隧道工程—超前地质探测与预报方法

根据隧道工程地质条件，结合以往施工中在超前地质探测与预报方面所积累的经验，拟采用TSP203地质预报系统、地质雷达、超前钻探法、红外线探水仪等进行地质预报，并预测开挖工作面前方一定范围内围岩的工程地质和水文地质条件。初步确定本次施工采用以下方法进行超前地质探测与预报。

一、TSP203超前地质预报系统

TSP203超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质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。它是在掌子面后方边墙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，当岩石强度发生变化，比如有断层或岩层变化时，会造成一部分信号返回，界面两侧岩石的强度差别越大，反射回来的信号、返回的时间和方向，通过专用数据处理软件处理，得到岩体强度变化界面的信号也就越强。返回信号被经过特殊设计的接收器接收转化成信号并进行放大，根据信号返回的时间和方向，通过专用数据处理软件处理，就得到岩体强度变化界面的位置及方位。

TSP203地质预报系统实际操作中有如下特点：适用范围广，适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况；距离长，能预测掌子面前100m～200m范围内的地质状况，围岩越硬越完整预报长度就越大；对施工干扰小，可在施工间隙进行，即使专门安排时间，也不过一小时左右；

TSP203地质预报系统现场测试示意见下图。

图 TSP203地质预报系统现场测试示意图

提交资料及时，在现场采集数据的第二天即可提交正式成果报告。采用专用处理软件，将复杂多解的波形分析转换为直观的单一解的波形能量分析图。将隧道顶部和底部的波形能量分析图分析确定之后，可得出断层破碎带、软弱夹层或其它不良地质相对于隧道的空间位置，计算机自动绘出弹形波速度有差异的地质界面相对于隧道轴线的地质平面图和纵断面图。但也存在预报准确性和预报精度方面的问题，需要采用其他预报手段来补充和完善。数据处理流程见图3-5-4。

二、地质雷达

地质雷达探测(Groun d Penetrating Radar简称GPR)采用电磁波反射原理探测浅层地层的划分、空洞、不均匀体的检测。仪器将发射天线和接收天线集于一体，具有快速、无损、连续检测、实时显示等特点，但在掌子面有水的情况下不宜使用。作为TSP203地质预报系统的补充，在TSP203预报异常点，在确定异常体的规模、性质、危害性有困难时，采用地质雷达作为补充手段，短距离进一步探测前方30m内的地质情况。

图  数据处理流程图

 三、超前钻孔探测

“物探先行，钻探验证”，超前钻探是一种传统而可靠的工程地质探测方法，具有研判准确，直观的优点。针对本标段隧道围岩特点，拟采用超前钻探方法进行探测，以超前水平岩芯钻探为主，辅以浅孔钻探。

超前水平岩芯钻探可根据需要探测和了解隧道开挖前方几米、几十米乃至上百米范围内围岩的工程地质情况；通过钻孔了解和释放影响隧道掘进施工的地下水；通过岩芯观察和分析对隧道开挖前方的不稳定岩层和断层破碎带进行准确定位；直接采取岩芯样进行各种抗压强度试验，获取岩石物理力学性质参数。

超前钻探方法是在钻进过程中，从钻进的时间、速度、压力、冲洗液的颜色、成分以及卡钻、跳钻等和岩性、构造性质及地下水等情况掌握地质条件。综合不同位置钻孔的钻进时间变化曲线，大致确定断层的规模和产状。此方法要求在探孔揭露之前，岩体能承受管道水的压力而保持稳定。因此在临近突水地段，多打一些超前探孔，并改放小炮，避免工作面出现冲溃现象，喷距应比较稳定。

四、红外线探水仪

HY-303红外线探水仪通过接收岩体的红外辐射强度，根据围岩红外辐射场的变化，分析判断开挖面前方30m范围内是否存在含水体。

将含水裂隙、含水构造、含水体作为寻找对象场源，场源所形成的场要远远大于场源本身，当由远而近接近场源时，仪器显示屏上的读数值会发生明显变化。当掌子面前方存在含水构造时，含水构造产生的异常场会迭加到掌子面后方的正常场上，产生场的畸变，距场源的距离不同，畸变后的场强亦不同，在数据曲线上表现为突变。而当掌子面前方没有含水构造时，由掌子面到其后一定距离内所测的红外辐射场场值均为正常场值，为一常数，其数据曲线表现为一近似直线。

五、工作程序

超前地质探测和预报工作程序见下图。