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超前地质预报技术在工程地质中的应用现状
超前地质预报技术在工程地质中的应用现状
一、 超前地质预报技术的实践意义
超前地质预报技术出现在上个世纪中后期，是工程地质的一个分支，我国从上个世纪70 年代后期逐渐开始重视这一方面的研究和应用，中国科学院地质研究所的孙广忠院士等作了大量的工作。进人21 世纪，伴随着西部大开发战略的启动，修建的铁路、公路将明显增多。由于隧道长度、埋深等各方面因素的影响，地质条件越趋复杂，隧道施工中遇到的问题也会相应地增多，不可预料的地质灾害如突泥、突水、塌方等成为困绕工程施工的主要难题。近十几年来，隧道施工技术已经有了很大的发展，为了保证在隧道施工时的安全和高效，超前地质预报的研究显得越来越重要。
要保证隧道施工的顺利进行，关键是要预防隧道施工中的地质灾害。如在施工中的塌方是制约快速施工的主要因素之一，而断层、岩溶是隧道隧洞开挖过程中常见的不良地质现象，也是引起隧道塌方的“罪魁祸首”之一。由断层及断层破碎带、岩溶陷落柱等引起的隧道隧洞塌方占塌方总数的90％以上。赋存于断层及破碎带中的溶洞、暗河、淤泥带是隧道隧洞突泥突水等地质灾害的主要根源，断层破碎带是诱发瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出等地质灾害的主要地质因素之一。断层破碎带还与岩爆的发生和产生密切相关。可以说，隧道隧洞施工中发生的地质灾害，几乎都有断层、岩溶有关。
鉴于断层破碎带、岩溶对隧道施工的巨大影响。因此，进行断层破碎带、岩溶超前地质预报的研究具有极其重要的意义。根据隧道隧洞开挖面前方隐伏断层及破碎带、岩溶规模准确定位和评价，采取准确而有效的防治工作，不仅可以减少隧道塌方、突泥等灾害的发生、加快施工进度，而且可以为施工单位节约大量成本，显著提高经济效益。它既可以产生巨大的经济效益，又具有广泛的社会效益。
二、主要地质超前预报的工作方法和手段
目前，常用的隧道长期（长距离）超前地质预报的方法主要有地面地质调查法，断层参数预报法和TRT 、TSP 、HSP 等仪器探测方法；常用的隧道短期（短距离）超前地质预报的方法主要有掌子面编录预测法，不良地质前兆法和地质雷达、红外线超前探水等仪器探测法。各种预报手段和方法都有其各自的适用范围和特点，其中TSP 超前探测是目前预报距离长、适用范围广、预报效果好的超前预报手段和方法。
1 . TRT 超前探测技术
TRT 层析扫描超前预报系统可采用多种地震源产生沿隧道和采矿口传播的信号，这些信号在岩体性质发生改变的地方反射，被用来描述隧道和采矿口前方及其周围的三维结构图。TRT6000 层析扫描超前预报系统是用来指导隧道施工、地层绘图、采矿、地下水文和地质测量、填埋物的描绘和定位、判断地下危险物移动的新一代超前预报系统，它采用了业界独有的层析扫描成像及用捶击产生地震波的技术，从而提高了数据采集效率、降低了操作难度而且使图像更易于理解，更有利于缺陷诊断。TRT60OO 超前预报系统是一个优化的、由硬件和软件组成的测量系统。
TRT6000 在美国、欧洲、日本、新西兰、澳大利亚等国家获得广阔的市场，目前在中国的中铁十四局及五矿集团得到应用，并获得用户高度评价。它具有以下优点：
①TRT6000 超前预报使用锤击作为的震源，可重复利用，不需要耗材，而使用炸药爆炸作为震源每次需要相当费用。
②使用锤击作为震源，可在同一点作多次锤击，通过信号叠加，使异常体反射信号更加明显。
③ 用锤击作为震源克服了爆炸产生的高能量对周围岩体产生挤压、破坏现象，从而保证能接收到真实的地震波信号。
④由人控制锤击产生地震波、可简单重复，操作简单，而爆炸产生地震波时高频信号迅速衰减，对操作人员的要求比较高。
⑤TRT6000 采用高精度的加速计作为传感器，灵敏度高（0.5v/g ) ，程度地保留了高频信号，提高了精度及探测距离（硬质岩中为300 米，软质岩中为 150 米），而其他仪器使用的是速度传感器，灵敏度为 ( 1v/g ) ，容易损失高频信号。
⑥传感器和地震波采集、处理器之间采用无线连接，大大简化了装备（只有两个箱子，尺寸见设备配置）两个箱子的重量仅为29Kg ，携带方便。
⑦ TRT6000 的传感器布点采用立体布点方式，在隧道两边分别布置4 个传感器，然后在隧道顶上布置两个传感器，从而获得真实的三维立体图，直观的再现了异常体的位置、形态、大小。而其他仪器一般在左右边墙各布置一个地震波信息接收器接收地震波，这样的布置方式只能获得异常体的位置信息，而不能获得形状、大小等信息，同时对于大角度斜交隧道的裂隙可能没有反映。
⑧TRT6000 还采用了层析扫描的图像处理方式，绘制三维视图，并可以从多个角度观察缺陷，使得图像更加清晰，易于理解，从而更加轻松地进行缺陷诊断。
⑨TRT6000 能描绘到隧道水平和垂直方向的所有异物。而其他仪器用于描绘几乎垂直于隧道的充满空气或水的裂隙，而且只能描绘靠近的垂直裂隙，不能描绘稍远距离的二或三裂隙（尤其是充气裂隙）。对于斜交隧道（由其是大角度斜交隧道）的裂隙可能没有反映。对于所描绘的倾斜裂隙，会低估它们的距离。
2 . TSP 超前探测技术
TSP ( Tunnel SeismiC Prediction ）是瑞士安伯格测量技术公司于20 世纪90 年代初期开发研制的一套超前预报系统设备，该系统采用地震波反射原理，能长距离地预报隧道施工前方的地质变化，如断层破碎带和其它不良地质带，其准确预报范围为掌子面前方100一150m。现如今TSP 超前地质探测系统在瑞士、德国、法国等发达国家的隧道施工中，已经得到了广泛的应用，尤其是在采用TBM 施工时，利用TSP 进行超前探测地质情况，更是在隧道施工过程中不可缺少的工序。
1996 年，我国铁道部隧道工程局首次引进TsP202 应用于深圳中东部供水水源隧道、梅坎铁路松南隧道、内昆线闸上隧道、朱嘎隧道等。近年来，TsP 技术也越来越得到中国的工程技术人员广泛认同，并成功地应用于秦岭铁路隧道、株六铁路复线、渝怀铁路部分隧道工程、青海公伯峡水电站导流洞、云南元墨高速公路以及山西雁门关公路隧道等几十个工程中。在工程的施工实践中也发挥了重要作用。
TSP 探测技术产品开发经历了TSP202 和TSP203 两代产品。与一代产品TSP202 相比，TSP203 在硬件设计和软件设计等方面都作了很大的改进，其软件编程除了考虑了于WindowS 视窗的兼容性之外，还特别强调了软件的智能化和评估结果输出的灵活性，使探测工作更加灵活、便捷。下表对TSP202 和TSP203测量系统的主要特征和配置作了比较。
3 . TGP 超前预报系统
这也是地震反射波技术的一种应用，犹如光波在镜面发生反射一样，岩体中传播的地震波在断层构造破碎带、不同岩性接触带、软弱岩层带、以及岩溶发育带等界面发生反射、绕射和散射，发生波型变换、衰减、干涉等现象，本系统详细分析解译这些地质信息，实现对上述不良地质的超前地质预报。
隧道内地震波的传播环境为三维条件，设想在六面是镜面的空间内你的图像将会如何？隧道内的反射波传播远比地面复杂。需要采用全波列震相分析、偏振归位与空间归位等多项新处理技术，实现界面成像。采集与控制的电路安装在防静电、防电磁干扰、防水的美国进口精密仪器箱体，TGP 超前预报系统采用三分量精密高保真的接收传感器，采取弹性波偏移归位、极化偏振、和空间等相关技术提取地质信息，通过分析反射点的分布形态判断地质病害的类型；通过纵、横波资料的差异性，分析地质病害的性质；结合隧道施工地质调查，总结规律，提高预报准确性。
除了上述三种方法外，在实际的工作中，为了增加地质超前预报的精度，还有下列一些辅助性的手段：
( l ）地质雷达法
探地雷达法也叫地质雷达法，简称 GPR ( Ground Penetrating Rada）。该方法利用发射天线将高频电磁 波以脉冲形式由隧道掌子面发射至地层中，经地层界面反射返回隧道掌子面，由另一天线接收回波信号，进而通过对接收的回波信号进行处理、分析解释，达到对短距离进行超前预报的目的。地质雷达技术大量地应用在隧道超前预报、工程场地勘查、地下管网探测、工程质量检测、金属矿化代勘查、地表水资源调查甚至考古探查当中，取得了令人满意的效果。
( 2 ）水平声波剖面法（HSP)
水平声波剖面法简称 HsP ( Horizontal Sonic ProfileS) ，该方法是地震波反射法的一种。探测时不占用掌子面，将发射源和接收换能器布设在隧道两侧的浅孔内，发射、接收位置均在平行于隧道底面的同一水平面上，即构成一“水平声波剖面”。这种方法的优点是对反射界面倾角没有限制，测点所接收的反射波路径相等，因此反射波组合形态与反射界面形态基本相同，通常是直达波呈双曲线形态，反射波呈直线形态，图像直观。
( 3 ）陆地声纳法
陆地声纳法（Land Sonar）
也叫高频地震波反射法，该方法是钟世航教授1992 年提出的，其实质是垂直地震反射法。它采用极小偏移距、锤击激发、高频超宽带接收反射弹性波进行连续剖面探测。
( 4 ）红外探水法
红外探测法（Infrared Detection）是利用地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化，红外探水仪通过接收岩体红外辐射场强，根据围岩红外辐射场强的变化幅值来确定隧道掌子面前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体。
( 5 ）超前钻探法
超前钻探法（Advance BoreholeS）是运用钻孔台车从隧道掌子面向前打孔时钻进速度的变化，并结合岩粉和泥浆颜色来预测打孔深度范围内的地质情况。该方法能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。
( 6 ）超前平导法
超前平导法也称超前导坑法（Advanced Tunnels) , 它是在隧道中线附近利用平行导坑先期贯通一个综合性地质探洞，以便对主洞作出直观、精确的地质超前预报，同时还可为主洞施工提供输水、排水、施工通风、施工运输的方便条件。
三、结语
总之，通过地质超前预测预报，减少隧道施工过程中的盲目性，避免隧道施工过程中可能诱发的重大的不良地质或灾害地质的发生，并根据现场预报结果，实施动态信息的施工方法，及时调整或修正围岩分级、设计参数及施工方法，正确指导施工，使施工快速、安全、经济、合理。同时，通过地质超前预测预报，总结出有关隧道在通过岩溶水、软岩、高地应力、断层等重大灾害地质问题地段的一套行之有效的地质超前预测预报方法及其施工方案，随着超前地质预报的技术和设备的不断更新，超前地质预报的应用会越来越广，多种手段、多种方法的互相融合、互相印证，使得超前地质预报水平会越来越高、精度越来越高，理论研究越来越深人，并逐渐成为工程地质学的一个重要组成部分。
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