超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在工程地質(zhì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

一、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的實(shí)踐意義

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)中后期，是工程地質(zhì)的一個(gè)分支，我國從上個(gè)世紀(jì)70年代后期逐漸開始重視這一方面的研究和應(yīng)用，中國科學(xué)院地質(zhì)研究所的孫廣忠院士等作了大量的工作。進(jìn)人21世紀(jì)，伴隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的啟動(dòng)，修建的鐵路、公路將明顯增多。由于隧道長(zhǎng)度、埋深等各方面因素的影響，地質(zhì)條件越趨復(fù)雜，隧道施工中遇到的問題也會(huì)相應(yīng)地增多，不可預(yù)料的地質(zhì)災(zāi)害如突泥、突水、塌方等成為困繞工程施工的主要難題。近十幾年來，隧道施工技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，為了保證在隧道施工時(shí)的安全和高效，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的研究顯得越來越重要。

要保證隧道施工的順利進(jìn)行，關(guān)鍵是要預(yù)防隧道施工中的地質(zhì)災(zāi)害。如在施工中的塌方是制約快速施工的最主要因素之一，而斷層、巖溶是隧道隧洞開挖過程中最常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，也是引起隧道塌方的“罪魁禍?zhǔn)住敝?。由斷層及斷層破碎帶、巖溶陷落柱等引起的隧道隧洞塌方占塌方總數(shù)的90％以上。賦存于斷層及破碎帶中的溶洞、暗河、淤泥帶是隧道隧洞突泥突水等地質(zhì)災(zāi)害的最主要根源，斷層破碎帶是誘發(fā)瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出等地質(zhì)災(zāi)害的最主要地質(zhì)因素之一。斷層破碎帶還與巖爆的發(fā)生和產(chǎn)生密切相關(guān)?？梢哉f，隧道隧洞施工中發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，幾乎都有斷層、巖溶有關(guān)。

鑒于斷層破碎帶、巖溶對(duì)隧道施工的巨大影響。因此，進(jìn)行斷層破碎帶、巖溶超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的研究具有極其重要的意義。根據(jù)隧道隧洞開挖面前方隱伏斷層及破碎帶、巖溶規(guī)模準(zhǔn)確定位和評(píng)價(jià)，采取準(zhǔn)確而有效的防治工作，不僅可以減少隧道塌方、突泥等災(zāi)害的發(fā)生、加快施工進(jìn)度，而且可以為施工單位節(jié)約大量成本，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。它既可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，又具有廣泛的社會(huì)效益。

二、主要地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的工作方法和手段

目前，常用的隧道長(zhǎng)期（長(zhǎng)距離）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法主要有地面地質(zhì)調(diào)查法，斷層參數(shù)預(yù)報(bào)法和TRT、TSP、HSP等儀器探測(cè)方法；常用的隧道短期（短距離）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法主要有掌子面編錄預(yù)測(cè)法，不良地質(zhì)前兆法和地質(zhì)雷達(dá)、紅外線超前探水等儀器探測(cè)法。各種預(yù)報(bào)手段和方法都有其各自的適用范圍和特點(diǎn)，其中TSP超前探測(cè)是目前預(yù)報(bào)距離最長(zhǎng)、適用范圍最廣、預(yù)報(bào)效果最好的超前預(yù)報(bào)手段和方法。

1.TRT超前探測(cè)技術(shù)

TRT層析掃描超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)可采用多種地震源產(chǎn)生沿隧道和采礦口傳播的信號(hào)，這些信號(hào)在巖體性質(zhì)發(fā)生改變的地方反射，被用來描述隧道和采礦口前方及其周圍的三維結(jié)構(gòu)圖。TRT6000層析掃描超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)是用來指導(dǎo)隧道施工、地層繪圖、采礦、地下水文和地質(zhì)測(cè)量、填埋物的描繪和定位、判斷地下危險(xiǎn)物移動(dòng)的新一代超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，它采用了業(yè)界獨(dú)有的層析掃描成像及用捶擊產(chǎn)生地震波的技術(shù)，從而提高了數(shù)據(jù)采集效率、降低了操作難度而且使圖像更易于理解，更有利于缺陷診斷。TRT60OO超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)是一個(gè)優(yōu)化的、由硬件和軟件組成的測(cè)量系統(tǒng)。

TRT6000在美國、歐洲、日本、新西蘭、澳大利亞等國家獲得廣闊的市場(chǎng)，目前在中國的中鐵十四局及五礦集團(tuán)得到應(yīng)用，并獲得用戶高度評(píng)價(jià)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①TRT6000超前預(yù)報(bào)使用錘擊作為的震源，可重復(fù)利用，不需要耗材，而使用炸藥爆炸作為震源每次需要相當(dāng)費(fèi)用。

②使用錘擊作為震源，可在同一點(diǎn)作多次錘擊，通過信號(hào)疊加，使異常體反射信號(hào)更加明顯。

③用錘擊作為震源克服了爆炸產(chǎn)生的高能量對(duì)周圍巖體產(chǎn)生擠壓、破壞現(xiàn)象，從而保證能接收到真實(shí)的地震波信號(hào)。

④由人控制錘擊產(chǎn)生地震波、可簡(jiǎn)單重復(fù)，操作簡(jiǎn)單，而爆炸產(chǎn)生地震波時(shí)高頻信號(hào)迅速衰減，對(duì)操作人員的要求比較高。

⑤TRT6000采用高精度的加速計(jì)作為傳感器，靈敏度高（0.5v/g），最大程度地保留了高頻信號(hào)，提高了精度及探測(cè)距離（硬質(zhì)巖中為300米，軟質(zhì)巖中為150米），而其他儀器使用的是速度傳感器，靈敏度為（1v/g），容易損失高頻信號(hào)。

⑥傳感器和地震波采集、處理器之間采用無線連接，大大簡(jiǎn)化了裝備（只有兩個(gè)箱子，尺寸見設(shè)備配置）兩個(gè)箱子的重量?jī)H為29Kg，攜帶方便。

⑦TRT6000的傳感器布點(diǎn)采用立體布點(diǎn)方式，在隧道兩邊分別布置4個(gè)傳感器，然后在隧道頂上布置兩個(gè)傳感器，從而獲得真實(shí)的三維立體圖，直觀的再現(xiàn)了異常體的位置、形態(tài)、大小。而其他儀器一般在左右邊墻各布置一個(gè)地震波信息接收器接收地震波，這樣的布置方式只能獲得異常體的位置信息，而不能獲得形狀、大小等信息，同時(shí)對(duì)于大角度斜交隧道的裂隙可能沒有反映。

⑧TRT6000還采用了層析掃描的圖像處理方式，繪制三維視圖，并可以從多個(gè)角度觀察缺陷，使得圖像更加清晰，易于理解，從而更加輕松地進(jìn)行缺陷診斷。

⑨TRT6000能描繪到隧道水平和垂直方向的所有異物。而其他儀器用于描繪幾乎垂直于隧道的充滿空氣或水的裂隙，而且只能描繪靠近的垂直裂隙，不能描繪稍遠(yuǎn)距離的第二或第三裂隙（尤其是充氣裂隙）。對(duì)于斜交隧道（由其是大角度斜交隧道）的裂隙可能沒有反映。對(duì)于所描繪的傾斜裂隙，會(huì)低估它們的距離。

2.TSP超前探測(cè)技術(shù)

TSP（TunnelSeismiCPrediction）是瑞士安伯格測(cè)量技術(shù)公司于20世紀(jì)90年代初期開發(fā)研制的一套超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)備，該系統(tǒng)采用地震波反射原理，能長(zhǎng)距離地預(yù)報(bào)隧道施工前方的地質(zhì)變化，如斷層破碎帶和其它不良地質(zhì)帶，其準(zhǔn)確預(yù)報(bào)范圍為掌子面前方100一150m?，F(xiàn)如今TSP超前地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)在瑞士、德國、法國等發(fā)達(dá)國家的隧道施工中，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在采用TBM施工時(shí)，利用TSP進(jìn)行超前探測(cè)地質(zhì)情況，更是在隧道施工過程中不可缺少的工序。

1996年，我國鐵道部隧道工程局首次引進(jìn)TsP202應(yīng)用于深圳中東部供水水源隧道、梅坎鐵路松南隧道、內(nèi)昆線閘上隧道、朱嘎隧道等。近年來，TsP技術(shù)也越來越得到中國的工程技術(shù)人員廣泛認(rèn)同，并成功地應(yīng)用于秦嶺鐵路隧道、株六鐵路復(fù)線、渝懷鐵路部分隧道工程、青海公伯峽水電站導(dǎo)流洞、云南元墨高速公路以及山西雁門關(guān)公路隧道等幾十個(gè)工程中。在工程的施工實(shí)踐中也發(fā)揮了重要作用。

TSP探測(cè)技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)歷了TSP202和TSP203兩代產(chǎn)品。與第一代產(chǎn)品TSP202相比，TSP203在硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等方面都作了很大的改進(jìn)，其軟件編程除了考慮了于WindowS視窗的兼容性之外，還特別強(qiáng)調(diào)了軟件的智能化和評(píng)估結(jié)果輸出的靈活性，使探測(cè)工作更加靈活、便捷。下表對(duì)TSP202和TSP203測(cè)量系統(tǒng)的主要特征和配置作了比較。

3.TGP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)

這也是地震反射波技術(shù)的一種應(yīng)用，猶如光波在鏡面發(fā)生反射一樣，巖體中傳播的地震波在斷層構(gòu)造破碎帶、不同巖性接觸帶、軟弱巖層帶、以及巖溶發(fā)育帶等界面發(fā)生反射、繞射和散射，發(fā)生波型變換、衰減、干涉等現(xiàn)象，本系統(tǒng)詳細(xì)分析解譯這些地質(zhì)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述不良地質(zhì)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

隧道內(nèi)地震波的傳播環(huán)境為三維條件，設(shè)想在六面是鏡面的空間內(nèi)你的圖像將會(huì)如何？隧道內(nèi)的反射波傳播遠(yuǎn)比地面復(fù)雜。需要采用全波列震相分析、偏振歸位與空間歸位等多項(xiàng)新處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)界面成像。采集與控制的電路安裝在防靜電、防電磁干擾、防水的美國進(jìn)口精密儀器箱體，TGP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用三分量精密高保真的接收傳感器，采取彈性波偏移歸位、極化偏振、和空間等相關(guān)技術(shù)提取地質(zhì)信息，通過分析反射點(diǎn)的分布形態(tài)判斷地質(zhì)病害的類型；通過縱、橫波資料的差異性，分析地質(zhì)病害的性質(zhì)；結(jié)合隧道施工地質(zhì)調(diào)查，總結(jié)規(guī)律，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。

除了上述三種方法外，在實(shí)際的工作中，為了增加地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的精度，還有下列一些輔助性的手段：

（l）地質(zhì)雷達(dá)法

探地雷達(dá)法也叫地質(zhì)雷達(dá)法，簡(jiǎn)稱GPR（GroundPenetratingRada）。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)射至地層中，經(jīng)地層界面反射返回隧道掌子面，由另一天線接收回波信號(hào)，進(jìn)而通過對(duì)接收的回波信號(hào)進(jìn)行處理、分析解釋，達(dá)到對(duì)短距離進(jìn)行超前預(yù)報(bào)的目的。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)大量地應(yīng)用在隧道超前預(yù)報(bào)、工程場(chǎng)地勘查、地下管網(wǎng)探測(cè)、工程質(zhì)量檢測(cè)、金屬礦化代勘查、地表水資源調(diào)查甚至考古探查當(dāng)中，取得了令人滿意的效果。

（2）水平聲波剖面法（HSP）

水平聲波剖面法簡(jiǎn)稱HsP（HorizontalSonicProfileS），該方法是地震波反射法的一種。探測(cè)