杨云帆
重庆交通建设（集团）有限责任公司 重庆市401121
摘要：从超前地质预报的原则入手，介绍了超前地质预报的方法，如地质分析法、地质雷达法、弹性波反射法等，对比分析了几个方法的优缺点，并结合崤山隧道项目进行分析，详细研究了各类超前地质预报方法在其中的运用，以期为相关工程带来借鉴。
关键词：超前地质预报；隧道工程；地质雷达
近年来，随着国家经济与技术的快速发展、共建“一带一路”的推进以及川藏铁路重大工程的开展，隧道工程及地下空间技术水平也发生显著的提高，我国将成为世界上隧道建设数量最多、难题最大、难度最高的国家。据统计，中国投入运营的铁路隧道就有16000余座，总长度达到18041km,长度超过20km以上的特长铁路隧道共有11座，累计长度262km，其中西格线上的新关角隧道长度达到32.69km,中国已经成为名副其实的高速铁路大国、隧道大国[1-2]。随着公路、铁路、水利、矿山、跨海等高难度隧道工程的发展，其距离特长、埋深特深、地质条件特复杂等问题随之增多，由于地质条件的复杂性，地下工程与地下空间建设过程中岩爆、大变形与大面积塌方、突水、地表沉陷等地质与工程灾害事故频发，造成人员伤亡、设备损失、工期延误和工程失效等。在众多隧道工程案例中，正是由于没有做好充分、准确的超前预报措施，致使导致严重的隧道事故。圆梁山隧道是渝怀铁路线上最长的隧道，全长11.068km，为已建和在建铁路隧道中施工难度最大的工程之一，由于受高压、富水、岩溶等诱导因素的影响，多次发生突水事故，施工难度较大，造成严重的安全事故。马鹿箐隧道全长7.9km，最大埋深660m，地质条件极其复杂，地下岩溶高压富水溶腔等不良地质体广布，在建期间多次遭遇岩溶溶腔特大型突泥突水事故。兰渝铁路穿越西秦岭，通过软弱围岩地段高达70%，穿越地区断裂和褶曲构造极为发育，地层岩性变化大，地应力状态复杂，隧道施工过程中经常发生长时间的持续变形，支护开裂等现象。目前，川藏铁路重大工程已经开始施工，其地处地球多圈层内外动力强烈耦合作用区，是目前世界上地质地貌条件最为复杂和最难修建的隧道工程，因此在隧道建设过程中针对裂隙、断层、溶洞、地下水、破碎带等复杂地质条件的超前地质预技术也将面临巨大挑战。
一、超前地质预报重要性
自上世纪六七十年代起，人们开始意识到超前地质预报技术对于隧道施工的重要性，一开始只有超前导洞、超前钻探为主的地质调查法被应用于隧道施工超前地质探测工作。由于地质调查法的局限性，人们开始注重超前地质预报技术的理论、技术研究，相继研发出包括地震波法、电磁法、直流电法、红外探测技术等无损地球物理超前探测技术。迄今为止，基于钻爆法施工的超前地质预报技术已经成熟，许多新型物探技术也在试验验证中，隧道施工超前地质预报朝着定量化、综合化方向快速发展。超前地质预报技术经过地质分析法、地震波法、电磁法、电法、红外探测技术等单一探测技术，发展到综合地质预报技术，数据获取越来越精确，预报结果越来越准确。本文通过大量的文献阅读，在各位学者的研究基础上，对现有超前地质预报技术的技术原理、模型模拟以及试验研究的最新成果进行阐述，并介绍以地震干涉法为主的新型地震波法在隧道工程施工超前预报技术的研究现状及技术前景，总结建立综合地质预报技术体系，预测超前地质预报未来的发展趋势，为广大研究人员提供参考。
二、超前地质预报的原则
1)隧道超前地质预报关系到整个施工环境的安全，施工单位应将其看做隧道施工必要流程之一。2)施工单位在进行超前地质预报的时候应根据复杂程度划分不同等级，找出核心内容，严格依照动态设计原则开展各项施工，了解施工环境中的地质情况，依照隧道区段地质复杂特征选取合适的预报方法、设定科学的标准。3)施工单位可通过地质调查和勘测结合、将物探和钻探结合、远距离和近距离结合、地下和地上结合等手段，对所得结果进行全面分析，避免出现失误，尽可能提升精准度。4)若是施工隧道包含正洞超前导坑、平行导坑等内容或两个隧道之间距离较近，此时施工人员可充分借助这些导坑开展各项超前地质预报工作。
三、综合超前地质预报方法
目前，国内外隧道超前地质预报主要采用地质分析法、地球物理法。地质分析法有工程地质调查法、超前导洞法、超前水平钻探法和地质素描法等。地球物理方法包括地质雷达法、地震波反射法、瞬变电磁法、红外探水法、激发极化法等。工程地质调查法在隧道施工前，采用遥感解译、地质测绘、钻探、岩土计算分析等方法，为隧道施工区提供宏观工程地质资料。工程地质调查可定性查明隧址区地形、岩性、地质构造特征，断层形态、性质、破碎程度，不良地质、特殊岩土的分布及对隧道的影响，宏观预测隧道可能发生的地质灾害。掌子面地质素描法一般在每个开挖支护后，根据掌子面附近洞壁揭露的结构面、岩层、地表结构面特征，通过类比推测方式，推断掌子面前方岩性延伸情况。地质素描预报法是一种高效的短距离定性预报方法。地球物理超前地质预报方法根据预报距离不同，可分为长距离和短距离预报。长距离预报主要采用地震波反射法预报掌子面前方距离为100～200m的地质情况，基本原理是利用人工激发的弹性波在岩体中传播，不良地质体与围岩波阻抗差异产生反射波，通过分析检波器接收的反射波运动学和动力学特征，获取岩体构造的成像信息，从而预测隧道前方地质状况。根据观测系统布置方式、数据处理方法、激振方式等不同，地震波反射法超前地质预报可分为TSP、隧道地质超前预报(TGP)、陆地声纳法、负视速度法等二维超前预报和隧道地震波反射层析成像预报(TRT)、隧道地震层析成像探测(TST)、水平声波剖面法(HSP)、隧道施工超前地质预报系统(USP)，以及隧道地震波法超前探测系统(TSD)等空间观测方式的超前预报方法。地震波反射法超前预报距离长，对力学性质差异的面状构造预报效果较好，但是该方法成本较高、耗时，并且预报精度有待进一步提高。短距离预报主要采用电磁类方法对掌子面前方距离小于60m的充水溶洞、富水断层等含水不良地质体进行预报。其中，地质雷达法分辨率相对较高，在软弱夹层、裂隙带、溶洞、断层等方面预报效果较好，但是准确预报距离较短，受隧道施工环境干扰大，主要用于对异常区的精细探测。瞬变电磁法和电阻率法主要用于查明隧道前方含水情况，红外探水法只限于定性预报探测点前方是否含水及方位。
四、结束语
隧道项目风险极高，假设预测存在失误，将极有可能对整个安全施工造成影响，拖延整体工期。本文将崤山隧道项目当成具体研究对象进行分析，研究了不同预报方法所适用的对象、适宜使用具体以及设备在施工过程中易受的各项影响因素，望为类似项目所参考。
参考文献：
［1］杨小平．隧道超前地质预报方法研究［J］．工程机械与维修，2020，27(3)：158－160．
［2］夏方华，郭有刚，刘明，等．超前地质预报技术在杭临城际隧道勘察中的应用［J］．工程技术研究，2019，42(24)：104－105．