施工中加以防範（fàn）。
    6）鑽孔與測孔的驗證工作。
    對重要的、嚴重的地質災害體進行必要的（de）鑽孔與測孔的驗證是對預報結果的進一步論證，同時也是對預報（bào）工作的進一步（bù）細化和指導。
    7）對不同類型災害體的施工預案。
    根據預報結果可指導隧道施工中（zhōng）對災害體的（de）開挖與支護，並建（jiàn）立隧道地質災（zāi）害的等級，明確各種等級災害體的開挖方（fāng）法和支護（hù）參數選取。因為（wéi），一旦開挖遇到地質災害（hài）體，就必須立即確定防護方案，以防災害體迅速擴大（dà）。因此，隧道地質災害預案應在超前地質預報結（jié）果中建立。
3 不同工況的超前地質預報方法（fǎ）
3.1 山嶺隧道施工
   山嶺隧道正（zhèng）在朝“長、大、深（shēn）”方向發（fā）展，由於其（qí）具體（tǐ）工程特點不同，所以采用（yòng）的預報方法也不同。
3.1.1 工程特點（diǎn）
    山嶺隧道通常較長、埋深較大，在前期勘察（chá）期（qī）間（jiān）由於受技術手段和現場條件所限（如：勘查較粗，且地麵條件較差；地表植物較多，不利於許多方法探測；許多地球物理方法的（de）縱向分辨率（lǜ）隨著深度的增加而降低，且隧道開挖直徑（jìng）僅16m，埋深150m，縱向分辨率為90%），使地表（biǎo）探測的難度加（jiā）大，前期勘（kān）察資料的準確（què）度（dù）和（hé）可靠性就較差。
3.1.2 預報方法
    山嶺隧道應以掌子麵超前地質預報為主，而長距離預報應以地震反射法（fǎ）中角（jiǎo）度偏（piān）移法為主。其他電性方（fāng）法（fǎ），由於供電等原因，且探測距離較淺，可作為輔助方法。總則是“綜（zōng）合（hé）參數（波速（sù）+電阻率）、長短結合（地震反射（shè）法+電性（xìng）方法）”。地震反射法有：TSP、VSP、HSP、TRT、USP等。電（diàn）性方法有：GPR地質雷達、TEMT瞬變電（diàn）磁法、BEAM激發極化（huà）法。鑽孔方法有彈性波和電磁波CT。預報時可根據現場地（dì）質條（tiáo）件複雜情況選擇使用。
3.2 地（dì）鐵淺埋暗挖法和盾構法施工
    地鐵施工目前基本不做掌子麵超（chāo）前（qián）地質預報，但並（bìng）不表明地鐵（tiě）施（shī）工不（bú）需要超前地質預（yù）報。因為（wéi）目（mù）前國內大（dà）範圍地鐵施工仍在地表下20m以上施工，且（qiě）地鐵隧道前期勘察資料相（xiàng）對山嶺隧道而言較為詳（xiáng）細；另外，地（dì）鐵所（suǒ）選線路基本（běn）都在原（yuán）有城市道路下方，地鐵所穿（chuān）越的（de）上方既有市政設施及（jí）既有構築物基本已知；再者，地鐵主要建設在大型城（chéng）市市域內，而我國大多城市都建（jiàn）設（shè）在衝洪積平原上（shàng），土體隧道居多，當然也有岩質隧道和較為複雜的岩溶（róng）地區。雖然，地鐵隧道遠比山嶺隧道地質情（qíng）況簡單，但是其修建於鬧市區，對地層（céng）變形和既有設施的保護（hù）又（yòu）遠比山嶺隧道難於控製。所（suǒ）以，地鐵隧（suì）道對超前地質預報技術的需求是迫切的，技術要求（qiú）更加精細，出現的（de）問題也（yě）很多（duō）。現階段不做掌子（zǐ）麵前（qián）方預報，主要受預報技術和儀器設（shè）備所限。
3.2.1 工程特點
    1）埋深相對較淺，地質情況相對簡單，但變化較頻繁，更注重對既（jì）有構築物的保護；2）對（duì）盾構施工而言，更注重對大粒徑（50cm以（yǐ）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（duì）工程施工的影響很（hěn）大，也是探測預報的重點。
3.2.2 預（yù）報方法
    由（yóu）於地鐵施工埋深（shēn）較淺，所（suǒ）以就國內現有技術而言，地鐵前方預報方法應以地麵方法為主（20m以上（shàng））、掌（zhǎng）子麵（miàn）方法為輔。但是地麵探測受各種幹擾影響較大，如振動、電磁幹擾等等，目前北京地鐵（tiě）開工前要進行地麵雷達法空洞掃描探測，測線間距4m，探測（cè）深度基本在6m以上，而隧道實際開挖在10m以下，因此探測（cè）方法對隧道（dào）施工幫助（zhù）不大。不（bú）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（bù）的（de）試驗和研究。常采（cǎi）用（yòng）的地麵探測方法有：GPR地質雷達、TEM瞬變電磁法、淺層地震法、高密度電阻（zǔ）率法、綜合參數（shù）跨孔法等；隧道掌子麵預（yù）報方法有：USP地（dì）震反射法（fǎ）、GPR地質（zhì）雷達、TEMT瞬變電磁法、BEAM法等。使用（yòng）哪種方（fāng）法應結合具體地質（zhì）條件和現場條件綜合確（què）定。
3.3 在（zài）盾構（gòu）機及TBM上安裝預（yù）報設（shè）備
    在（zài）盾構機或TBM上安裝（zhuāng）超前地（dì）質預報設備，一直是機械開挖的目標和方（fāng）向，但目前的盾構機（jī）和TBM基本上還沒有這方麵的設備。日本一些學者，做過一些（xiē）SSP（Sonic Soft Ground Probing）聲波前方預報的試驗工作（見圖4），但目（mù）前仍沒有更深入的研究成果和（hé）更成熟的經驗（yàn）。

圖4 SSP軟岩地震反射的應用

3.3.1 施工特點（diǎn）
    盾（dùn）構機（jī）和TBM推進艙的場地很（hěn）小，且前方的刀盤轉動要保持一定的前方壓力，這對預（yù）報技術、方法和裝置排列會帶來一定（dìng）的困難。對地震法而（ér）言（yán），機械開挖的振動較大、影響也大；對電磁類方法而言，幹擾電（diàn）流（liú）和機器本身金屬類感應影響較大（dà），掌子麵現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
    在盾構機和（hé）TBM上安裝固定的裝置（zhì）進行超前地質預報無疑是一個好的方向，由於機械設備及各種電流的幹擾，在設備上（shàng）安裝地震波反（fǎn）射（shè）法設備可能更為有效。筆者及所在（zài）團（tuán）隊正在嚐試將幹擾源作為（wéi）激勵源進行超（chāo）前地（dì）質預報的研究。當然，利用角度偏移（yí）的地震反（fǎn）射法應為首選。但對（duì）敞開式盾（dùn）構或TBM也可采（cǎi）用其他掌子麵方法進行預報。
4 應（yīng）當（dāng）注（zhù）意的事項
    1）充分認識可能產生的幹擾或虛假異常現象。
    充分研究（jiū）災害體（tǐ）的各種異常形態，在某個區域（yù）劃分不同的異常類型，對不同的異常幹擾體所產（chǎn）生的異常就需要有充分的認（rèn）識。虛假異常是地質預報可（kě）靠性的“天（tiān）敵”，通常都有引（yǐn）起異常的源體，也（yě）有其特定的規律，通過其他的方法可識別、可消去、可改正。具體表現如：電磁幹擾（高壓線）、振（zhèn）動信號（機械振動（dòng））、既有水管等引起的地質雷達異常；地形等變化引起的電法異常等等。隻有充分認識虛假異常（cháng）才有利於區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”現象。
    在複雜地區進（jìn）行隧道超前地質預報，必須緊密結合對當地災害成因及分帶規（guī）律的研究，弄清災害體的分（fèn）布規律，也就（jiù）是要研究災害體水係網絡的分布規（guī）律（lǜ）及（jí）特點（diǎn），即：知道“大象的整體（tǐ）形狀和結構”。因（yīn）為，地球物理探測法（fǎ）僅是對災害體的（de）局部結構進行探測，當探測到空洞時，就（jiù）一定要結合空洞水係網（wǎng）絡的特點，推（tuī）斷其為富水洞穴而不是其他洞穴（xué）。就和盲人摸象一樣，其（qí）實災害水係網絡也不是單個空洞的形狀。因此，對複雜地質災害（hài）的探測，一定（dìng）要（yào）掌握該地區地質特點，在探測到局部災（zāi）害體時，隻有掌握宏觀的工程地質
與水文地質網絡特點，才能做出準確的、合理的、符合地質情（qíng）況的災害（hài）預報^[1] 。
5 準確預報措施
5.1 “3個以上證據”準則（zé）
    由於災（zāi）害體的複雜性、形（xíng）狀的不規則、分布極不均勻且受構造控製的影響，使得災害體的探測變得異常困（kùn）難。因此，在進行（háng）災害體探測時，需盡可能多的尋（xún）找已知證據（jù）與實測資料的驗（yàn）證符合。通常，如實測資料有3個已知條件與現場（chǎng）實測資料吻合，就可以（yǐ）大膽（dǎn）地對未知同類異常進行相應推測。根據筆者的（de）經驗（yàn），“3個以上證據準則”是災害體預報的（de）可靠性保證[1]。當然如何尋找3個以（yǐ）上（shàng）已知證據，不同的預報方（fāng）法，尋找的途徑也不同。如隧道（dào）掌子麵TSP預報係統，在資料解釋前，第1個證據是隧道前期的勘查資料對已知災害體的描述，特別（bié）是勘查孔的已知資料。第（dì）2個證據是已開挖的前方50m的（de）隧道地質資料。第3個證據是當前掌子麵的地質資料。“3個（gè）以（yǐ）上證據”與地震反射法波形特征的吻合是進一步推測掌子麵前方150m地質情況的（de）基礎，其他方法也類同。
5.2 利用綜合參數法提高預報可靠性和精（jīng）度
    由（yóu）於具有災害體地質條件的複雜性，地球物理方法的（de）多解性，所以隻有采用綜合參數法，才可提（tí）高預（yù）報可（kě）靠性和精度。目前已（yǐ）有人對各種預報方法做（zuò）了大量的研究，論證（zhèng）了采用“綜合參數法”進行超前（qián）地質預報的（de）必要性，且已得到（dào）大量的實例驗證。根據目前的地球物理方法的技術現狀，考慮（lǜ）到方法的（de）可靠（kào）性、預報精度（dù）及資料的可認識性，對複雜地質災害體預報確定的最佳綜合參數（shù）為“波速+電阻率”。2個參數說明1個地質目標體的2個性質，利用波速對（duì）地質構造的敏（mǐn）感性和電阻率對水（shuǐ）的敏感性進行綜合隧道超前地質預報，相互映證與補充，可進（jìn）一步提高超前地質預報的可靠性和預報精（jīng）度，減少多解性。
6 結（jié）論（lùn）
    通過對隧道施工超前地質預報方法的研究認（rèn）為：
    1）重（chóng）視隧道工程穿越的區域（yù）水文地質環境（jìng）的調查與掌握，可大大提（tí）高地質預報的可靠性。
    2）隧道施工超前地質預報最佳的“綜合參數”為“波速+電阻率”，最佳組（zǔ）合方法為（wéi）地震反射法和電（diàn）性（xìng）方法結合，可根據現場具體條件有針對性地選擇預報方法和儀器（qì）。
    3）隧道施工超前地質預報應（yīng）盡可能（néng）結合實際地質情況采用“模（mó）式（shì）”預報，它有利於高效、準（zhǔn）確地探測具體的地質災害體。
    4）空間探測的預報方（fāng）法和技術可有效提高預報技術的可靠性和解譯水平，是超前地質預報技術的發展（zhǎn）趨勢。
    5）複雜（zá）條件下（xià）的超（chāo）前地質預報應遵循“綜合參數、長（zhǎng）短結合、內外兼顧、長期跟（gēn）蹤、災害預案”原則，以確保隧道施工安全。