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摘 要：大安隧道为成渝客运专线重要控制性工程之一，该隧道地质条件复杂，隧道开挖过程中遇到断层破碎带、涌水等多种地质问题，极大地增加了隧道施工难度和施工风险，影响了施工进度及施工安全。针对隧道施工中可能出现的地质问题，本工程采用了对比综合地质预报技术，通过长、中、短预报方法的综合应用，较好地解决了该隧道复杂地质的预报问题。
关键词：隧道；地质预报；综合对比；TSP；地质雷达
中图分类号：U45文献标识码： A
1 引言
成渝铁路客运专线第五施工合同段大安隧道全长5054m，隧址区地质条件复杂、地下水发育。隧道地表水分布七一水库和众多鱼塘，流量受季节影响明显，其中，七一水库位于隧道线路穿越范围，埋深仅20余米，洞身渗水相当严重，隧道涌水量5000～8000m3/天。隧道地质构造复杂，穿越10处断层破碎带，岩体构造强烈挤压的影响，岩体裂隙加大，岩石松散破碎，施工风险性极大。因此，隧道施工顺利穿越地质风险段成了大安隧道工程乃至整条线路顺利完成既定目标的关键。而超前地质预报是一项较新兴的学科，单一的方法普遍存在判释位置误差大、异常体类型误判较多等问题。为此，对本隧道制定针对性的综合对比超前地质预报方案，提高对不良地质体的预报准确率，是本工程成败的关键一环。
2超前地质预报原理及优缺点
目前，施工阶段地质预报方法主要有地质法、超前钻孔法、地震波反射法（TSP、TGP等）、声波反射法（HSP）、电磁波反射法（地质雷达）等[1，2]。
2.1 地质法
地质调查法是根据隧道已有勘察资料、地表补充地质调查资料和隧道内地质素描，通过地层层序对比、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析、临近隧道内不良地质体的前兆分析等，利用常规地质理论、地质作图和趋势分析等，推测开挖工作面前方可能揭示地质情况的一种超前地质预报方法[3]。
2.2 弹性波反射法（以TSP声波反射法为例）
TSP预报其基本原理是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域地质状况(图1)。它是在掌子面后方边墙上一定范围内布置一排爆破点，进行微弱爆破，产生的地震波信号在隧道周围岩体内传播，当岩石强度发牛变化时，比如有断层或岩层变化，信号的一部分被返回、界面两侧岩石的强度差别越大，反射回来的信号也就越强。返回的信号被经过特殊设计的接收器接收，转化成电信号并进行放大。根据信号返回的时间和方向，通过专用数据处理软件处理，就可以得到岩体强度变化界面的位置及方位[4]。
2.3 电磁波反射法
探地雷达(Ground Penetrating Radar简称为GPR)系统是一种探测地下结构和埋藏物的新型无损探测仪器。它在地表上向地下发射高频率、宽频带电磁波，并在地表接收在地下介质特性发生变化的界面上发生反射的反射回波信号，根据回波信号的时延、形状及频谱特性等参数，解译出地下目的体的深度、介质结构及性质。探地雷达测试原理如图2所示。介质间的介电差异是探地雷达探测的先决条件之一，而且界面量测物介电差异越大，越容易分辨。
图2 探地雷达测试原理图
电磁波的传播取决于物体的电性，不同的地质体(物体)具有不同的电性，在不同电性的地质体分界面上都会形成电性介面，雷达信号传播到电性介面时产生反射信号返回地面，通过接收反射信号到达地面的时间就可以推测地下介质的变化情况。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及集合形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态。
2.4 超前水平钻孔法
用钻探设备向掌子面前方钻探，直接揭示掌子面前方几十米的地层岩性、岩体结构、构造、完整性、地下水、岩溶洞穴规模形状及充填物性质等资料，还可以通过钻孔取芯，试验获得岩石强度等定量指标。超前水平钻适用于经地质分析或物探方法基本认定的不良地质段。超前水平钻法预报直接、准确，但存在施做技术难度大，耗时长，费用高，对施工干扰大等缺点。
2.5 超前地质预报方法对比及优缺点
目前，施工阶段地质预报方法根据使用情况总结，主要特点及优缺点见表1[3，5]。
表1 施工期地质预报方法特点及优缺点对比
序号 超前预报方法 主要特点 优缺点
1 地
质
法 主要根据隧道地质调查结果通过作图法推测掌子面前方存在的断层、不同岩类的接触界面，隧道前方围岩的稳定性及失稳破坏型式等。 有牢固的理论基础，不占或极少占用施工时间，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）的隧道中推测的准确率更是如此。
2 超前水平钻
孔法 采用钻孔钻进速度测试结果、岩芯的观察及相关试验获取隧道掌子面前方岩石(体)的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度指标及地下水状况等诸多方面的直接资料开展现场勘察工作。 直接揭示隧道施工掌子面前方地质条件，适用性强。但占用施工时间长，成本高。
3 地震波反射法 作为物探手段中施工阶段的一种长距离勘察手段，勘察距离一般在100～200之间，此方法对断层、破碎带等长大不连续体的界面勘察较为准确。 有成熟的理论基础，预报距离远，但占用施工时间长（一般每次探测需1.5小时左右），测试时需钻孔放炮，操作较复杂，对不规则的和较小不连续体的界面及地下水反映效果较差。
4 声波反射法 主要利用声波在地层中传播、反射，通过信号采集系统接收反射信号，判释隧道掌子面前方反射界面(断层、软弱夹层等)距隧道掌子面的距離来进行隧道施工期地质超前预报。 有成熟的理论基础，预报距离适中（一般100m左右），分辨率较高，对断层、岩性分界、岩溶及软弱夹层均有较好效果，不需打孔放炮，测试快捷，占用施工时间少。
5 电磁波反射法（地质雷达） 主要预报隧道掌子面前方存在的面状结构，如断层、接触界面、软弱夹层分布，也可对孔、洞的位置、分布及地下水进行预报。 有牢固的理论基础，测试较简便，预报精度较高，但预报距离短（一般不超过30m），测试易受洞内金属及电流干扰。
3超前地质预报综合设计
施工阶段的地质工作（即超前地质预报），是设计阶段地质工作的继续，目的是进一步证实前期勘探的地质资料成果，修正、完善前期勘探的地质，水文资料，以保证施工方案的正确性，根据目前国内外经验，采用综合手段比较科学，即采用：宏观预报；长距离预报与中（短）距离预报相结合；地质探测与物理探测相结合的综合预报方法。
本工程利用隧道施工地质调查、TSP200、超前地质钻孔等综合方法进行超前地质预报；将几种预报手段综合运用，取长补短，相互补充和印证，做到有险必探、无险也探、先探后掘、万无一失，防止坍方或突涌水等地质灾害的发生。综合超前地质预报见图3。
图3综合超前地质预报设计示意图
图4综合超前地质预报流程图
3.1 宏观预报
在进场施工前，由地质人员根据地质勘察资料对隧道的地层分界线、地层岩性、断层产状、断层出露位置及规模、节理裂隙发育、隧道围岩类别等作进一步的落实。对可能的坍方段和涌水段等工程地质问题进行预测。
3.2 长距离预报
以宏观预报为指导，以地质分析及长距离物理探测方法相结合为手段，预测掌子面前方存在的岩层分界线、断层、涌水突泥等不良地质体的位置及规模。采用地震波法TSP探测100m～150m距离技术，对断(裂)层破碎带、软硬岩分界面及其它软弱夹层或节理裂隙发育带，进行探测；采用瞬变电池仪对可能的涌水突水段进行重点探测；将TSP探测成果与瞬变电池仪探测成果进行比照、相互印证以进一步核对宏观预测的不良地质体情况。
3.3 中、短距离预报
以宏观预报、长距离预报成果为基础。采用地质分析法进行分析判断；采用中、短距离物理探测法（如地质雷达GPR探测30m～40m）进行进一步的探测；采用超前地质钻孔30m～60m及加深炮孔的方法准确预报前方地质异常体的类型、位置、规模；通过掌子面地质素描，结合经验判断与分析，对地质异常体位置作进一步的确认，作为施工的根据。
3.4预报实施程序
在预报范围结果正常时，按既定方案进行施工。当预报范围结果存在不良地质体时，按照预报的不良地质体的特征提前制定好有针对性的应对预案。当施工接近不良地质体时（预留适当的距离以确保安全），启动预案对不良地质体进行处理，并根据实际情况对预案进行调整，达到最好处理效果，以顺利通过不良地质段。在完成对不良地质体的处理后，对处理效果进行检查，确保安全后才进行下步施工。
8 应用实例
大安隧道掌子面DK245+260进行了TSP超前探测，探测范围，DK245+260～396TSP结果显示DK245+260～396范围内存在大量反射界面，且多为负反射，泊松比及Vp/Vs突然增加，Vp较低，经过分析判断，认为该段节理裂隙较发育，孔隙率增大，并含裂隙水。见图5：
隧道开挖至 DK245+321，进行了超前探孔，并未发现地下水。开挖掘进至DK245+345再次进行了长钻孔，掌子面中部1#探孔至DK245+355开始出水，经过测试，水量为27L/min，左部2#探孔至DK245+361开始出水，水量22 L/min，右部3#探孔未见地下水。经过TSP和超前探孔验证分析，得出了准确的掌子面前方地质结构剖面图。见图6：
经过各参建单位洽商，并根据探孔情况和TSP成果，基本确定了掌子面前方地质构造，根据分析成果，制定了注浆加固方案及后续开挖支护方案，对裂隙发育局部区域，采用超前帷幕 注浆，注浆施工结束后，钻3个检查孔检测注浆效果，结果孔内均未出现地下水，开挖后验证本次注浆效果良好，保证了施工安全。
本次预报，首先采用TSP探测得到前方地质信息，然后在相应里程进行探孔验证，得到确切地质异常信息后，利用预报成果，有目的进行方案设计，取得了满意的效果，节约了大量工期。对开挖、支护方案设计及施工安全发挥了重要作用。
9 结论
采用综合对比超前地质预报技术成功预报了大安隧道施工开挖过程中遇到的多个断层破碎带和涌水位置，施工方根据预报成果采取有效的应对措施，防止了发生地质灾害的发生，有力保障了施工安全。大安隧道预报实践表明，采用地质法宏观预报、TSP法长距离预报以及水平钻孔和地质雷达为手段的中短距离预报相对比的综合预报技术，能克服各单个预报方法的局限性，发挥其各自固有优势，提高预报的准确率。隧道地质条件千变万化，地质预报方法也各有其缺点和优势，因此，施工地质预报要根据隧道的具体条件，选用其适合的方法进行综合预报，才能达到理想的效果。
参考文献：
[1]何成、吴德胜. 汶川地震震中区高速公路隧道超前地质预报方法.现代隧道技术[J].2012年6月.第49卷第3期：182～185.
[2]何发亮、李苍松.隧道施工期地质超前预报技术的发展.现代隧道技术[J].2001年6月.第38卷第3期:12～15.
[3]何发亮、张玉川主编.隧道施工地质灾害与不良地质体及其预报[C].成都：西南交通大学出版社.2011年9月第1版.
[4] 李苍松，何发亮，丁建芳．武隆隧道岩溶地质超前预报综合技术[J]．水文地质工程地质．2005(3)．
[5]林瑚旺、劉成禹、杨建成. 复杂地质条件下长大隧道超前地质预报技术.铁道勘察[J]. 2009 (5):88～92.
作者简介：
蓝玉林，男，工程师，成渝铁路客运专线有限责任公司隧道主管工程师，1976年出生，2001年毕业于西南交通大学土木工程学院， 主要从事铁路工程、公路工程、市政工程等桥梁、隧道与地下工程的施工技术工作。
关键词：隧道；地质预报；综合对比；TSP；地质雷达
中图分类号：U45文献标识码： A
1 引言
成渝铁路客运专线第五施工合同段大安隧道全长5054m，隧址区地质条件复杂、地下水发育。隧道地表水分布七一水库和众多鱼塘，流量受季节影响明显，其中，七一水库位于隧道线路穿越范围，埋深仅20余米，洞身渗水相当严重，隧道涌水量5000～8000m3/天。隧道地质构造复杂，穿越10处断层破碎带，岩体构造强烈挤压的影响，岩体裂隙加大，岩石松散破碎，施工风险性极大。因此，隧道施工顺利穿越地质风险段成了大安隧道工程乃至整条线路顺利完成既定目标的关键。而超前地质预报是一项较新兴的学科，单一的方法普遍存在判释位置误差大、异常体类型误判较多等问题。为此，对本隧道制定针对性的综合对比超前地质预报方案，提高对不良地质体的预报准确率，是本工程成败的关键一环。
2超前地质预报原理及优缺点
目前，施工阶段地质预报方法主要有地质法、超前钻孔法、地震波反射法（TSP、TGP等）、声波反射法（HSP）、电磁波反射法（地质雷达）等[1，2]。
2.1 地质法
地质调查法是根据隧道已有勘察资料、地表补充地质调查资料和隧道内地质素描，通过地层层序对比、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析、临近隧道内不良地质体的前兆分析等，利用常规地质理论、地质作图和趋势分析等，推测开挖工作面前方可能揭示地质情况的一种超前地质预报方法[3]。
2.2 弹性波反射法（以TSP声波反射法为例）
TSP预报其基本原理是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域地质状况(图1)。它是在掌子面后方边墙上一定范围内布置一排爆破点，进行微弱爆破，产生的地震波信号在隧道周围岩体内传播，当岩石强度发牛变化时，比如有断层或岩层变化，信号的一部分被返回、界面两侧岩石的强度差别越大，反射回来的信号也就越强。返回的信号被经过特殊设计的接收器接收，转化成电信号并进行放大。根据信号返回的时间和方向，通过专用数据处理软件处理，就可以得到岩体强度变化界面的位置及方位[4]。
2.3 电磁波反射法
探地雷达(Ground Penetrating Radar简称为GPR)系统是一种探测地下结构和埋藏物的新型无损探测仪器。它在地表上向地下发射高频率、宽频带电磁波，并在地表接收在地下介质特性发生变化的界面上发生反射的反射回波信号，根据回波信号的时延、形状及频谱特性等参数，解译出地下目的体的深度、介质结构及性质。探地雷达测试原理如图2所示。介质间的介电差异是探地雷达探测的先决条件之一，而且界面量测物介电差异越大，越容易分辨。
图2 探地雷达测试原理图
电磁波的传播取决于物体的电性，不同的地质体(物体)具有不同的电性，在不同电性的地质体分界面上都会形成电性介面，雷达信号传播到电性介面时产生反射信号返回地面，通过接收反射信号到达地面的时间就可以推测地下介质的变化情况。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及集合形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态。
2.4 超前水平钻孔法
用钻探设备向掌子面前方钻探，直接揭示掌子面前方几十米的地层岩性、岩体结构、构造、完整性、地下水、岩溶洞穴规模形状及充填物性质等资料，还可以通过钻孔取芯，试验获得岩石强度等定量指标。超前水平钻适用于经地质分析或物探方法基本认定的不良地质段。超前水平钻法预报直接、准确，但存在施做技术难度大，耗时长，费用高，对施工干扰大等缺点。
2.5 超前地质预报方法对比及优缺点
目前，施工阶段地质预报方法根据使用情况总结，主要特点及优缺点见表1[3，5]。
表1 施工期地质预报方法特点及优缺点对比
序号 超前预报方法 主要特点 优缺点
1 地
质
法 主要根据隧道地质调查结果通过作图法推测掌子面前方存在的断层、不同岩类的接触界面，隧道前方围岩的稳定性及失稳破坏型式等。 有牢固的理论基础，不占或极少占用施工时间，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）的隧道中推测的准确率更是如此。
2 超前水平钻
孔法 采用钻孔钻进速度测试结果、岩芯的观察及相关试验获取隧道掌子面前方岩石(体)的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度指标及地下水状况等诸多方面的直接资料开展现场勘察工作。 直接揭示隧道施工掌子面前方地质条件，适用性强。但占用施工时间长，成本高。
3 地震波反射法 作为物探手段中施工阶段的一种长距离勘察手段，勘察距离一般在100～200之间，此方法对断层、破碎带等长大不连续体的界面勘察较为准确。 有成熟的理论基础，预报距离远，但占用施工时间长（一般每次探测需1.5小时左右），测试时需钻孔放炮，操作较复杂，对不规则的和较小不连续体的界面及地下水反映效果较差。
4 声波反射法 主要利用声波在地层中传播、反射，通过信号采集系统接收反射信号，判释隧道掌子面前方反射界面(断层、软弱夹层等)距隧道掌子面的距離来进行隧道施工期地质超前预报。 有成熟的理论基础，预报距离适中（一般100m左右），分辨率较高，对断层、岩性分界、岩溶及软弱夹层均有较好效果，不需打孔放炮，测试快捷，占用施工时间少。
5 电磁波反射法（地质雷达） 主要预报隧道掌子面前方存在的面状结构，如断层、接触界面、软弱夹层分布，也可对孔、洞的位置、分布及地下水进行预报。 有牢固的理论基础，测试较简便，预报精度较高，但预报距离短（一般不超过30m），测试易受洞内金属及电流干扰。
3超前地质预报综合设计
施工阶段的地质工作（即超前地质预报），是设计阶段地质工作的继续，目的是进一步证实前期勘探的地质资料成果，修正、完善前期勘探的地质，水文资料，以保证施工方案的正确性，根据目前国内外经验，采用综合手段比较科学，即采用：宏观预报；长距离预报与中（短）距离预报相结合；地质探测与物理探测相结合的综合预报方法。
本工程利用隧道施工地质调查、TSP200、超前地质钻孔等综合方法进行超前地质预报；将几种预报手段综合运用，取长补短，相互补充和印证，做到有险必探、无险也探、先探后掘、万无一失，防止坍方或突涌水等地质灾害的发生。综合超前地质预报见图3。
图3综合超前地质预报设计示意图
图4综合超前地质预报流程图
3.1 宏观预报
在进场施工前，由地质人员根据地质勘察资料对隧道的地层分界线、地层岩性、断层产状、断层出露位置及规模、节理裂隙发育、隧道围岩类别等作进一步的落实。对可能的坍方段和涌水段等工程地质问题进行预测。
3.2 长距离预报
以宏观预报为指导，以地质分析及长距离物理探测方法相结合为手段，预测掌子面前方存在的岩层分界线、断层、涌水突泥等不良地质体的位置及规模。采用地震波法TSP探测100m～150m距离技术，对断(裂)层破碎带、软硬岩分界面及其它软弱夹层或节理裂隙发育带，进行探测；采用瞬变电池仪对可能的涌水突水段进行重点探测；将TSP探测成果与瞬变电池仪探测成果进行比照、相互印证以进一步核对宏观预测的不良地质体情况。
3.3 中、短距离预报
以宏观预报、长距离预报成果为基础。采用地质分析法进行分析判断；采用中、短距离物理探测法（如地质雷达GPR探测30m～40m）进行进一步的探测；采用超前地质钻孔30m～60m及加深炮孔的方法准确预报前方地质异常体的类型、位置、规模；通过掌子面地质素描，结合经验判断与分析，对地质异常体位置作进一步的确认，作为施工的根据。
3.4预报实施程序
在预报范围结果正常时，按既定方案进行施工。当预报范围结果存在不良地质体时，按照预报的不良地质体的特征提前制定好有针对性的应对预案。当施工接近不良地质体时（预留适当的距离以确保安全），启动预案对不良地质体进行处理，并根据实际情况对预案进行调整，达到最好处理效果，以顺利通过不良地质段。在完成对不良地质体的处理后，对处理效果进行检查，确保安全后才进行下步施工。
8 应用实例
大安隧道掌子面DK245+260进行了TSP超前探测，探测范围，DK245+260～396TSP结果显示DK245+260～396范围内存在大量反射界面，且多为负反射，泊松比及Vp/Vs突然增加，Vp较低，经过分析判断，认为该段节理裂隙较发育，孔隙率增大，并含裂隙水。见图5：
隧道开挖至 DK245+321，进行了超前探孔，并未发现地下水。开挖掘进至DK245+345再次进行了长钻孔，掌子面中部1#探孔至DK245+355开始出水，经过测试，水量为27L/min，左部2#探孔至DK245+361开始出水，水量22 L/min，右部3#探孔未见地下水。经过TSP和超前探孔验证分析，得出了准确的掌子面前方地质结构剖面图。见图6：
经过各参建单位洽商，并根据探孔情况和TSP成果，基本确定了掌子面前方地质构造，根据分析成果，制定了注浆加固方案及后续开挖支护方案，对裂隙发育局部区域，采用超前帷幕 注浆，注浆施工结束后，钻3个检查孔检测注浆效果，结果孔内均未出现地下水，开挖后验证本次注浆效果良好，保证了施工安全。
本次预报，首先采用TSP探测得到前方地质信息，然后在相应里程进行探孔验证，得到确切地质异常信息后，利用预报成果，有目的进行方案设计，取得了满意的效果，节约了大量工期。对开挖、支护方案设计及施工安全发挥了重要作用。
9 结论
采用综合对比超前地质预报技术成功预报了大安隧道施工开挖过程中遇到的多个断层破碎带和涌水位置，施工方根据预报成果采取有效的应对措施，防止了发生地质灾害的发生，有力保障了施工安全。大安隧道预报实践表明，采用地质法宏观预报、TSP法长距离预报以及水平钻孔和地质雷达为手段的中短距离预报相对比的综合预报技术，能克服各单个预报方法的局限性，发挥其各自固有优势，提高预报的准确率。隧道地质条件千变万化，地质预报方法也各有其缺点和优势，因此，施工地质预报要根据隧道的具体条件，选用其适合的方法进行综合预报，才能达到理想的效果。
参考文献：
[1]何成、吴德胜. 汶川地震震中区高速公路隧道超前地质预报方法.现代隧道技术[J].2012年6月.第49卷第3期：182～185.
[2]何发亮、李苍松.隧道施工期地质超前预报技术的发展.现代隧道技术[J].2001年6月.第38卷第3期:12～15.
[3]何发亮、张玉川主编.隧道施工地质灾害与不良地质体及其预报[C].成都：西南交通大学出版社.2011年9月第1版.
[4] 李苍松，何发亮，丁建芳．武隆隧道岩溶地质超前预报综合技术[J]．水文地质工程地质．2005(3)．
[5]林瑚旺、劉成禹、杨建成. 复杂地质条件下长大隧道超前地质预报技术.铁道勘察[J]. 2009 (5):88～92.
作者简介：
蓝玉林，男，工程师，成渝铁路客运专线有限责任公司隧道主管工程师，1976年出生，2001年毕业于西南交通大学土木工程学院， 主要从事铁路工程、公路工程、市政工程等桥梁、隧道与地下工程的施工技术工作。