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隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)是隧道施工過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，對于防治隧道施工過程中的地質(zhì)災(zāi)害、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全、提高施工的綜合效益具有重要的意義和作用。本文首先對隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了深入分析，包括地質(zhì)分析法、物探法當(dāng)中的TSP法和地質(zhì)雷達(dá)法，然后對上述幾項(xiàng)地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢及應(yīng)用不足等使用現(xiàn)狀情況進(jìn)行了探討，最后對隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)未來的技術(shù)、需求、壓力等發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，以期對本領(lǐng)域相關(guān)研究提供一定的參考。
　　關(guān)鍵詞：隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù);TSP法;地質(zhì)雷達(dá);應(yīng)用現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢
　　1 引言
　　隨著國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，我國的交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)正在不斷完善，全新的公路、鐵路交通網(wǎng)線正在朝著西部等偏遠(yuǎn)山區(qū)不斷延伸。各種類型的隧道(洞)在交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中地位愈來愈顯示出重要作用。據(jù)預(yù)測，我國將在近幾十年內(nèi)完成鐵路交通、公路交通以及水利水電、能源礦山、市政工程等領(lǐng)域大量隧道(洞)工程的修建，我國將成為世界上隧道修建規(guī)模最大、難度最高的國家。
　　近年來我國的山嶺深大隧道及跨海隧道等高難度隧道工程不斷涌現(xiàn)，對工程地質(zhì)勘察工作的要求也不斷加大。然而，由于施工區(qū)域復(fù)雜多變的地質(zhì)條件以及現(xiàn)有地質(zhì)勘探手段的局限性，無法及時(shí)、精準(zhǔn)地揭示隱蔽于隧道沿線的諸如節(jié)理、斷層、溶洞、破碎巖體等不良地質(zhì)體，這成為隧道施工過程中出現(xiàn)塌方、突水等地質(zhì)災(zāi)害的重大誘因。
　　為了及時(shí)、有效地掌握隧道施工期間掌子面前方的地質(zhì)情況，以減少或杜絕施工過程中的地質(zhì)災(zāi)害、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全，就必須做好隧道施工過程中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的相關(guān)工作。如在貴州省赤望高速公路白臘坎至黔西段第六合同段中，因?yàn)椴捎昧撕侠淼乃淼朗┕こ暗刭|(zhì)預(yù)報(bào)，最終極大地減少了安全事故的發(fā)生，有效提高了隧道工程的綜合效益[1]。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，對隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的分析，并對其未來發(fā)展過程中的問題和趨勢進(jìn)行了探討，為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的綜合研究提供了參考。
　　2.隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
　　2.1 地質(zhì)分析法
　　地質(zhì)分析法是目前隧道施工中最基本、應(yīng)用最廣泛的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)方法，其主要是根據(jù)掌子面、隧洞及區(qū)域地表?xiàng)l件的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。通過地質(zhì)分析法能夠判斷施工所在區(qū)域地質(zhì)情況，劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，重點(diǎn)辨識(shí)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，同時(shí)，還可以通過對隧道掌子面前方的不良地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測勘察，依照預(yù)測可能出現(xiàn)的類型、規(guī)模、部位，在隧道施工前制定出相應(yīng)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案，確保施工過程中選用工藝與措施的科學(xué)合理性，降低事故發(fā)生率。改預(yù)報(bào)方法主要針對于埋深較淺、地質(zhì)構(gòu)造不太復(fù)雜的地質(zhì)，準(zhǔn)確度高，不適合在深埋隧道以及地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變地區(qū)采用，因?yàn)椋瑹o法保障預(yù)測準(zhǔn)確性，并且該方法開展工作難度較大[2]。
　　2.2 物探法
　　物探法是根據(jù)隧道工程巖土體不同的物理特點(diǎn)，采用不同的探測方式和探測儀器對隧道內(nèi)部進(jìn)行地球物理變化的探測，該方法是一種間接測試的方式。由于物探法對于隧道掌子面的施工不會(huì)造成影響，并且也不會(huì)破壞地質(zhì)，所以該方法在近些年得到了快速發(fā)展。
　　物探法主要有包括以下兩種方法：
　　TSP法。該方法始創(chuàng)于20世紀(jì)90年代末，是由瑞士安伯格測量技術(shù)公司所研發(fā)的一套超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。TSP(隧道地震勘探)屬于多波多分量探測技術(shù)，其主要通過利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性原理，檢測出掌子面前方巖性的變化，起到對隧道掌子面前方及周圍臨近區(qū)域地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)測。TSP法主要應(yīng)用于100-200米中、長距離超前地質(zhì)探測預(yù)報(bào)中，其應(yīng)用優(yōu)勢主要有探測距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)以及分辨率高等。目前已經(jīng)成功地在法國、日本等多個(gè)國家的公路和鐵路隧道、輸水隧洞等進(jìn)行了千余次卓有成效的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，同時(shí)，TSP法也獲得了我國隧道工程技術(shù)人員的一致認(rèn)同，在國內(nèi)得到了快速發(fā)展并被成功地應(yīng)用于公路和鐵路隧道工程中。
　　(2)地質(zhì)雷達(dá)法。地質(zhì)雷達(dá)法是利用隧道前方巖石介質(zhì)界面的電磁特性差異而產(chǎn)生的電磁反射波進(jìn)行隧道超前預(yù)報(bào)，其發(fā)射的是高頻的電磁脈沖，在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下，電磁波的衰減很快。在巖性較好情況下該方法一般能夠探測開挖面前方10～30 m范圍內(nèi)及隧道周圍的地質(zhì)狀況。該方法具有成本低、使用簡單，可操作性強(qiáng)等優(yōu)勢[3]。
　　3.隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展趨勢
　　從超前探測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，技術(shù)本身仍存在諸多難題亟待突破，尤其是如何綜合應(yīng)用多種全新的探測技術(shù)和方式以滿足深大山嶺隧道和跨海隧道等工程的施工安全需要。因此，未來隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展所面臨的形勢、需求及壓力均非常緊迫[4]。
　　3.1 綜合應(yīng)用多種探測技術(shù)
　　單一超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確度并不完全可靠，目前還沒有哪種預(yù)報(bào)方法能對所有地質(zhì)缺陷都做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。只有將多種超前預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，取長補(bǔ)短、互為驗(yàn)證，互為補(bǔ)充，才能夠?qū)崿F(xiàn)降低多解性、提高探測可靠性的目的。筆者認(rèn)為可以將地質(zhì)分析法、地質(zhì)雷達(dá)與TSP法三種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)相結(jié)合，以TSP法為主要方法，以地質(zhì)分析法和地質(zhì)雷達(dá)法為輔助方法，建立系統(tǒng)立體的綜合超前預(yù)報(bào)方法。
　　3.2定量化超前預(yù)報(bào)技術(shù)
　　鉆爆法是隧道施工過程中一種重要有效的施工方法，目前鉆爆法施工隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，未來發(fā)展的方向在于怎樣實(shí)現(xiàn)定量化超前預(yù)報(bào)。定量化超前預(yù)報(bào)是指利用先進(jìn)的定向激發(fā)探測方式，對施工區(qū)域各種復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境實(shí)現(xiàn)精確地質(zhì)數(shù)據(jù)的定量化分析和提示。實(shí)現(xiàn)定量化超前預(yù)報(bào)的核心和關(guān)鍵在于創(chuàng)新探水定量這一難題。在定量化探水方面，僅有核磁共振法和激發(fā)極化法這兩種物探方法被證明對水量有較敏感的響應(yīng)[4]，但是隧道內(nèi)利用核磁共振和激發(fā)極化進(jìn)行最后的定量探水目前處于起步階段，也就是最多半定量估算的水平，未來還需要開展大量的室內(nèi)和現(xiàn)場測試來查明具體地質(zhì)條件下兩者與水量的內(nèi)在關(guān)系，以研發(fā)出真正切實(shí)有效的定量探水方法，實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)情況的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。
　　3.3 TBM施工隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)
　　TBM法是歐美、日本等發(fā)達(dá)國家廣泛采用的一種隧道施工方法，我國也在逐漸接受和推廣。TBM法的地層適應(yīng)性差，對超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的安全性和適應(yīng)性要求較高，需要根據(jù)隧道掌子面的具體特點(diǎn)，判斷掌子面的水體情況，綜合應(yīng)用兩到三種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，以長、中、短距離相互搭配，優(yōu)勢互補(bǔ)，降低多解性為原則進(jìn)行預(yù)報(bào)，此外，利用掘進(jìn)機(jī)破巖震動(dòng)激發(fā)的被動(dòng)源地震波法可實(shí)時(shí)探測反饋前方的地質(zhì)情況，具有很好的前景;將觀測系統(tǒng)通過利用多同性源屏蔽聚焦激發(fā)極化技術(shù)可以布置在掌子面上，有效的縮小了占用空間，在TBM應(yīng)用中，也據(jù)用較好的前景。在定量估算水量過程中，激發(fā)極化技術(shù)的應(yīng)用是很好的可行方法，必要時(shí)可將單孔定向雷達(dá)裝配 TBM 機(jī)械上[4]。與此同時(shí)，地球物理儀器的搭載技術(shù)是TBM的一個(gè)特殊的需求，在未來的技術(shù)研究中，相關(guān)技術(shù)人員將把如何實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)儀器與TBM 機(jī)械的一體化搭載和自動(dòng)化快速測量最為極力解決的重要問題[4]。
　　3.4 隨鉆或鉆孔精細(xì)超前探測技術(shù)
　　通常來說，鉆孔地球物理技術(shù)能夠科學(xué)地探明隧道掌子面中的含水量情況，并為是否會(huì)影響隧道工程的施工質(zhì)量提供參考。隨鉆或鉆孔精細(xì)超前探測技術(shù)的分辨率越高，結(jié)構(gòu)面的成像越好。在進(jìn)行隧道施工前，通過對隨鉆或鉆孔精細(xì)超前探測技術(shù)的科學(xué)合理運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中對隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的更好了解，從而起到降低地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。
　　此外，隨著我國科學(xué)技術(shù)研究人員對探測技術(shù)的不斷研究與探討，已研發(fā)了跨孔地質(zhì)雷達(dá)、跨孔彈性波等跨孔成像探測技術(shù)，研究成效有所進(jìn)展，但是，在未來的研中，需要加大對提高空間分辨率技術(shù)方面的提升。在充分考慮探測效率因素上，更重視對單孔探測技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)前，在隧道超前探測中，單孔地質(zhì)雷達(dá)成為唯一可用的單孔探測技術(shù)，其探測半徑較大，且具有隨鉆探測的可能性[4]。但由于電磁波傳播的全方向性，目前單孔雷達(dá)無法測定目標(biāo)體的方位角，單孔雷達(dá)定向探測理論和技術(shù)是今后研究的重點(diǎn)之一。
　　4.結(jié)語
　　筆者在總結(jié)前人已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身參與的工程實(shí)踐以及開展的相關(guān)調(diào)研，對隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了深入分析，并展望了該技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。對于該領(lǐng)域的研究者和應(yīng)用者來說，應(yīng)立足當(dāng)前，放眼未來，充分厘清具體隧道工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探討采用合理的探測技術(shù)，力求不斷提高探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，使超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能夠?yàn)樗淼拦こ淌┕ぬ峁┝己玫姆?wù)，以此不斷推動(dòng)我國隧道工程更好的發(fā)展。