隧道施工超前地质预报技术综述
叶 英1，2
（1.北京市市政工程研究院，北京 100037；2.地下工程建设预报预警北京市重点实验室，北京100037）
摘 要：目前隧道施工超前地质预报技术仍处在对单个方法、单一参数的解释研究阶段，由于地质预报的具体方法各有其特点和局限性，很难找到一种适合于各种隧道地质灾害的探测方法，因此，就地球物理方法与隧道施工特点相结合进行综合预报，以解决隧道超前地质预报的多解性、预报精度及方法缺陷等问题做了较详细的介绍。
关键词：隧道；超前地质预报；地质灾害；综合参数；预报模式
中图分类号： U456.33 文献标志码：B 文章编号：1009-7767（2012）05-0000-00
Tunnel Construction ahead Geological Prediction Technology Summarizing
Ye Ying
隧道施工超前地质预报是指对隧道开挖掌子面前方的地质情况及不良地质体的工程性质及位置、产状进行探测、分析解释及预报。隧道超前地质预报从探测位置上可分为（洞外）地面预报与（洞内）掌子面预报；从预报性质上可分为物探方法、地质方法、化探方法；从预报距离上可分为长距离预报（>100m）、短距离预报（<30m）与临近预报（<10m）。
隧道施工过程中常见的地质灾害有：断层破碎带、岩性界面不整合接触带；岩溶、陷落柱及采空区；
岩爆；软岩；地下水等。存在的主要问题有：①利用单一方法、单一参数解决某个具体问题，存在预报精度低、有多解性的现象；②某个具体方法的探测由于与现场装置布置有关，从而存在对某种类型地质体探测有利，对某些形状或不同类别的灾害体探测不利的现象；③目前适合于隧道掌子面的预报方法较少，使得超前地质预报的方法组合受到限制。
1常见的掌子面超前地质预报方法
隧道地震预报在掌子面附近的排布方法有多种，可分为二维2D（测线）观测系统和三维3D（面积）
观测系统。
1）2D观测系统是震源与接收器沿测线排列。常见的2D观测系统有：将炮点与接收器均设置在侧墙的排布方式（见图1、2），简称TSP（Tunnel Seismic Prediction）；将炮点设置在掌子面多个接收器在侧墙上的排布方式，简称VSP（Vertical Seismic Profiling）；在隧道的2个侧壁分别布设震源和检波器，按其相对位置固定激发点（或接收点）和激发与接收相交错的排布方式，简称HSP（Horizontal Sound wave Profiling）；把激发点和接收器按一定排列布置在隧道掌子面的排布方式，称为垂直地震波排布（极小极距偏移法）。2D观测系统通常主要预报较为简单的二维地质构造，如断层破碎带、岩性界面等。
图1 TSP现场排布
图2 TSP测量原理
2）3D观测系统是将震源点与接收器按空间排布，构成空间位置或角度偏移，3D观测系统有：TRT(True Reflection Tomography)（特定震源点与接收器的空间排布，采用距离偏移法）、USP（Underground Seismic Prediction）（震源点与接收器空间排布，见图3，采用角度偏移法，每个接收器有64个分量）。只有三维的
观测系统才能进行诸如形状体的地质灾害探测，如岩溶、陷落柱、采空区
图3 USP的3D观测系统常用排列
目前的隧道地震预报采用的主要方法为反射波法，对地震记录识别和追踪的对比原则主要是位置对比（距离偏移）法。由于不同的排布方法各有其优缺点，因此大部分仪器都有其自身的现场排布方法，不同的仪器是结合某个具体的排布设计相应地解释处理软件。如TSP202、203有其自身固定的排布方法，其他的相关仪器也类同，也有个别仪器在设计时同时考虑了适用几种排列。
隧道电性预报方法主要有：GPR地质雷达法、BEAM激发极化法、TEMT瞬变电磁法等。地质雷达法属广普电磁法，应用较广泛；BEAM法在国外应用较多，国内案例较少；瞬变电磁法在国内的研究与应用都较多。
2 超前地质预报的实施
通常在对前期地质勘查资料仔细研究后，并结合隧道工程进度、现场条件及物性参数测试，进行预报方法比选。考虑到工程的整体进度，一般结合掌子面的具体情况采用长距离与短距离预报相结合的方法。同时，也要考虑隧道（洞外）地面超前预报方法。有时地面超前预报更方便、有效，所以应针对某个具体
隧道情况全面考虑。
预报方法可以组合与搭配，且前一参数或方法将为后一方法提供目标地质体的特征或形态。后一方法的装置排列设计将依照前一方法的结果进行。因此，相应的方法“先后合理”是指对隧道超前地质预报实施过程中强调先后顺序，它是超前地质预报是否成功的重要保证。隧道超前地质预报共有7个合理步骤。
1）充分收集已有的地质资料。
资料收集和分析是隧道施工超前地质预报的基础，它直接关系到预报结果的准确性，是做好施工超前地质预报工作的第一步。已有的地质资料一般包括：①前期勘查资料。对这些资料进行分析研究，可以对工程范围内的地质构造规律有基本的认识。经验证明，对构造规律的掌握程度直接影响预报的准确度。在熟悉已有资料基础上，应在地表进行实地踏勘并核对以便加深感性认识，从宏观上了解隧道所在地区的地质构造单元及其特征和可能遇到的不良地质地段，在此基础上可大致确定预报的重点内容。②施工过程资料。其中：施工掌子面地质素描、钻速测试可以收集到掌子面没有露头的与洞轴线近于正交的岩体软弱带情况；声波测试可以收集掌子面内部岩性变化情况，并为超前预报提供波速数据；裂隙网络窗口调查为三维网络计算机模拟提供数据，同时验证预报效果。
2）描述所要预报的地质灾害体特征。
根据已有的地质资料结合施工方法便可以确定地质灾害类型，并明确灾害体的特征，对灾害目标体进行地质和地球物理的属性描述，分析可能的参数特征，针对不同的灾害类型尽可能地细化参数，还可配合已知
资料进行部分的岩性参数测试，从而准确把握地质灾害特征因素。
3）建立预报模式。
由于在某个局部地质环境下，其灾害地质结构具有相对稳定的特点，并且灾害局部地质受到特有地质环境的影响，通常具有某些地质结构或构造上的特点。因此，在某些地区建立特定的隧道预报模式是必要的。这也说明针对某个工程项目要充分研究当地区域地质环境的重要性。根据地质灾害体的类型和特征参数，分类建立地质预报模式（见表1），明确预报的各具体参数。
以上模式要能区分不同灾害体的位置、形状、大小、产状及性质等要素，同时要考虑施工因素及现场条件的影响。
4）选择具体的预报方法。
首先，根据已建立的预报模式，结合隧道施工现场和地面条件，考虑施工方法要求，了解现场的地质噪声和干扰水平，兼顾隧道掌子面超前地质预报和地面（洞外）预报方法，全面考虑应采用的具体方法；然后，明确以某个具体方法作为主导的、长距离的预报；最后确定相应的配合方法。主导方法要有普适性，配合方法有针对性。同时注意先进行主导方法的探测，配合方法应在有异常的部位进行，且网格细度应依次加密。
5）预报结果分析。
根据预报结果来消除干扰及假异常。应尽可能采用专业软件分析、认识各种异常特点，特别要注意将预报的异常体分为不同类别，因为每个地区都会有特定的异常特点。正确地认识异常特点会指导下一步的工作。同时明确哪些异常对施工开挖具有危害，哪些异常要进行必要的钻孔与测孔验证。另外，还应分析已采用的预报模式及方法本身的缺陷和可能会遗漏哪些类型的异常，这些异常如何在施工中加以防范。
6）钻孔与测孔的验证工作。
对重要的、严重的地质灾害体进行必要的钻孔与测孔的验证是对预报结果的进一步论证，同时也是对预报工作的进一步细化和指导。
7）对不同类型灾害体的施工预案。
根据预报结果可指导隧道施工中对灾害体的开挖与支护，并建立隧道地质灾害的等级，明确各种等级灾害体的开挖方法和支护参数选取。因为，一旦开挖遇到地质灾害体，就必须立即确定防护方案，以防灾害体迅速扩大。因此，隧道地质灾害预案应在超前地质预报结果中建立。
3 不同工况的超前地质预报方法
3.1 山岭隧道施工
山岭隧道正在朝“长、大、深”方向发展，由于其具体工程特点不同，所以采用的预报方法也不同。
3.1.1 工程特点
山岭隧道通常较长、埋深较大，在前期勘察期间由于受技术手段和现场条件所限（如：勘查较粗，且地面条件较差；地表植物较多，不利于许多方法探测；许多地球物理方法的纵向分辨率随着深度的增加而降低，且隧道开挖直径仅16m，埋深150m，纵向分辨率为90%），使地表探测的难度加大，前期勘察资料的准确度和可靠性就较差。
3.1.2 预报方法
山岭隧道应以掌子面超前地质预报为主，而长距离预报应以地震反射法中角度偏移法为主。其他电性方法，由于供电等原因，且探测距离较浅，可作为辅助方法。总则是“综合参数（波速+电阻率）、长短结合（地震反射法+电性方法）”。地震反射法有：TSP、VSP、HSP、TRT、USP等。电性方法有：GPR地质雷达、TEMT瞬变电磁法、BEAM激发极化法。钻孔方法有弹性波和电磁波CT。预报时可根据现场地质条件复杂情况选择使用。
3.2 地铁浅埋暗挖法和盾构法施工
地铁施工目前基本不做掌子面超前地质预报，但并不表明地铁施工不需要超前地质预报。因为目前国内大范围地铁施工仍在地表下20m以上施工，且地铁隧道前期勘察资料相对山岭隧道而言较为详细；另外，地铁所选线路基本都在原有城市道路下方，地铁所穿越的上方既有市政设施及既有构筑物基本已知；再者，地铁主要建设在大型城市市域内，而我国大多城市都建设在冲洪积平原上，土体隧道居多，当然也有岩质隧道和较为复杂的岩溶地区。虽然，地铁隧道远比山岭隧道地质情况简单，但是其修建于闹市区，对地层变形和既有设施的保护又远比山岭隧道难于控制。所以，地铁隧道对超前地质预报技术的需求是迫切的，技术要求更加精细，出现的问题也很多。现阶段不做掌子面前方预报，主要受预报技术和仪器设备所限。
3.2.1 工程特点
1）埋深相对较浅，地质情况相对简单，但变化较频繁，更注重对既有构筑物的保护；2）对盾构施工而言，更注重对大粒径（50cm以上）卵砾石分布和详细位置的探测与预报；3）对砂性土体则注重对空洞、水囊的探测；4）地下水对工程施工的影响很大，也是探测预报的重点。
3.2.2 预报方法
由于地铁施工埋深较浅，所以就国内现有技术而言，地铁前方预报方法应以地面方法为主（20m以上）、掌子面方法为辅。但是地面探测受各种干扰影响较大，如振动、电磁干扰等等，目前北京地铁开工前要进行地面雷达法空洞扫描探测，测线间距4m，探测深度基本在6m以上，而隧道实际开挖在10m以下，因此探测方法对隧道施工帮助不大。不过，利用较大震源的跨孔法探测也不失为一种好方法，但仍需要做进一步的试验和研究。常采用的地面探测方法有：GPR地质雷达、TEM瞬变电磁法、浅层地震法、高密度电阻率法、综合参数跨孔法等；隧道掌子面预报方法有：USP地震反射法、GPR地质雷达、TEMT瞬变电磁法、BEAM法等。使用哪种方法应结合具体地质条件和现场条件综合确定。
3.3 在盾构机及TBM上安装预报设备
在盾构机或TBM上安装超前地质预报设备，一直是机械开挖的目标和方向，但目前的盾构机和TBM基本上还没有这方面的设备。日本一些学者，做过一些SSP（Sonic Soft Ground Probing）声波前方预报的试验工作（见图4），但目前仍没有更深入的研究成果和更成熟的经验。
图4 SSP软岩地震反射的应用
3.3.1 施工特点
盾构机和TBM推进舱的场地很小，且前方的刀盘转动要保持一定的前方压力，这对预报技术、方法和装置排列会带来一定的困难。对地震法而言，机械开挖的振动较大、影响也大；对电磁类方法而言，干扰电流和机器本身金属类感应影响较大，掌子面现场也很难排布和操作，这些都造成了探测上的困难。
3.3.2 预报方法
在盾构机和TBM上安装固定的装置进行超前地质预报无疑是一个好的方向，由于机械设备及各种电流的干扰，在设备上安装地震波反射法设备可能更为有效。笔者及所在团队正在尝试将干扰源作为激励源进行超前地质预报的研究。当然，利用角度偏移的地震反射法应为首选。但对敞开式盾构或TBM也可采用其他掌子面方法进行预报。
4 应当注意的事项
1）充分认识可能产生的干扰或虚假异常现象。
充分研究灾害体的各种异常形态，在某个区域划分不同的异常类型，对不同的异常干扰体所产生的异常就需要有充分的认识。虚假异常是地质预报可靠性的“天敌”，通常都有引起异常的源体，也有其特定的规律，通过其他的方法可识别、可消去、可改正。具体表现如：电磁干扰（高压线）、振动信号（机械振动）、既有水管等引起的地质雷达异常；地形等变化引起的电法异常等等。只有充分认识虚假异常才有利于区分所要探测的灾害异常体，从而提高预报的准确性。
2）超前地质预报中的“盲人摸象”现象。
在复杂地区进行隧道超前地质预报，必须紧密结合对当地灾害成因及分带规律的研究，弄清灾害体的分布规律，也就是要研究灾害体水系网络的分布规律及特点，即：知道“大象的整体形状和结构”。因为，地球物理探测法仅是对灾害体的局部结构进行探测，当探测到空洞时，就一定要结合空洞水系网络的特点，推断其为富水洞穴而不是其他洞穴。就和盲人摸象一样，其实灾害水系网络也不是单个空洞的形状。因此，对复杂地质灾害的探测，一定要掌握该地区地质特点，在探测到局部灾害体时，只有掌握宏观的工程地质
与水文地质网络特点，才能做出准确的、合理的、符合地质情况的灾害预报[1] 。
5 准确预报措施
5.1 “3个以上证据”准则
由于灾害体的复杂性、形状的不规则、分布极不均匀且受构造控制的影响，使得灾害体的探测变得异常困难。因此，在进行灾害体探测时，需尽可能多的寻找已知证据与实测资料的验证符合。通常，如实测资料有3个已知条件与现场实测资料吻合，就可以大胆地对未知同类异常进行相应推测。根据笔者的经验，“3个以上证据准则”是灾害体预报的可靠性保证[1]。当然如何寻找3个以上已知证据，不同的预报方法，寻找的途径也不同。如隧道掌子面TSP预报系统，在资料解释前，第1个证据是隧道前期的勘查资料对已知灾害体的描述，特别是勘查孔的已知资料。第2个证据是已开挖的前方50m的隧道地质资料。第3个证据是当前掌子面的地质资料。“3个以上证据”与地震反射法波形特征的吻合是进一步推测掌子面前方150m地质情况的基础，其他方法也类同。
5.2 利用综合参数法提高预报可靠性和精度
由于具有灾害体地质条件的复杂性，地球物理方法的多解性，所以只有采用综合参数法，才可提高预报可靠性和精度。目前已有人对各种预报方法做了大量的研究，论证了采用“综合参数法”进行超前地质预报的必要性，且已得到大量的实例验证。根据目前的地球物理方法的技术现状，考虑到方法的可靠性、预报精度及资料的可认识性，对复杂地质灾害体预报确定的最佳综合参数为“波速+电阻率”。2个参数说明1个地质目标体的2个性质，利用波速对地质构造的敏感性和电阻率对水的敏感性进行综合隧道超前地质预报，相互映证与补充，可进一步提高超前地质预报的可靠性和预报精度，减少多解性。
6 结论
通过对隧道施工超前地质预报方法的研究认为：
1）重视隧道工程穿越的区域水文地质环境的调查与掌握，可大大提高地质预报的可靠性。
2）隧道施工超前地质预报最佳的“综合参数”为“波速+电阻率”，最佳组合方法为地震反射法和电性方法结合，可根据现场具体条件有针对性地选择预报方法和仪器。
3）隧道施工超前地质预报应尽可能结合实际地质情况采用“模式”预报，它有利于高效、准确地探测具体的地质灾害体。
4）空间探测的预报方法和技术可有效提高预报技术的可靠性和解译水平，是超前地质预报技术的发展趋势。
5）复杂条件下的超前地质预报应遵循“综合参数、长短结合、内外兼顾、长期跟踪、灾害预案”原则，以确保隧道施工安全。
参考文献：
[1]叶英.隧道施工超前地质预报[M].北京：人民交通出版社，2011：420-423，480-508
收稿日期：2012-08-03
作者简介：叶英，教授级高级工程师，博士，主要从事隧道施工检测、监测、超前地质预报、信息化施工及安全保障的研究工作。
注：本文刊载于《市政技术》2012年第5期，第19页至第23页。