超前地質預報:超前地質預報常用的物探方法,機械鑽探,電法,電磁法,地震波法和聲波法

超前地質預報或隧道超前地質預報(Tunnel Geological Prediction/Prospecting)，是在隧道開挖時，對掌子面前方及其周邊（主要是鐵路隧道）的圍岩與地層情況做出超前預報。

基本介紹

中文名：超前地質預報
別稱：隧道超前地質預報

超前地質預報常用的物探方法,機械鑽探,電法,電磁法,地震波法和聲波法,紅外線法,超前預報,TSP隧道,TST隧道,HSP隧道,高密度電法,相關專家,相關單位,

超前地質預報常用的物探方法

超前地質預報常用的物探方法有很多，分類不盡相同。

根據《客運專線鐵路隧道工程施工技術指南》（TZ214-2005），將幾種物探方法及其適用範圍介紹如下：其中地震波法超前預報是當前套用的主流。

機械鑽探

使用超前地質鑽桿在隧道斷面的若干個部位進行鑽探，依據鑽桿內岩土結構、構造及水文地質判定前方圍岩的性質。

一般取隧道斷面的三個點，中上部、左側、右側，將鑽探出的圍岩綜合對比分析然後按每兩米一個斷面記錄其圍岩狀況。

超前鑽桿的長度不等，一般以20米為主流產品。

電法

直流電法：前探測隧道掌子面和側幫的含水構造

高密度電阻法：探測岩溶、洞穴、地質界線

電磁法

甚低頻法：

①、探測隱伏斷層、破碎帶；②、探測岩體接觸帶；③、探測含水構造及地下暗河等

地質雷達：

①、探測隱伏斷層、破碎帶；②、探測地下岩溶、洞穴；③、探測地層劃分

地震波法和聲波法

折射波法;

①、劃分隧道圍岩級別；②、測定岩體的縱波值

反射波法:

①、劃分地層界線；②、探測隱伏斷層、破碎帶；③、探測地下洞穴；④、測定含水層分布

散射波法 :

①、劃分地層界線；②、探測隱伏斷層、破碎帶；③.、探測地下洞穴；④、測定含水層分布；⑤、確定圍岩速度

紅外線法

紅外探水 ①.探測局部地溫異常現象；②.判斷地下脈狀流、脈狀含水帶、隱伏含水體等所在的位置

超前預報

地震法是當前隧道中長期超前預報的主流方法。它包括：HSP、TSP、TGP、TRT、TST、負視速度等各種方法。

TSP隧道

其工作原理是利用在隧道圍岩以排列方式激發彈性波，彈性波在向三維空間傳播的過程中，遇到聲阻抗界面，即地質岩性變化的界面、構造破碎帶、岩溶和岩溶發育帶等，會產生彈性波的反射現象，這種反射波被布置在隧道圍岩內的檢波裝置接收下來，輸入到儀器中進行信號的放大、數字採集和處理，實現拾取掌子面前方岩體中的反射波信息，達到預報的目的。

其中TSP、TGP、TRT套用的是反射理論，尚需在小孔徑偏移成像病態問題方面進行努力。

TST隧道

該方法充分認識三維波場的複雜性，能進行方向濾波，僅保留掌子面前方的回波，避免現行超前預報方法中虛報、誤報率高的技術缺陷。能準確確定掌子面前方圍岩波速分布，為岩體工程類別判定提供依據，同時避免現行方法預報位置不準確的缺陷。

TST地質超前預報技術具有如下優點：

1. TST隧道超前預報技術是國內外唯一的實現了地下三維波場識別與分離的超前預報技術，有效消除側向波和面波干擾，保證成像的真實性；

2. TST是唯一的實現了圍岩波速精確分析的超前預報技術，保證構造定位的精確性；

3. TST是建立在逆散射成像原理基礎上的超前預報技術，與傳統的反射地震技術相比具有更高的解析度。同時運用了地震波的運動學和動力學信息，不但可精確確定地質構造的位置，同時獲得圍岩力學性狀的空間變化；

4. TST採用獨特專業設計的觀測方式，保證觀測數據同時滿足圍岩波速分析、三維波場分離和方向濾波的需要。

HSP隧道

該方法和地震波探測原理基本相同，其原理是建立在彈性波理論的基礎上，傳播過程遵循惠更斯-菲涅爾原理和費馬原理。本方法探測的物理前提是岩體間或不同地質體間明顯的聲學特性差異。測試時，在隧道施工掌子面或邊牆一點發射低頻聲波信號，在另一點接收反射波信號。採用時域、頻域分析探測反射波信號，進一步根據隧道施工掌子面地質調查、地面地質調查及利用一隧道超前施工段地質情況推測另一平行隧道施工掌子面前方地質條件的預報方法，便可了解前方岩體的變化情況，探測掌子面前方可能存在的岩性分界、斷層、岩體破碎帶、軟弱夾層、以及岩溶等不良地質體的規模、性質及延伸情況等。

高密度電法

我國南方岩溶發育，地質構造複雜，地下水豐富。為確保工程質量與安全，適於採用高密度電法沿隧道軸線進行勘探的方法和地震法結合的超前預報方法。高密度電法將整個山體成像，找到溶洞等含水帶；進一步結合地震法超前預報對隧道掌子面前方的地質結構進行預報。結果更加可靠。

例如：

下圖為某岩溶發育帶的隧道。圖中紅色表示高阻區，導電性不好，岩體乾燥、緻密、穩定性好。藍色區代表低阻，導電性好，岩體破碎，含水量大，與斷裂帶、含水帶、填充溶洞有關。藍色區是隧道開挖中易發生坍塌湧水災害的地段，應特別注意。隧道長近800m，最大埋深250m，進口段為灰岩，出口段為泥質砂岩。探測發現灰岩段有大小7個岩溶發育，有4個與隧道相交。3個與地表落水洞相通，3個連線地下河。開挖中都得到證實。由於採取了預防措施，安全通過。其中k40+250處的溶洞截面20mx 30m，上通地表，下可通到地下暗河。隧道中架橋通過溶洞區。通過套用地形與電阻率校正軟體，得到準確的結果。（圖片來源於TD-EleData高密度電法地形與電阻率校正處理軟體截屏）

相關專家

何發亮，廣西賀州人，中鐵西南科學研究院有限公司教授級高級工程師、院副總工程師、工程地質預報中心/工程地質研究室主任、碩士研究生導師。生於1962年，1984年畢業於中山大學地質學系，主要從事隧道圍岩分級、聲波探測技術套用和隧道施工地質預報研究。 1995年任副研究員，2002年任教授級高級工程師，同年被評為中國鐵路工程總公司首批有突出貢獻的中青年專家，是中國鐵路工程總公司專家委員會專家、2008年國務院政府特殊津貼專家。現任IAEG會員、中國地質學會工程地質專委會委員、中國岩石力學與工程學會地下工程分會理事、四川省岩石力學與工程學會理事兼副秘書長、四川省聲學學會理事、《鐵路地質與路基》編委、四川省評標專家庫和四川省地質災害評估專家庫在庫專家。獲鐵道部部科技進步獎四等獎1項、總公司科學技術獎一、二等獎各1項、鐵道科學研究院科技成果三等獎1項。主要論文著作：《隧道地質超前預報》（西南交通大學出版社，2006年）《隧道工程岩體分級》（西南交通大學出版社，2007年）《隧道工程地質與聲波探測技術》（西南交通大學出版社，2005年）《岩體溫度法隧道施工掌子面前方含水體預報模型試驗研究》（現代隧道技術，2008年第2期）《岩體溫度法隧道施工掌子面前方湧水預測預報探討》（現代隧道技術，2007年第2期）《隧道施工地質超前預報工作方法》（岩土工程學報，2006年）《TBM施工隧道圍岩分級研究》（岩石力學與工程學報，2002年9月，第21卷第9期）《岩溶地區長大隧道湧水災害預測預報技術》（水文地質工程地質，2001年第5期）《聲波探測技術的新發展及其套用》（中國鐵道科學，1999年第20卷第4期）《隧道施工期地質超前預報技術的發展》（現代隧道技術，2001年第3期）《隧道施工期地質超前預報若干問題探討》（第八次全國岩石力學與工程學術大會論文集，2004年）《HSP及CT法隧道施工期岩溶地質預報》（隧道地質超前預報技術交流研討會論文集，2004年）《聲波CT技術在瀘定橋東橋台內部結構探測中的套用》（文物保護與考古科學，2001年第13卷第1期）《瀘定橋東橋台內部加固效果檢測》

鐵道部《鐵路隧道超前地質預報技術指南（鐵建設【2008】105）》的主要撰稿人。