我國隧道工程超前預報技術現(xiàn)狀分析

1、我國隧道工程超前預報技術現(xiàn)狀分析鐘宏偉1)趙凌2)1)中國地質(zhì)大學地球物理與空間信息學院，湖北 武漢4300742)長江工程地球物理勘測研究院(武漢)，湖北武漢430010摘 要：回顧了我國隧道工程超前預報技術的歷史，介紹了近年來的研究進展，分析了其現(xiàn)狀，指出了當前亟待 解決的一些問題并提出了解決這些問題的基本設想。關鍵詞：隧道工程超前預報TSP法相控陣探地雷達TRT法BEAN法Analysis on the Current Situation of the TunnelEngineering Forward Detection Technology in ChinaZhong Hongwei

2、 1)Zhao Lin2)1)Geophysical and space information institute of China University of Geosciences Wuhan， Hubei， 4300742)Institute of Changjiang Engineering Geophysics Exploration (Wuhan)， Wuhan , Hubei， 430010Abstract: Reviewed the history of the tunnel engineering forward detection technology in China,

3、 introduced the research development in recent years， analyzed the current situation, pointed out the existed problems and the basic ideas on dealing with these problems。Keywords: the tunnel engineering forward detection TSP phased array ground penetrating radar (GPR)0引言隨著公路、鐵路、水利、礦山及其它工程建設的飛速發(fā)展，我國的

4、施工隧道已大量地出現(xiàn) 截至1999年，我國僅鐵路隧道就已達6876個，總長度為3670公里，為世界第一。作為隱蔽工程 的公路隧道、鐵路隧道、礦山隧道、輸水隧道等在施工過程中，由于前方地質(zhì)情況不明，經(jīng)常會 因遇到斷層、破碎帶、暗河、高地應力等不良地質(zhì)體而導致塌方、泥石流、涌水、巖爆冒頂?shù)鹊?質(zhì)災害發(fā)生。這些災害的出現(xiàn)，往往會影響施工進度,造成人員傷亡，給施工單位、國家和人民帶來 嚴重的經(jīng)濟損失.如1994年在尖山工程建設中，由于對前方地質(zhì)災害掌握不清，結果出現(xiàn)了塌 方、涌水并伴隨著大量泥石流出現(xiàn)，大大影響了工程進度，給尖山工程建設帶來了嚴重的經(jīng)濟損 失；天生橋二級水電站3條引水隧洞以及太平驛引水

5、隧洞在施工過程中均多處發(fā)生過巖爆現(xiàn)象， 類似的地質(zhì)災害在許多中小工程型和大型隧道工程中都出現(xiàn)過3】。此外，有些隧道不僅延伸很長， 而且往往深埋于山體之中。對于這些埋藏很深的長隧道，由于其前期的地勘工作受到技術水平和經(jīng) 費的限制，因而在施工前不可能查清隧道圍巖的地質(zhì)情況隨著隧道工程施工的逐步深入，其安全 隱患會一一暴露出來.這時需要在施工過程中采取有效方法，對前方不良地質(zhì)災害進行準確的超前 預報，以便及時地修正開挖和支護設計方案，避免施工事故發(fā)生.由此可見，隧道施工過程中的超前預報工作在隧道工程中的地位和作用都十分重要。然而我國 的隧道超前預報技術的水平又是一個什么樣的現(xiàn)狀呢？目前的隧道超前預報

6、技術是否能滿足工程 建設的要求？如果不能滿足，那么今后的研究工作應向何處邁進和深入?本文試圖就這些問題開展 討論。1我國隧道工程超前探測技術的現(xiàn)狀在我國隧道工程的勘察階段，一般都要進行工程地質(zhì)調(diào)繪、巖溶水文地質(zhì)調(diào)查、綜合地球物理 勘探、水文試驗、深孔鉆探等大量地面調(diào)查和勘探測試工作。這些工作可基本查清隧道區(qū)域內(nèi)的工 程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況,給設計部門提供一定的地質(zhì)資料作為隧道工程的設計依據(jù).但由于隧道是一 個線狀的隱蔽工程，且深埋于地下,其巖體的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復雜多變.限于目前的地質(zhì)勘 探水平，試圖在工程勘察階段就準確無誤地查明其工程巖體的狀態(tài)、特征以及可能發(fā)生地質(zhì)災害的 不良地質(zhì)體的位

7、置、規(guī)模和性質(zhì)是極其困難的，特別是在復雜的巖溶地區(qū)。因此，這些問題都必須 依靠施工過程中的地質(zhì)超前預報工作來解決。隧道施工期的超前預報一般分為直接預報方法和間接方法兩大類。直接預報方法主要有掌子面 的超前鉆探、超前平導法等，間接方法主要是多種類型的地球物理探測手段。超前鉆探法是運用鉆孔臺車從隧道掌子面向前打孔時鉆進速度的變化，并結合巖粉和泥漿顏色 來預測打眼深度范圍內(nèi)的地質(zhì)情況的。該方法能直接揭示掌子面前方的地質(zhì)特征;超前平導法（或?qū)?坑法）是通過在隧道中線附近先期貫通的一個綜合性地質(zhì)探洞來對主洞作進行直觀的地質(zhì)超前預報 的,該方法曾在秦嶺特長隧道修建中發(fā)揮過重要作用4 .但由于上述兩種方法都

8、屬于有損的探測和預 報方法，其最大的缺點是費時費事、耗資巨大，有時甚至與隧道施工相沖突或遇到水體和瓦斯突出 等災害地質(zhì)層時會造成意想不到的災難,因而其在工程實踐中的應用受到了很大的限制。鑒于這方面 的原因，本文對這兩種方法將不作過多的分析和討論，而將著重討論地球物理方法在隧道超前預報 方面的現(xiàn)狀和存在的問題。目前用于隧道超前預報的地球物理方法很多，主要有遂道地震超前預報系統(tǒng)（TSP）、水平聲波 剖面（HSP ）法、陸地聲納法、探地雷達（GPR ）法和紅外探水法幾種。遂道地震超前預報系統(tǒng)隧道地震超前預報測量系統(tǒng)簡稱TSP （Tunnel Seismic Prediction），是我國20世紀90

9、年代從瑞 士安伯格（AMBERG）測量技術公司引進的一套先進的地質(zhì)超前預報探測系統(tǒng)，也是我國目前應用 較為廣泛的一種。TSP和其它反射地震波方法一樣，采用了回聲測量原理：地震波在指定的震源點（通常在隧道的 左邊墻或右邊墻，大約24個炮點布成一條直線）用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，產(chǎn)生的地震波在巖石中以球面 波的形式向前傳播，當?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性接口 （即波阻抗接口，例如斷層、巖石破碎帶、巖性突變 等）時，一部分地震信號反射回來，一部分地震信號透射進入前方介質(zhì),反射的地震信號被兩個三維 高靈敏度的地震檢波器（一般左邊墻和右邊墻各一個）接收。通過對接收信號的運動學和動力學特征 進行分析,便可推斷斷層、巖石破

10、碎等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀及巖石力學參數(shù)。采集的TSP資料通過TSPWin軟件進行處理。TSPWin軟件處理流程為：資料設置一帶通濾波 一初至拾取一拾取處理一炮能量均衡一Q-估計一反射波提取一P一S分離一速度分析一深度偏移一 反射層提取。通過TSPWin軟件處理，可以獲取P波、SH波、SV波的時間剖面、深度剖面、提取 的反射層、巖石物理力學參數(shù)、各反射層能量大小等成果以及反射層在探測范圍內(nèi)的2D或3D空間 分布。在瑞士 20公里長的Vereina隧道工程施工中，TSP產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益5.該系統(tǒng)引入我國之后，一些專家學者結合我國隧道施工的具體情況對其作了大量的深化完善工 作。1991年

11、鐵道部第一勘察設計院曾昭璜在該系統(tǒng)基礎上提出地震負視速度法或隧道垂直地震剖面 法,該方法與TSP的不同之處是TSP法為多點激發(fā)、一點接收，負視速度法是一點激發(fā)、多點接 收。曾昭璜認為：當反射面與測線直立正交時，所接收的反射波與直達波在記錄圖像上呈負視速度， 其延長線與直達波延長線的交點即為反射面的空間位置。中國鐵路工程總公司的何振起和鐵道部第 三勘測設計院的白恒恒等利用該思想并結合超前水平鉆探等方法，在山西省長梁山隧道f5、f12斷 層預報和福州飛鸞嶺公路隧道預報中取得了預期效果w幻。2002年，石家莊鐵道學院的李忠等人從 地質(zhì)構造學理論、爆破地震學理論出發(fā)，就如何增加TSP202超前預報探測

12、系統(tǒng)的探測距離進行 了初步探討詢。他們認為，若能根據(jù)現(xiàn)場具體地質(zhì)情況來確定傳感器最佳安裝位置、選取合適的采 樣參數(shù)以及探測炸藥種類和用量，則其探測距離可達到200米以上。他們還對如何利用TSP-202超 前預報探測系統(tǒng)搜索角問題進行了研究，指出當以一個較符合實際地質(zhì)情況的搜索角去處理地震波 信息時，不但會使信息量會大大增加,而且對斷裂構造的預測精度也會大大提高ns。他們運用概率論 等數(shù)學方法，結合自己的研究成果在新倮納隧道地質(zhì)超前預報中取得了一定的效果1口。水平聲波剖面法該方法是彈性波反射法的一種。探測時不占用掌子面，將發(fā)射源和接收換能器布設在遂道兩側(cè) 的淺孔內(nèi)，發(fā)、收位置均在平行于隧道地面的

13、同一水平面上，構成一 “水平聲波剖面” .這種方法的 特點是各檢測點所接受的反射波路徑相等，因此反射波組合形態(tài)與反射界面形態(tài)相同，通常是直達波 呈雙曲線形態(tài)，反射波呈直線形，其圖象直觀。該方法的另一種優(yōu)點是對反射界面傾角沒有限制， 適用的范圍對負視速度法廣泛.陸地聲納法陸地聲納法是鐘世航1992年提出的,其實質(zhì)是垂直地震波反射法。該方法采用極小偏移距、錘擊 激發(fā)、高頻超寬帶接收反射彈性波進行連續(xù)剖面探測。據(jù)報道此方法在羊寨隧道和鋁廠隧道超前探 測時，成功地探查出掌子面前方4080m距離范圍的溶洞m-15。探地雷達法探地雷達法也叫地質(zhì)雷達法。該方法利用發(fā)射天線將高頻電磁波以脈沖形式由隧道掌子面發(fā)

14、射 至地層中，經(jīng)地層接口反射返回隧道掌子面，由另一天線接收回波信號,通過對接收的回波信號進行 處理與分析解釋,達到對短距離進行超前預報的目的。吳永清等人利用該方法在107國道上焦沖、六 甲洞和石倉嶺三座公路隧道1040m內(nèi)的地質(zhì)超前預報中取得了一定的效果16。長春科技大學的 薛建等人采用地震反射法（TSP202）進行中長距離（100m左右）預報，采用地質(zhì)雷達進行短距 離（1040m以內(nèi)）的預報，兩種方法相互結合，互相補充，在吉林省白山市石碑嶺隧道掘進中，成 功地預測出幾十處斷層和多處510m寬的破碎帶昌刀。紅外探水法地下水的活動會引起巖體紅外輻射場強的變化。紅外探水儀通過接收巖體紅外輻射場強，

15、根據(jù) 圍巖紅外輻射場強的變化值來確定掌子面前方或洞壁四周是否有隱伏的含水體.該方法在渝懷線園 梁山隧道中取得了較好的效果.2現(xiàn)狀分析上述兩類方法在我國隧道工程施工超前探測中雖然已經(jīng)獲得了很多成功的工程實例，及時為施 工和設計單位提供了科學的參考依據(jù)，但實際上還存在很多問題.有損方法的缺陷是顯而易見的，筆 者在前面已作了分析，不再贅述。物理探測法雖具有快速無損、測試簡便、費用低廉、可提供較大范 圍內(nèi)地質(zhì)體的幾何性質(zhì)和物理性質(zhì)等優(yōu)點，但隧道工程特有的探測條件要求物探技術能在狹小檢測 場地條件下進行大距離、高精度、快速準確的超前預報，現(xiàn)有的物理超前探測技術都難以完全滿足.地震反射法的探測距離雖然可長

16、達百米以上，但探測精度低，且因探測對象復雜多變，各種雜波 干擾嚴重，有效波的識別與分離十分困難，因而有時難以獲得好的結果。目前應用較多的TSP-202 (或TSP-2003)隧道地震超前預報系統(tǒng)，在地質(zhì)結構復雜、波阻抗差異不大的情況下就存在這樣 的問題.由于掌子面的尺寸相對探測對象的距離來說要小得多，因此隧道內(nèi)的地震波場是三維波場。 在這種情況下，偏移成像和物性結構反演成像相互迭代是解決問題的重要途徑，速度參數(shù)的獲取是 復雜結構探測的核心問題。但就目前情況來看，一些反演精細速度的方法尚未實用，先進的波場分離 技術亟待開發(fā)，這使得TSP-203超前預報探測系統(tǒng)在復雜探測條件下難有作為。因此，目前

17、我國工 程界目前對TSP法的評價褒貶并不一致。較為一致的看法是，對與隧道呈大角度相交的面狀軟弱帶， 如斷層、軟弱夾層、地層分界等其探測效果較好，但對不規(guī)則形態(tài)的地質(zhì)缺陷如溶洞、暗河及含水 情況等其探測效果均不理想.探地雷達法的探測速度雖然相對較快，但其存在的三個問題是致命的缺陷：1。探測距離與分辨率的矛盾無法克服.眾所周知，目前所有的波動類(彈性波和電磁波)物理 探測方法的探測距離與分辨率二者之間均存在難以調(diào)和的矛盾。即探測距離的加大是以犧牲分辨率 為代假的，反之亦然。由于現(xiàn)有探地雷達的頻率都比較高，因而其探測距離都不能滿足大距離隧道超 前預報的要求。有鑒于此，現(xiàn)行的隧道超前預報大多將探地雷達

18、與地震反射法配合使用，前者用于 小距離的高精度探測，后者用于大距離的超前探測,二者相互補充、取長補短；2。多次波及其他雜波干擾嚴重，原始記錄的信雜比低，有效波的識別及其成果解譯十分困難。 由于現(xiàn)行探地雷達都是單發(fā)單收，故目前較成熟的相干技術不能應用，這使得在較為復雜的情況下， 其資料的分析解釋十分困難，有時甚至無法解釋；3。所獲得的被探測對象的空間信息量太少，其資料成果的解釋往往存在多解性。這個問題是顯 而易見的，因為現(xiàn)行探地雷達沒有掃描探測的功能。上述三個問題是現(xiàn)行探地雷達在隧道超前預報中不能充當重要角色的根本原因。水平聲波剖面法目前雖是鐵路系統(tǒng)應用較為廣泛的一種方法，但由于該方法實際上還是

19、地震波 反射法的一種，因而其TSP法所面臨的的部分技術問題水平聲波剖面法同樣存在。實踐表明,在地質(zhì) 條件不太復雜的情況下，該方法對掌子面前方50米內(nèi)的地質(zhì)狀況的預報比較準確。陸地聲納法目前還很不成熟，存在的問題有三：一是采集的數(shù)據(jù)的通道一般只有兩道，現(xiàn)成的 多道疊加技術用不上，因而信雜比較低；二是缺乏速度參數(shù)，對夾層定厚的人為因素較大，多層情況 下的探測效果更差；三是實際工作中并不能做到真正的垂直反射，沿巖面?zhèn)鞑サ谋砻娌ê颓胺降刭|(zhì) 界面反射回的各種轉(zhuǎn)換波實際上還是會被接收器所接收，因而波現(xiàn)象往往很復雜，此時依靠同相軸 來劃分異常通常會出錯。紅外探水法對預報掌子面前方有無潛伏的含水體是有效的，但

20、對含水層的位置、賦水形態(tài)、出 水量都無法知曉，對無水情況下的地質(zhì)災害則難以預報。綜上所述，可認為當前所應用的地球物理探測方法在隧道超前預報中均存在不同程度的問題和 缺陷。實際工作中，欲取得好的預報效果，還需對這些方法進行完善改進，并結合具體情況將上述 多種方法優(yōu)化組合，綜合運用.與此同時，還要考慮開發(fā)和引進一些新的隧道超前預報方法。3幾點看法由以上分析可知，隧道工程超前探測和預報問題的特點決定了對物理探測方法的特殊要求。由 于檢測工作必須在隧道內(nèi)的施工現(xiàn)場實時進行，因而就要求物探技術能滿足在狹小檢測場地條件下 的大距離、高精度、快速而準確的超前預報。在前面,我們已經(jīng)分析了各種現(xiàn)有方法所存在的缺

21、陷， 并指出，試圖利用現(xiàn)有的物探方法和技術設備是難以做好隧道工程施工的超前預報工作的.因此，在 努力完善現(xiàn)有方法技術的同時，還應全面開展超前探測新方法技術的研究和新儀器設備的研制工 作。實際工作中，不要寄希望于某種單一的方法，要考慮多種方法的優(yōu)化組合和綜合運用。筆者認為，解決隧道工程施工的超前探測和預報問題的關鍵問題是高效快捷的探測速度和大距 離條件下的高分辨率及高準確度的探測問題。因此，研制一種具有聚焦特性和連續(xù)掃描探測方式的 新型雷達，進一步完善TSP法的處理軟件，盡快引進國外的TRT反射地震層析成像法18和BEMA 法，將這幾種方法配合使用可能是解決隧道工程的超前探測和預報工作的一條有效

22、的途徑。TRT技術的全稱是“真正的反射層析成像”（True Reflection Tomography），是由美國NSA工程 公司近年來提出的一種新方法。該方法在觀測方式和數(shù)據(jù)處理上與TSP法和負視速度法均有很大的 不同，TRT雖然也是利用反射地震波進行超前探測，但該方法采用的是空間多點激發(fā)和接收觀測方 式，其檢波器和激發(fā)的炮點呈空間分布，以便獲得足夠的空間波場信息，從而使前方地質(zhì)缺陷的定 位精度大大提高。TRT法不僅在接口定位、巖體波速及其類別劃分等方面具較高的精度，而且有較 大的探測距離.實驗表明：TRT法的結晶巖體中的探測距離可達100150米，在弱的土層和破碎的 巖體中可預報6090

23、米oTRT法在實踐中成功的例子很多，較典型的是奧地利的通過阿爾卑斯山的鐵 路雙線隧道的超前預報。由于各方面的原因，我國目前還沒有引進這一技術。BEAM 法（Bore-Tunnelling Electrical Ahead Monitoring），這是國際上當前唯一的一種電法超前 預報方法,是德國GEOHYDRAULIK DATA公司推出的產(chǎn)品。該方法是一種聚焦電流頻率域的激發(fā) 極化方法，其最大特點是通過外圍的環(huán)狀電極發(fā)射一個屏蔽電流和在內(nèi)部發(fā)射一個測量電流以便使 電流聚焦進入要探測的巖體中，通過得到一個與巖體中孔隙（空隙）有關的電能儲存能力的參數(shù)PFE （Percentage frequenc

24、y effect）的變化，預報前方的巖體的完整性和含水性；其另一個特點是所有的 裝置都安裝在盾構挖掘機的刀頭（測量電極）和外側(cè)鋼環(huán)（屏蔽電流）上，也可安裝在鉆爆法施工的 鉆頭的前方（測量電極）及兩側(cè)鋼架（屏蔽電流）上,隨著隧道掘進，連續(xù)不斷獲得成果，并適時處理 得出掌子面前方的PFE的曲線。從曲線推斷預報前方巖體的性狀及含水情況。這種儀器我國目前也 沒有引進，但歐洲許多國家已開始使用。“相控陣探地雷達”的設想是肖柏勛1999年提出的,該項研究工作于2000年5月付諸實施】19。 2001年，該雷達的大功率發(fā)射系統(tǒng)及其簡易接收機研究成功20.這種主頻300兆，帶寬100兆，發(fā) 射功率1。5Kw的

25、新型雷達在粘土中穿透了 60米，現(xiàn)場測試還證明了其良好的聚束特性.2001年， 該項研究的理論研究工作在國家自然科學基金重大項目中作為一個專題立項，其儀器研制和軟件開 發(fā)工作在國家863計劃信息領域作為一個課題立項.目前，具有16個發(fā)射天線組合的,16信道接收和 采集的新型雷達已研制成功2口，其實際應用效果正在試驗中。可以預料，這種新型的相控陣探地雷 達在隧道施工地質(zhì)超前探測中具有廣闊的應用前景。該項研究的基本思路是利用目前軍事上較成熟 的相控陣雷達技術,將目前的單極子雷達天線代之以相控陣雷達天線。其目的旨在通過相控陣技術將 電磁波聚成一個窄波束向隧道掌子面發(fā)射，采用多信道信號接收和采集技術接

26、收目標體反射的雷達 回波信號，并對其進行各種去噪處理，實現(xiàn)目標體的自動識別與提取，最終給出探測目標體的準三 維幾何結構和物性結構圖像。相控陣探地雷達能夠?qū)㈦姶挪〞鄢梢徽ㄊ?，因而能量集中，波前擴散小。在相同頻率和發(fā) 射功率條件下，相控陣雷達的探測深度要大得多；在同一探測深度條件下，相控陣雷達可以把發(fā)射 頻率提高,因而其分辨率比現(xiàn)有雷達要高得多。由于該系統(tǒng)將球面波發(fā)射改為波束發(fā)射，因而介質(zhì)不 均勻影響相對要小得多.此外，相控陣探地雷達采用多信道接收信號，可以利用相干技術進行去噪處 理以提高其信噪比，還可以進行共反射點的疊加，故其多次波干擾可極大地消除，這是現(xiàn)有雷達難以 做到的。由于其采用連續(xù)掃

27、描方式，因而信息量較之現(xiàn)有地質(zhì)雷達要大得多，對于隧道超前探測的特 殊工作，其作用是現(xiàn)有單極天線地質(zhì)雷達無法替代的。高頻(600MHz1GHz)相控陣探地雷達的 天線可以做的較小，在隧道超前探測時，其優(yōu)越性是現(xiàn)有探地雷達無法比擬的。相控陣探地雷達在隧道工程施工超前預報中的最終目標，是通過相位的自動控制實現(xiàn)其雷達的 掃描功能，以擴展其對隧道的探測范圍；通過變頻技術和相干接收技術獲得探測地質(zhì)體的深度剖面； 通過先進的反演及可視化技術反演隧道介質(zhì)的內(nèi)部結構圖像。據(jù)此筆者認為，我國隧道工程超前探測和預報技術亟待解決的問題可能有以下幾點3相控陣雷達的理論正演與信號處理技術研究；4相控陣雷達的反演解釋及其資

28、料可視化軟件的開發(fā)；TSP法數(shù)據(jù)處理軟件的完善；TRT反射地震層析成像技術的引進；TSP法、BEAM法、TRT法與相控陣探地雷達的綜合運用和解釋的應用研究。由于BEAM法和TRT法目前在我國尚未使用，這兩種方法在我國隧道超前預報實踐中應用效果 如何、是否存在某方面的問題目前尚不清楚，筆者在此難以發(fā)表看法。4結語鑒于前面的分析我們認為，我國的隧道超前預報工作應在TSP-203處理軟件進一步完善的基 礎上，配合相控陣探地雷達、TRT法和BEAM法，或同時使用，或在上述方法中優(yōu)選其中幾種使用, 使之相互補充、相互印證，這種方案在目前可能是較好的一種隧道超前探測方案由于我們在隧道超前探測方面所做的工作

29、十分欠缺，經(jīng)驗甚少，文中拙見，難免謬誤。不妥指 處，敬請見諒.參考文獻：I姚鋒敏、趙崇文，尖山工程建設工程地質(zhì)問題回顧J，中國礦業(yè)，1994，3(增刊)：179181.2張有天，水工隧洞建設的經(jīng)驗和教訓(下)J,貴州水利發(fā)電，2002， 16(1)： 7584。3陳光宗、王石春、劉朝禎，太平驛水電站引水洞施工地質(zhì)超前預報技術J，鐵道建筑技術，1995, (2):2931.4梁羽騰，秦嶺特長隧道使用掘進機修建中平行導坑的作用與功能J。貴州水利發(fā)電,2002, 16(1)： 135 肖書安、GStattel，瑞士 Vereina隧道工程中的地質(zhì)超前預報測量J，廣東公路交通,1998(增刊)，(54

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