中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
世界各國在19世紀(jì)70 年代開始了隧道施工地質(zhì)預(yù)報工作，方法多為通過導(dǎo)坑來了解前方不良地質(zhì)地段，有的則通過超前水平鉆孔進(jìn)行預(yù)報。瑞士、日本等國十分重視隧道施工地質(zhì)預(yù)報，許多施工單位配有專門的隧道施工地質(zhì)工程技術(shù)人員，或由業(yè)主提供專業(yè)的施工地質(zhì)隊伍。超前導(dǎo)坑或平行導(dǎo)坑和超前水平鉆孔都是比較直觀的預(yù)報手段，原理基本一致，都是通過揭露沿隧道軸線方向的地質(zhì)情況來進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報，只是兩者揭露的斷面大小有差異而已，可以認(rèn)為超前水平鉆孔是小比例的超前導(dǎo)坑。超前水平鉆孔相對于導(dǎo)坑來講，耗時較少且經(jīng)濟(jì)性能較好，但需要超前水平鉆機(jī)等重型設(shè)備，設(shè)備的一次投入成本可能較高。還可以通過在超前水平鉆探施工過程中，對鉆速、回水量等的記錄分析、鉆孔巖芯的識別、鉆孔沖洗液的顏色變化等來確定前方圍巖的地質(zhì)情況，進(jìn)而確定圍巖級別。在曲線地段、縱坡坡度較大地段超前水平鉆孔法有一定的應(yīng)用局限。
地質(zhì)雷達(dá)探測方法是目前分辨率最高的工程地球物理探測方法，該法源于歐美的航天探空雷達(dá)技術(shù)。1910 年德國的G。 Leimbach和H Lowy 就提出了利用雷達(dá)原理探測地下物質(zhì)，但 20世紀(jì)70 年代以后，探地雷達(dá)的實際應(yīng)用范圍才得以擴(kuò)大。地質(zhì)雷達(dá)法是交流電法的一種，其基本原理是由發(fā)射機(jī)發(fā)射脈沖電磁波，其中一部分是沿著掌子面?zhèn)鞑サ闹边_(dá)波，經(jīng)過時間t1后到達(dá)接收機(jī)；另一部分電磁波傳人巖體中，若在波的傳播過程中遇到電性不同的巖體（如破碎巖體、含水巖體等），電磁波就發(fā)生反射，經(jīng)過時間t2后到達(dá)接收機(jī)，然后根據(jù)兩種波傳播時間的差值來確定掌子面前方不同巖體的具體位置。地質(zhì)雷達(dá)的使用前提是掌子面前方探測范圍內(nèi)的巖體的電性與掌子面巖體有差異，而且差異越大越好。
20世紀(jì)50 年代，蘇聯(lián)學(xué)者開始研究將直流電法用于煤礦井下探測。直流電法包括電阻率法（電剖面法、電測深法）、充電法、自然電場法、激發(fā)極化法等。其中電阻率法是依靠人工建立直流電場，在掌子面測量某點垂直方向的電阻率變化，以此來推測掌子面前方的地質(zhì)體情況。該法可以確定不同的巖性、進(jìn)行地層的劃分，探測褶皺、斷層等構(gòu)造體的產(chǎn)狀，探查含水體的分布情況等。20 世紀(jì)70 年代末期，德國、英國提取與利用槽波的埃里相探測巷道工作面前方的地質(zhì)構(gòu)造。
20世紀(jì)80 年代以來許多國家都將地質(zhì)預(yù)報問題列為重點研究課題。澳大利亞研究隧道掌子面前方地質(zhì)情況預(yù)報，聯(lián)邦德國進(jìn)行掌子面前方地層動態(tài)的詳細(xì)調(diào)查研究，法國主要研究在不降低掘進(jìn)速度前提下的勘察方法，但都未取得可供推廣的研究成果。日本主要研究掌子面前方地質(zhì)預(yù)報，在青函隧道施工過程中，一方面開挖超前導(dǎo)洞，另一方面在導(dǎo)洞中沿隧道軸線打超前水平鉆孔進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報，這種方法取得了一定的效果，接著又開始了應(yīng)用地球物理探測方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報的研究。
20世紀(jì)90 年代初，瑞士安伯格( Amberg)技術(shù)公司研發(fā)了一套超前預(yù)報系統(tǒng)設(shè)備-TSP( tunnel seismic prediction)即隧道地震預(yù)報系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用地震波反射原理，地震波由 24個爆破點上的小劑量炸藥爆炸產(chǎn)生，當(dāng)爆炸產(chǎn)生的地震入射波遇到巖體結(jié)構(gòu)有變化的巖層時，在不同介質(zhì)的分界面上，部分入射波被反射，采用電子傳感器接收。因地震波在巖體中以固定的速度傳播，所以反射波的到達(dá)時間和入射波到達(dá)不同巖體分界面的距離成正比，故能間接測量地質(zhì)變化帶和測點之間的距離，預(yù)測隧道掌子面前方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及圍巖地質(zhì)狀況，同時還可對圍巖力學(xué)參數(shù)（包括動態(tài)楊氏模量、靜態(tài)楊氏模量、泊松比、縱波速度、密度、縱橫波速比等）進(jìn)行評估。其優(yōu)點是探測距離遠(yuǎn)（可達(dá)掌子面前方100- 300m)、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、資料解譯速度快、對施工影響小等。TSP在瑞士、法國、德國、奧地利、意大利、日本等國的隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用。利用TSP進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，是施工決策過程中不可缺少的一道工序。日本學(xué)者將TSP用于日本的多條隧道，并且改進(jìn)開發(fā)了C-TSP( continuous-TSP)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不是為了做 1SP專門爆破而產(chǎn)生地震波，而是利用隧道開挖時的每一次爆破，對前方地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)測，探測距離最長可達(dá)150m。
2000 年左右，美國NSA工程公司開發(fā)出TRT（true reflection tomography），即空間層析成像技術(shù)，并在歐洲、亞洲開始應(yīng)用。TRT技術(shù)在歐洲隧道地質(zhì)預(yù)報中應(yīng)用較成功，如波利山隧道、奧地利穿越阿爾卑斯山脈的鐵路雙線隧道等。該方法的突出特點是在觀測方式上實現(xiàn)了空間三維觀測，資料處理手段采用地震偏移成像方法。該方法將檢波器和激發(fā)炮點布置在隧道邊墻和掌子面上，最大限度地擴(kuò)展橫向展布，以充分獲得空間波場信息，提高波速分析和不良地質(zhì)體的定位精度，較TSP法有明顯的改進(jìn)。理論預(yù)報長度為100 - 300m，軟弱破碎地段為 60 - 90m。
近年來，德國GeohydraulikData 公司開發(fā)出了BEAM／bore-tunnelling electri- cal ahead monitoring)，即隧道電法超前探測技術(shù)，是目前唯一的隧道電法超前地質(zhì)預(yù)報方法。該方法是一種聚焦電流頻率域的激發(fā)極化方法，其最大特點是通過在外圍的環(huán)狀電極發(fā)射一個屏蔽電流和在內(nèi)部發(fā)射一個測量電流，使電流聚集進(jìn)人要探測的巖體中，通過獲得與巖體中空隙有關(guān)的電能儲存能力參數(shù)PFE (per- centage frequency effect)的變化，預(yù)測掌子面前方巖體的完整性和含水性。其另一個特點是可以將裝置安裝在盾構(gòu)法施工的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的刀頭（測量電極）和外側(cè)護(hù)盾（屏蔽電極）上，也可安裝在鉆爆法施工的鉆頭前方（測量電極）和．兩側(cè)鋼架（屏蔽電極）上，隨著隧道的掘進(jìn)，連續(xù)不斷地獲得數(shù)據(jù)，并實時處理得到的PFE曲線，從PFE曲線即可推斷掌子面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)。該項技術(shù)在歐洲許多國家已經(jīng)開始使用。
