隧道施工地质超前预报技术比较

隧道施工地质超前预报技术比较

摘要：在隧道开挖过程中，对掌子面前方岩性进行比较准确的预报，可有效地防止工程事故、加快施工进度以及保证工程质量。目前常用的地质超前预报方法可归为破坏法和非破坏法两类，各有其优缺点，其中非破坏法中的TSP，隧道地震波预报技术具有预报距离长、预报费用低和探测时间短等独特优越性。据此，本文对TSP 技术原理和数据采集、处理系统作了介绍，并归纳和总结了其在国内外隧道工程中的成功应用情况。 关键词：隧道；超前预报；地震波；TSP 1 前言

隧道设计与施工之前，要对拟建隧道工程地段的工程地质条件进行详细勘察，但由于岩体的复杂性，使得勘察所获得的资料与隧道开挖后实际揭露出来的情况可能会有较大的出入。由于对掌子面前方地质条件了解不清，隧道施工就带有很大盲目性，施工中经常出现预料不到的塌方、冒顶、涌水等事故。这些事故一旦发生，轻则影响工期，增加工程投资，重则砸毁机械设备，甚至造成人员伤亡，而且事故发生后的处理工作难度较大。如何解决这一难题，备受世界各国隧道工程界的关注，隧道施工地质超前预报正是在这种情况下提出的。

隧道施工地质超前预报，就是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料，并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析、研究，从而对施工掌子面前方岩体情况或成灾可能性做出预报。我国目前正在进行的大规模的基础设施建设中，包括有大量的铁路、公路、引水等隧道（隧洞）建设，其中有不少隧道处在复杂岩性、构造、高地应力地区，有些地区甚至被专家称为“地质博物馆”。在我国隧道施工中由于对施工前方地质条件的不了解造成的隧道坍塌、突水等事故时有发生。因此普遍在隧道施工中采用地质超前预报技术，特别是采用国际先进的地质超前预报技术对提高我国隧道施工技术水平大有裨益。本文对隧道地质超前预报的一些常用方法作了比较，对先进的TSP隧道地震波预报技术的原理、数据采集处理系统以及在国内外的应用情况作了介绍。TSP 技术在我国还处 于引进和消化阶段。

2 地质超前预报的常用方法及其优缺点

地质超前预报可以预测掌子面前的一些内容：如断层构造及断层破碎带，煤层、瓦斯、天然气、硫化氢赋存条件，采空区状况，岩溶、空洞、裂隙及其规模和充填情况，地下水赋存状态及可能突水、涌水的位置以及水量的大小和软弱围岩及不同类别围岩的界面等。目前常见的地质超前预报方法可归为两类，一类属破坏法，另一类属非破坏法。破坏法是指用破坏的方法凿开隧道直接取样，它包括地质法、超前平行导坑法和超前水平钻孔法；非破坏法也就是物理方法，利用岩石的物理性质来判别，它包括有声测法、电测法和波反射法。波反射法也可以分为电磁波反射法和地震波反射法。

受各种条件的限制，不同的隧道施工地质超前预报方法有各自的优点，也存在各自的缺点。地质法是指用地质锤、放大镜和地质罗盘等野外地质工具直接观察岩石的岩性，并判断周围的岩性。地质法有可靠的理论基础，不占或很少占用施工时间，适用性强，成本低，操作简便，但靠有限之“见”预报范围很有限，特别是在地层岩性变化极为复杂（如强烈褶皱地层）的隧道中预报的难度很大。

第 2 页 共 5 页

超前平行导坑法是在要开挖的隧道附近开挖一平行的小断面导坑，该法具有地质法的优点，但投资大，且隧道与导坑间距过大、地层变化复杂时准确率明显降低，因此适用于设计间距较小、地层受构造变动小的平行隧道工程。

超前水平钻孔法是用钻探设备向掌子面前方钻探，从而直接揭示隧道掌子面前方地层岩性、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩石（体）的可钻性、岩体完整程度等资料，还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，是最直接有效的地质超前预报方法，但一次钻探距离短，费用高且占用施工时间长。

声测法是利用声波在岩石中的传播规律来判别岩石性质的一种方法。声测法占用施工时间短，但预报距离受孔深限制，一般小于15m。

电测法是根据岩石与电阻的关系来推断其性质的一种方法，可以分为电位法和电阻率法。电测法简便、成本低，但必须是以各层间电阻值有一定的差别为前提。 波反射法常见的有地质雷达法和TSP隧道地震波法：

地质雷达(Ground Penetrating Radar 简称GPR)是利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部形态和位置的电磁技术[1]。其分辨率高、无损伤、探测和数据处理速度快、机动灵活、操作方便、抗干扰能力强，可对隧道一定范围内进行全方位探测，但是其预报距离较短，只能预报掌子面前方40-50m 处的工程地质、水文地质条件，而较准确预报的距离只有十几米。

TSP法(Tunnel Seismic Prediction)是由瑞士Amberg 量测技术公司为隧道及地下工程施工期地质

超前预报而研制开发的，它的预报范围是地质雷达的4-12倍，预报费用是超前水平钻探的1/10－1/20。它有以下优点[3]：

（1）适用范围广，即适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。

（2）预报距离长，理论上能预报掌子面前方500m，考虑地震波干扰等因素能准确预报掌子面前方100～350m。

（3）对隧道施工干扰小，它只要求在接收信号时为减少噪音干扰作短暂停工。

（4）探测时间短，一次完整的探测仅仅需要45分钟，加上探测前的准备工作和探测以后系统清除所用的时间也不过2小时，另外探测前的准备工作可以在施工的同时执行。

（5）节约投资费用，据国外隧道施工经验估计，采用TSP 法比不进行预报节省费用是全部工程的15%。

（6）提交资料及时，在现场采集数据的第二天即可提交正式成果报告。

由于TSP 有如上诸多优点，所以它的出现解决了工程界对超前预报的诸多难题，从而代表了当今世界隧道施工超前预报的最先进技术。

[2]

第 3 页 共 5 页

3 TSP 技术原理和数据采集、处理系统

TSP探测系统是通过在掌子面后方一定距离内的钻孔中施以微型爆破来发射信号的，爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，经隧道前方的界面反射回来（见图1）[4]，反射信号经接收传感器转换成电信号并放大。

从起爆到发射信号被接收的这段时间是与反射面的距离成比例的。通过反射时间与地震传播速度的换算就可以将反射面的位置、与隧道轴线的夹角以及与隧道掌子面的距离确定下来，同时还可以将隧道中存在的岩性变化带的位置方便地探测出来。 TSP探测系统分数据采集系统和处理系统两部分。

TSP采集系统由记录仪、接收仪和启爆装置等组成（见图2）。通常要求采用两个接收仪和24个爆破孔组成，接收仪孔和爆破孔分别布置在掌子面附近两面的边墙上。接收仪是用来接收地震信号的仪器，安装在一个被水泥或两节环氧树脂夹固定在岩层上的管套里面。启爆装置是由一个常规的带有发射回路的外部触发盒的爆破器组成。

TSP 处理系统由窗口式软件TSPwin 组成，其对现场采集的数据进行处理。主要的处理步骤有[5]：

（1）提取反射波

TSP 记录的各种波当中，只有那些从掌子面前方和隧道旁边反射过来的携带了岩石性质的波才有用。这些有用的反射波可以通过滤波器能从其它波里分离出来。 （2）分离P 波和S 波

把X、Y 和Z 方向上的记录转换成P 波、SH 波和SV 波。P 波为压缩波（纵波），S 波为剪切波（横波），其中SV 波表示质点在垂直面内运动的横波，SH 波表示质点在水平面内运动的横波。

（3）提取反射面

运用图像处理和分割，提取P 波和S 波反射面。反射界面岩石的性质可以通过以下几个方面判断：1.出现较高的反射振幅、较大的反射系数和较小的弹性阻抗，表示反射界面的岩石密度和波速较高。2.波形中央出现正的反射振幅，表示反射界面的岩石是坚硬的。如果是负的反射振幅，表示反射界面是软弱岩石。3.如果S 波反射比P 波反射更强，这表示反射界面富含水。4. VP/VS增大或突然增大，常常由于流体的存在而引起。5. 若VP下降，则表明裂隙或空隙度增大。

[4]

第 4 页 共 5 页

（4）2D 或3D 结果显示

地震数据处理完以后，可以在2D 或3D 窗口里面察看选择的反射面。2D 窗口是一个水平分开的窗口，显示了两个面板：侧视图和顶视图或岩石属性。3D 窗口用事先确定的隧道剖面显示从参考系位置到掌子面已经开挖的隧道以及所选择的反射面位置，并显示接收器和发射孔的位置。

4 TSP 的应用

4.1 TSP 在国外隧道工程中的应用情况[4]

TSP 从上世纪12 年代初问世以来，已经在数百项大型工程中应用并取得了全世界的认可。在瑞士的Vereina 铁路隧道中，它准确的预测出隧道里程(TM)1430m 处存在不稳定的蛇纹岩层；在日本的Gorigamine 高速铁路隧道中成功的预测出掌子面前方岩性由坚硬的英安岩过渡到稍软弱的凝灰岩再到软弱的页岩的位置。在开挖至黑色页岩之前提前进行了隧道支护，有效地避免了隧道坍塌事故的发生；还有在日本的Kazunogawa 水电隧洞工程中，准确的预报出基准点前方112m 处一个14m 宽的断层带，并有泉水出现；而在南韩的Anmin 公路隧道中准确预报出隧道掌子面

第 5 页 共 5 页

前方不同于开挖段风化岩层的较坚硬岩层和断层构造的位置。 4.2 在国内某隧道工程的应用情况

该高速公路隧道位于云南省境内，全长3000多米，其设计时速为60km/h，采用上下行分离的双洞单向行车双车道隧道。隧道岩层属上三迭一碗水组T31地层，由于受哀牢山大断裂及次一级构造的影响，断层、褶皱和节理裂隙发育，岩性复杂。隧道围岩岩性可概括为硬质岩和软质岩两类。硬质岩有板岩、弱变质灰岩、超基性侵入岩体；软质岩有炭质板岩、砂岩、凝灰岩和泥岩。 采用引进的TSP 仪器对掌子面K256+084 前方岩性进行探测，现场采集的TSP 数据通过TSPwin软件进行处理，获得P 波、SH 波、SV 波的时间剖面、深度偏移剖面和反射面以及岩石物性参数等一系列成果图。表1 为原设计、TSP 预报与实际开挖岩性的对照。

可以看到，实际开挖结果与TSP 预报结果比较一致，而与原勘测设计的结果有一定出入。