２期宋先海，等：我国隧道地质超前预报技术述评６０７
图ｉＴＳＰ－２０３隧道地质超前预报地震波时间剖面图
Ｆｉｇ．１ＴｈｅｆｉｅｌｄｓｈｏｔｇａｔｈｅｒｏｆＴＳＰ－２０３ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ
图２ＴＳＰ－２０３隧道地质超前预报二维结果图（李志祥，２００５）
Ｆｉｇ．２Ｔｈｅ２－ＤｒｅｓｕｌｔｓｏｆＴＳＰ＿－２０３ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ
ｆｉｌｅｓ），该方法是地震波反射法的一种．探测时不占用用掌子面，将发射源和接收换能器布设在隧道两侧的浅孔内，发射、接收位置均在平行于隧道底面的同一水平面上，即构成一“水平声波剖面”．这种方法的优点是对反射界面倾角没有限制，测点所接收的反射波路径相等，因此反射波组合形态与反射界面形态基本相同，通常是直达波呈双曲线形态，反射波呈直线形态，图像直观．柳杨春利用该方法在四川巴彭公路铁山隧道掌子面前方５０ｍ内地质状况的预报中取得了较好的效果［２０｜．
１．３陆地声纳法
陆地声纳法（ＬａｎｄＳｏｎａｒ）也叫高频地震波反射法，该方法是钟世航教授１９９２年提出的，其实质是垂直地震反射法［２１｜．它采用极小偏移距、锤击激发、高频超宽带接收反射弹性波进行连续剖面探测．钟世航等人利用该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Ｅ２２］．
１．４地质雷达法
地质雷达法也叫探地雷达法，简称ＧＰＲ（ＧｒｏｕｎｄＰｅｎｅｔｒａｔｉｎｇＲａｄａｒ）Ｅ２，２３￣２５］．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，经地层界面反射返回隧道掌子面，由另一
天线接收回波信号，进而通过对接收的回波信号进
６０８
地球物理学进展２１卷
图３公路隧道超前预报中含水带的地质雷达记录（赵永贵等，２００３）
Ｆｉｇ．３
Ｔｈｅｇｒｏｕｎｄｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇｒａｄａｒｒｅｃｏｒｄｏｆｒｅｔａｉｎｉｎｇｗａｔｅｒ
行处理、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１０～４０１ＴＩ内的地质超前预报中取得了一定的效果［２引．长春科技大学的薛建等人采用ＴＳＰ一２０２进行中长距离（１００ｍ左右）预报，采用地质雷达法进行短距离（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，成功地预测出几十余处断层和多处５～１０ｒｆｌ宽的破碎带［２７１．图３是赵永贵等人在公路隧道得到的雷达探测记录，由图可见，围岩中的裂隙水含水带对电磁波有强烈的反射，从反射图像中可圈定含水带位置．
１．５红外探水法
红外探测法（ＩｎｆｒａｒｅｄＤｅｔｅｃｔｉｏｎ）是利用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幅值来确定隧道掌子面前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体∞８｜．该方法在渝怀线园梁山隧道中取得了较好的效果［２９｜．
１．６超前钻探法
超前钻探法（ＡｄｖａｎｃｅＢｏｒｅｈｏｌｅｓ）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孔深度范围内的地质情况．该方法能最直接地揭示隧道掌子面前方的地质特征，所以准确率很高．此法如果辅以数码成像、钻孔声波测试，还可对孑Ｌ内及掌子面地质情况进行摄影成像并获取岩石波速，这样不仅有利于完成掌子面地质素描、地质展布图，而且有利于对导洞进行地质预报等［３０’３１｜．
１．７超前平导法
超前平导法也称超前导坑法（ＡｄｖａｎｃｅｄＴｕｎ—ｎｅｌｓ），它是在隧道中线附近利用平行导坑先期贯通一个综合性地质探洞，以便对主洞作出直观、精确的地质超前预报，同时还可为主洞施工提供输水、排水、施工通风、施工运输的方便条件．梁羽腾利用该方法在秦岭特长隧道修建中取得了较好的应用效果［３２｜．
２现状分析
上述７种方法在我国隧道地质超前预报中虽然已经获得了很多成功的应用实例，及时为施工和设计单位提供了科学的参考依据，但客观地说，我国隧道地质超前预报技术还存在很多问题．超前钻探法和超前平导法不但费时、费工、价格昂贵、耗资巨大，而且具有破坏性，且是以点代面，显然难以大面积应用．间接无损的地球物理方法虽然具有测试简便、费用低廉，可提供较大范围内地质体的几何结构和物理性质等优点，但由于隧道是一个线状的隐蔽工程，其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、快速准确的超前探测，前面介绍的５种地球物理探测方法都难以完全满足．
红外探水法对定性预报掌子面前方有无潜伏的含水体是有效的，但对含水层的位置、赋存形态、出水量、出水压力等都无法定量分析，对无水情况下的地质灾害更难以预报．
地质雷达法虽然具有快速、无损的特点，但探测距离小（一般为３０１ＴＩ左右），且影响地质雷达探测结果的因数也很多，如天线的布置方向、介质物理性质的不均匀性、工作频率与探测距离的矛盾、电磁波的散射和衍射、多次波及杂波、能量发散、空间信息
量少等因数均在不同程度上制约着探测结果的好
２期宋先海，等：我国隧道地质超前预报技术述评
的国外隧道地质超前预报技术．
图４ＴＲＴ观测系统图（Ｒｉｃｈａｒｄ，２００２）
Ｆｉｇ．４ＴＲＴｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ
图５ＴＲＴ地质预报结果（Ｒｉｃｈａｒｄ，２００２）
Ｆｉｇ．５ＴＲＴｐｒｅｄｉｃｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓ
隧道反射层析成像技术简称ＴＲＴ（ＴｒｕｅＲｅ－ｆｌｅｃｔｉｏｎＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）［５厶５３］，是由美国ＮＳＡ工程公司近年来提出的一种新方法．该方法在观测方式和数据处理上与ＴＳＰ和负视速度法均有很大不同，ＴＲＴ采用的是空间多点激发和接收观测方式，其检波器和激发的炮点呈空间分布，以便获得足够的空间波场信息，从而使前方地质缺陷的定位精度大大提高．ＴＲＴ法不仅在界面定位、岩体波速及其类别划分等方面具有较高的精度，而且有较大的探测距离．据介绍：ＴＲＴ法在结晶岩体中的预报距离可达１００～１５０ｍ，在弱土层和破碎岩体中可达６０～９０ｍ．ＴＲＴ法在实践中也有很多成功的实例，图４为ＴＲＴ测量观测系统图，图５即为利用ＴＲＴ进行地质超前预报的结果．
隧道电法超前探测技术简称ＢＥＡＭ（Ｂｏｒｅ—ｔｕｎｎｅｌｉｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＡｈｅａｄＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ），这是国际上当前唯一的一种隧道电法超前预报方法，是德国ＧＥＯＨＹＤＲＡＵＬＩＫＤＡＴＡ公司推出的产品．该方法是一种聚焦电流频率域的激发极化方法，其最大特点是通过外围的环状电极发射一个屏蔽电流和在内部发射一个测量电流，以便使电流聚焦进入要探测的岩体中，通过得到一个与岩体中孔隙（空隙）有关的电能储存能力参数ＰＦＥ（ＰｅｒｃｅｎｔａｇｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＥｆｆｅｃｔ）的变化，预报前方岩体的完整性和含水性；其另一个特点是所有的装置都安装在盾构挖掘机的刀头（测量电极）和外侧钢环（屏蔽电极）上，也可安装在钻爆法施工的钻头前方（测量电极）和两侧钢架（屏蔽电极）上，随着隧道掘进，连续不断地获得成果，并实时处理得到的掌子面前方的ＰＦＥ曲线．从ＰＦＥ曲线即可推断预报前方不良地质体的性状及含水情况．该项技术在欧洲许多国家已经开始使用．
４结语
鉴于前面的分析我们认为，针对目前我国隧道地质超前预报技术现状：
（１）对现有预报方法技术及软件加以改进、完善，并针对具体实际情况选取几种方法优化组合、综合利用，以应付当前实际生产之急需；
（２）应加强隧道工程基础理论研究、正反演技术研究、多参数综合利用研究，以从根本上解决隧道施工中复杂探测对象几何结构成像和物性参数成像问题；
（３）应考虑建立开发三维可视化的隧道安全立体预测预警系统，以使隧道施工和建成后的运营更加安全；
（４）适应隧道地质超前预报技术的新型仪器设备（包括配套软件）的开发研制及对国外较有前途的预报方法的引进．
由于我们在隧道地质超前预报方面所做的工作
十分欠缺，经验甚少，文中拙见，难免谬误．不妥指
我国隧道地质超前预报技术述评
作者：宋先海， 顾汉明， 肖柏勋， SONG Xian-hai， GU Han-ming， Xiao bo-xun
作者单位：中国地质大学,地球物理与空间信息学院,武汉,430074
刊名：
地球物理学进展
英文刊名：PROGRESS IN GEOPHYSICS
年，卷(期)：2006,21(2)
被引用次数：44次
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