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摘要：以本人参与施工管理的新建渝怀铁路、宜万铁路个别典型、长大隧道为例，介绍目前在隧道施工中广泛采用的地震波反射法超前预报技术的工作原理、适用性、优缺点、实施效果等，希望建设中长大隧道及地下工程施工中超前地质预报工作提供参考或有所借鉴和启发。
关键词：物探法；地质超前预报；隧道施工
中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
1.1地质超前预报技术在隧道施工中运用的意义
1.1.1 通过采用一系列有效的超前地质预报方法，对隧道掘进掌子面前方岩体的不良地质对象的性质、规模进行较准确的预报，对地表勘探成果进行校核与进一步确定，有利于对隧道结构设计参数进行及时调整、修正；指导施工单位采用合理的施工方法，避免因盲目施工而导致预料不到的塌方、冒顶、突水、突泥等事故发生而造成人员伤亡、设备损坏、资金浪费、工期延误、环境破坏等不良后果。
1.1.2 探测隧道开挖轮廓线外周围是否存在隐伏性地质异常体，以及相应的规模、性质、其与隧道支护结构壁间的最近距离等。通过分析，评估其对隧道结构后期的危害程度，做出是否处理及如何处理的方案，实现隧道结构耐久性和安全运营的目标。
1.2隧道施工综合地质超前预报的内容
隧道施工综合地质超前预报的内容主要有三个方面，包括断裂、溶洞、破碎带等不良地质对象的性质、规模的判定；不良地质体的位置及产状的确定；岩体工程类别化的识别等内容。
2 综合地质超前预报技术的主要方法
目前地质超前预报技术主要包括地质分析法、物探法和水平钻孔法三种。其中物探法使用较为普遍，且预测预报较为准确的一种综合方法。
物探的方法主要有：地震波反射法、红外线法、地质雷达法、声波法、钻孔测试法等。采用物探法进行超前预报具有快速、探测距离大、与施工干扰相对小以及可以多种方法组合应用的优点。但也存在一些较为明显缺点。如：不同的物探方法受限于不同的场地和地质条件，各种方法都有一定的局限性。
2.1地震波反射法—TSP超前地质预报
2.1.1 原理
在隧道内，人工制造一系列有规则排列的轻微震源；震源发出的地震波遇到地层界面、节理面、特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、岩溶淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波，它的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质以及产状密切相关，并通过不同数据表现出来；通过设备设置的震源反射波的数据采集系统（传感器和记录仪），将这递增数据经微机处理后储存起来。然后，将数据输入带有特制软件的电脑，经过电脑进行復杂数学计算后，最后形成反射波（纵波）波形图、反映相关界面或地质体反射能量的影像图和隧道平面、剖面图，供工程技术人员解译。
2.1.2 特点
①适用范围广。适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。
②预报距离长。能预报掌子面前方100～350 m范围内的地质状况，围岩越硬越完整预报长度就越大。
③对隧道施工干扰小。它可在隧道施工间隙进行，操作时间为30 min左右。
④提交资料及时。在现场采集数据经过专用处理软件分析处理后，即可出具相应成果及图表等。
2.2地质雷达法
2.2.1 原理
利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面通过发射天线向前发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。当前方岩体完整的情况下，可以预报30m的距离；当岩石不完整或存在构造的条件下，预报距离变小，甚至小于10m.雷达探测的效果主要取决于不同介质的电性差异，即介电常数，若介质之间的介电常数差异大，则探测效果就好。由于该法对空洞、水体等的反映较灵敏，因而在岩溶地区用得较普遍。
2.2.2 特点
当采用TSP系统预报前方或周边有溶洞、暗河水体、岩层层面等不良地质后，在采用地质雷达法就能较好探测其规模、形态。
缺点是洞内测试时，由于受干扰因素较多，往往造成假的异常，形成误判。此外它预报的距离有限，一般以不超过30m，且要占用掌子面的工作时间。
2.3红外线法探水
2.3.1 原理
所有物体都发射出不可见的红外线能量，这能量的大小与物体的发射率成正比。而发射率的大小取决于物体的物质和它的表面状况。当隧道掌子面前方及周边介质单一时，所测得的红外场为正常场，当前面存在隐伏含水构造或有水时，他们所产生的场强要叠加到正常场上，从而使正常场产生畸变。据此判断掌子面前方一定范围内有无含水构造。
2.3.2 操作方法
现场测试有两种方法：一是在掌子面上，分上、中、下及左、中、右六条测线的交点测取9个数据，根据这9个数据之间的最大差值来判断是否有水；二是由掌子面向掘进后方（或洞口）按左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙、隧底的顺序进行测试，每5m或3m测取一组数据，共测取50m或30m，并绘制相应的红外辐射曲线，根据曲线的趋势判断前方有无含水。
掌子面上9个数据的最大差值大于10μw/cm2，就可以判定有水；红外辐射曲线上升或下降均可以判定有水，其他情况判定无水。
2.3.3 特点
红外探测的特点是可以实现对隧道全空间、全方位的探测，仪器操作简单，能预测到隧道外围空间及掘进前方30m范围内是否存在隐伏水体或含水构造，而且可利用施工间歇期测试，基本不占用施工时间。但这种方法只能确定有无水，至于水量大小、水体宽度、具体的位置没有定量的解释。
2.4水平钻孔法
2.4.1 原理
在长期地质预报的基础上，在隧道内安放钻机，沿设计预报方向进行钻进，根据钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液的颜色、气味、岩粉以及在钻探过程中遇到的其他情况来判断钻进方向上的地质情况，可以直接揭示钻进方向前方的地层岩性、岩体结构、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩体程度等资料，还可通过岩芯试验获得岩石强度定量指标，适用于已经基本认定的主要不良地质地段。钻孔的数量、角度及钻孔长度可人为设计和控制。探测隧道中线方向上的地质情况所需超前长钻孔（30～100米）一般为1～3个即可；探测隧道周边的地质情况所需超前钻孔应根据实际需要，一般为5～12个。
2.4.2 特点
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，还可对孔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。但也存在不足之处：对垂直隧洞轴线的地质结构面预报效果较好，与隧洞轴线平行的结构面预报较差；需占用较长的施工作业时间，施工干扰大，费用较高。
3 结束语
综合地质超前预报工作是确保长大隧道，特别是地质条件复杂的重难点隧道施工安全、质量、进度的有效的、必不可少的手段之一。许多成功的经验和失败的教训告诉我们，隧道施工尤其是长大隧道和地质条件复杂的重难点隧道施工必须全面加强综合地质超前预报工作。本人根据自己参与新建渝怀铁路、宜万铁路隧道施工管理经验，对物探法综合地质超前预报工作进行简单介绍，希望对隧道及地下工程施工提供参考。
关键词：物探法；地质超前预报；隧道施工
中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
1.1地质超前预报技术在隧道施工中运用的意义
1.1.1 通过采用一系列有效的超前地质预报方法，对隧道掘进掌子面前方岩体的不良地质对象的性质、规模进行较准确的预报，对地表勘探成果进行校核与进一步确定，有利于对隧道结构设计参数进行及时调整、修正；指导施工单位采用合理的施工方法，避免因盲目施工而导致预料不到的塌方、冒顶、突水、突泥等事故发生而造成人员伤亡、设备损坏、资金浪费、工期延误、环境破坏等不良后果。
1.1.2 探测隧道开挖轮廓线外周围是否存在隐伏性地质异常体，以及相应的规模、性质、其与隧道支护结构壁间的最近距离等。通过分析，评估其对隧道结构后期的危害程度，做出是否处理及如何处理的方案，实现隧道结构耐久性和安全运营的目标。
1.2隧道施工综合地质超前预报的内容
隧道施工综合地质超前预报的内容主要有三个方面，包括断裂、溶洞、破碎带等不良地质对象的性质、规模的判定；不良地质体的位置及产状的确定；岩体工程类别化的识别等内容。
2 综合地质超前预报技术的主要方法
目前地质超前预报技术主要包括地质分析法、物探法和水平钻孔法三种。其中物探法使用较为普遍，且预测预报较为准确的一种综合方法。
物探的方法主要有：地震波反射法、红外线法、地质雷达法、声波法、钻孔测试法等。采用物探法进行超前预报具有快速、探测距离大、与施工干扰相对小以及可以多种方法组合应用的优点。但也存在一些较为明显缺点。如：不同的物探方法受限于不同的场地和地质条件，各种方法都有一定的局限性。
2.1地震波反射法—TSP超前地质预报
2.1.1 原理
在隧道内，人工制造一系列有规则排列的轻微震源；震源发出的地震波遇到地层界面、节理面、特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、岩溶淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波，它的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质以及产状密切相关，并通过不同数据表现出来；通过设备设置的震源反射波的数据采集系统（传感器和记录仪），将这递增数据经微机处理后储存起来。然后，将数据输入带有特制软件的电脑，经过电脑进行復杂数学计算后，最后形成反射波（纵波）波形图、反映相关界面或地质体反射能量的影像图和隧道平面、剖面图，供工程技术人员解译。
2.1.2 特点
①适用范围广。适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。
②预报距离长。能预报掌子面前方100～350 m范围内的地质状况，围岩越硬越完整预报长度就越大。
③对隧道施工干扰小。它可在隧道施工间隙进行，操作时间为30 min左右。
④提交资料及时。在现场采集数据经过专用处理软件分析处理后，即可出具相应成果及图表等。
2.2地质雷达法
2.2.1 原理
利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面通过发射天线向前发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。当前方岩体完整的情况下，可以预报30m的距离；当岩石不完整或存在构造的条件下，预报距离变小，甚至小于10m.雷达探测的效果主要取决于不同介质的电性差异，即介电常数，若介质之间的介电常数差异大，则探测效果就好。由于该法对空洞、水体等的反映较灵敏，因而在岩溶地区用得较普遍。
2.2.2 特点
当采用TSP系统预报前方或周边有溶洞、暗河水体、岩层层面等不良地质后，在采用地质雷达法就能较好探测其规模、形态。
缺点是洞内测试时，由于受干扰因素较多，往往造成假的异常，形成误判。此外它预报的距离有限，一般以不超过30m，且要占用掌子面的工作时间。
2.3红外线法探水
2.3.1 原理
所有物体都发射出不可见的红外线能量，这能量的大小与物体的发射率成正比。而发射率的大小取决于物体的物质和它的表面状况。当隧道掌子面前方及周边介质单一时，所测得的红外场为正常场，当前面存在隐伏含水构造或有水时，他们所产生的场强要叠加到正常场上，从而使正常场产生畸变。据此判断掌子面前方一定范围内有无含水构造。
2.3.2 操作方法
现场测试有两种方法：一是在掌子面上，分上、中、下及左、中、右六条测线的交点测取9个数据，根据这9个数据之间的最大差值来判断是否有水；二是由掌子面向掘进后方（或洞口）按左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙、隧底的顺序进行测试，每5m或3m测取一组数据，共测取50m或30m，并绘制相应的红外辐射曲线，根据曲线的趋势判断前方有无含水。
掌子面上9个数据的最大差值大于10μw/cm2，就可以判定有水；红外辐射曲线上升或下降均可以判定有水，其他情况判定无水。
2.3.3 特点
红外探测的特点是可以实现对隧道全空间、全方位的探测，仪器操作简单，能预测到隧道外围空间及掘进前方30m范围内是否存在隐伏水体或含水构造，而且可利用施工间歇期测试，基本不占用施工时间。但这种方法只能确定有无水，至于水量大小、水体宽度、具体的位置没有定量的解释。
2.4水平钻孔法
2.4.1 原理
在长期地质预报的基础上，在隧道内安放钻机，沿设计预报方向进行钻进，根据钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液的颜色、气味、岩粉以及在钻探过程中遇到的其他情况来判断钻进方向上的地质情况，可以直接揭示钻进方向前方的地层岩性、岩体结构、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩体程度等资料，还可通过岩芯试验获得岩石强度定量指标，适用于已经基本认定的主要不良地质地段。钻孔的数量、角度及钻孔长度可人为设计和控制。探测隧道中线方向上的地质情况所需超前长钻孔（30～100米）一般为1～3个即可；探测隧道周边的地质情况所需超前钻孔应根据实际需要，一般为5～12个。
2.4.2 特点
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，还可对孔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。但也存在不足之处：对垂直隧洞轴线的地质结构面预报效果较好，与隧洞轴线平行的结构面预报较差；需占用较长的施工作业时间，施工干扰大，费用较高。
3 结束语
综合地质超前预报工作是确保长大隧道，特别是地质条件复杂的重难点隧道施工安全、质量、进度的有效的、必不可少的手段之一。许多成功的经验和失败的教训告诉我们，隧道施工尤其是长大隧道和地质条件复杂的重难点隧道施工必须全面加强综合地质超前预报工作。本人根据自己参与新建渝怀铁路、宜万铁路隧道施工管理经验，对物探法综合地质超前预报工作进行简单介绍，希望对隧道及地下工程施工提供参考。