摘要：由于我国近些年来，国民经济发展迅速，高速铁路工程大规模地建设，隧道数量也越来越多，隧道施工进度经常成为控制整个工程进展的瓶颈。这就对怎样能够解决加快隧道开挖、掘进的速度提出了新的课题，而掌子面前方地质环境方面、水文地质方面的不确定性控制着掘进的速度，如何获取掌子面前方的地质信息成为关键，地质超前预报是解决该难题的方法。所以对地质超前预报技术的探讨、研究显得十分重要，通过地质超前预报才能准确、及时地预测掌子面前方的地质信息，为施工提供科学依据和合理的防治措施，从而在确保安全质量前提下加快隧道建设速度。
关键词：隧道施工；地质环境；超前地质预报；防治措施
1.超前地质预报作用
通过地质超前预报，及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置，产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，从而为隧道优化施工方案提供依据，为预防隧道突水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，提前做好施工准备，降低地质灾害发生的机率和危害程度。通过预报，可以了解掌子面前方短距离内的工程地质条件、围岩类别，为施工正确选择开挖断面、支护设计参数和施工方法提供依据。
2.超前地质预报的理论基础
施工超前地质预报的理论基础包括地层学理论、岩石学理论、地质构造学理论、水文地质学理论及地质一般规律。
2.1地层学理论
地层学主要研究地层的层序关系﹑接触关系和空间变化关系。利用已知的地层层序关系及各地层的岩性特征、地层产状、出露厚度，可以通过作图法预测开挖面前方的地层岩性特征。自然界的岩石分类：岩浆岩、沉积岩、变质岩。绝大多数岩浆岩是由结晶矿物所组成，岩浆岩通常具有较高的力学强度，可作为各种建筑物良好的地基及天然建筑石料。但各类岩石的工程性质差异很大，如深成岩具晶粒粗大、均匀，孔隙率小、裂隙较不发育，岩块大、整体稳定性好的特点。沉积岩中硅质成分化学岩的强度较高，但性脆易裂，整体性差。碳酸盐类岩石如石灰岩、白云岩等强度中等，但具不同程度的可溶性，特别是灰岩，一般发育岩溶。石膏、岩盐等化学岩，往往以夹层或透镜体存在于其他沉积岩中，分布较少。此类岩石质软，浸水易溶解，常常导致地基、边坡、围岩的失稳。变质岩的工程性质与原岩密切相关，往往与原岩的性质相似或相近。一般情况下，由于原岩矿物成分在高温高压下重结晶的结果，岩石的力学强度较变质前相对增高。如板岩是由页岩变质而成，其力学强度比页岩要增强很多。如果在变质过程中形成某些变质矿物，如滑石、绿泥石、绢云母等，则其力学强度(特别是抗剪强度)会相对降低，抗风化能力变差，如片岩、千枚岩等，富含滑石、绿泥石、绢云母等矿物，岩石力学强度较低。动力变质作用形成的变质岩，包括碎裂岩、断层角砾岩、糜棱岩等，力学强度和抗水性均甚差。
2.2构造学理论
由于断裂构造的存在，破坏了岩体的完整性，加速了风化作用、地下水的活动及岩溶的发育，且大多富水，隧道通过碎破碎带时易产生塌方、突泥、涌水；灰岩地区，断层破碎带附近岩溶一般发育。活动性断裂在新的地壳运动影响下，可能发生新的位移，造成隧道支护结构（上下盘间）的错位破坏。
2.3水文地质学理论
突水、涌水是隧道施工中遇到的主要地质问题之一，也是对隧道施工安全影响最大的地质问题。利用水文地质学理论知识，通过对地下水形成及分布规律，地下水赋存形式，地下水补给、径流、排泄运移特征及地下水物理化学特征等方面的分析研究，可以很好地指导隧道施工超前地质预报中的水文地质预报工作。
3超前地质预报的主要工作内容
地层岩性预测预报，特别是对软弱夹层、破碎地层、煤层及特殊岩土的预测预报；地质构造预测预报，特别是对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况的预测预报；不良地质预测预报，特别是对岩溶、人为坑洞、瓦斯等发育情况的预测预报；地下水预测预报，特别是对岩溶管道水及富水断层、富水褶皱轴、富水地层中的裂隙水等发育情况的预测预报。
4超前地质预报方法
隧道施工超前地质预报方法包括地质分析法、物探法、超前地质钻探法、超前导坑法等。其中地质分析法是地质预报的基础，物探法、钻探法、超前导坑法等是利用物探、钻探或超前导坑的手段获取地质信息，再经过地质分析解译后进行地质预报。
4.1地质分析法
利用地质基本理论和地质作图法，根据隧道已有勘察资料、地表补充地质调查资料、洞内开挖揭示地质资料等，通过地层层序对比、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析等，推测开挖工作面前方可能揭示的地质情况，如地层岩性，地质构造、不良地质类型、规模等。
4.2地质素描法
地质素描也叫地质编录，是施工期间获取地质信息的重要手段。
现场进行地质素描时，应对掌子面及掌子面附近开挖段进行详细观察。首先从岩性、岩体完整性、出水量大小等方面进行大范围、前后左右对比，宏观把握地层岩性等的变化。对于地层颜色、软硬程度、节理裂隙发育状况、出水量与周围岩体发生明显差异的部位，进行重点详细观察，通过手触、锤击、采集样本分析等详细查明差异的性质，分析造成差异的原因。
地质素描主要记录内容：工程地质信息、地层岩性、地质构造、岩溶、特殊地层、人为坑洞、地应力、塌方、有害气体等；地下水出露信息：出水段落、部位、水质、水量、水压。
4.3TSP地震波反射法
TSP超前预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧洞掌子面前方及周围临近区域的地质情况。
采集到得数据利用TSPwin软件处理可得P波和S波波场分布规律，最终显示掌子面前方与隧道轴线相交的反射同相轴及其地质解译的二维或三维成果图。由相应密度值，可算出预报区内岩体物理力学参数，根据弹性波速、岩体密度及杨氏模量等参数的变化分析判断工作面前方地质条件变化。
4.4地质雷达法
地质雷达法是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面（或在钻孔内）通过发射天线向前（四周）发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。
由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，即波的旅行时间、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。
4.5红外探测法
红外探测属广义遥感技术，它建立在红外辐射场的基础上。地球上一切物质，每时每刻都在向外部辐射红外电磁波，并形成红外辐射场。物质在向外部发射红外辐射的同时，必然会把它内部的信息传递出来，因而根据场的变化，即探测曲线上所出现的异常，提前发现隐蔽的灾害实体，从而预防灾害的发生。
优点：仪器小巧轻便，操作简单，基本不占用隧道施工时间，资料分析简洁、快速、直观。
缺点：只限于定性，即只能预报有没有水，而无法确定水量大小。对周围环境条件要求苛刻，而目前隧道施工环境很难满足其要求，因而探测精度大打折扣。
4.6超前地质钻探法、超前导坑法
超前导坑法比较直观，精确度高。采用上导坑开挖地段也较多，因此在上导坑进行预报工作是十分重要的，在上导坑采用地质素描、地质作图等手段，在图解分析的基础上对小掌子面及全断面前方的地层、岩性地质构造、水文地质情况进行地质超前预测。小导坑出露的地质情况，通过编录、作图、计算等正确预报大断面的地质情况，使施工可在主隧道开挖断面达到不良地段之前采取相应的支护措施。水平钻机超前探测法，通过水平钻机在掌子面进行钻探、采取岩芯等工作了解前方地质条件。但对施工干扰较大，适用于探测前方严重的突水突泥段。
5结论
隧道工程地质预报是由其所在的地质环境决定的，地质预报不仅是在工程地质条件差时需要做，在工程地质条件好且施工进展顺利时更需要认真对待。由于工期和经济利益的驱使，在工程进展顺利时，不重视地质预报工作的现象普遍存在，有很多地质灾害就是在这种情况下发生的。在整个地质超前预报中，利用区域地层对比法辅以物探测试工作，进行长距离范围内的构造轮廓的预报，再通过地质素描及钻孔打眼取芯，进行短距离的预报相互结合，可在隧道检测中发挥更大的作用。
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作者简介：
林凤国，男，1968.10，辽宁大连市，大学本科，教授级高工，从事隧道施工新技术研究。