1、地質(zhì)預(yù)報的意義和目的

隧道超前地質(zhì)預(yù)報是以TSP-203、地質(zhì)雷達、超前地質(zhì)鉆孔等儀器，并輔以其它地質(zhì)調(diào)查方法，對隧道工作面前方圍巖尤其是隧道掌子面前方一二百米或數(shù)十米內(nèi)圍巖的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況的性質(zhì)、位置和規(guī)模進行比較準(zhǔn)確、全面、系統(tǒng)的探測和判斷，確定不良地質(zhì)體的空間位置和危害程度，結(jié)合監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，綜合考慮圍巖和主動支護因素，及時地調(diào)整支護參數(shù)，提出措施和建議，指導(dǎo)隧道施工，有效控制地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，防止在正常施工下避免工作面開挖出現(xiàn)不測事故（諸如出現(xiàn)斷層、破碎帶、采空區(qū)、溶巖、含水集水區(qū)、高應(yīng)力地帶、巖爆、瓦斯溢出等不良地質(zhì)現(xiàn)象），確保隧道的安全和可靠。根據(jù)隧道地質(zhì)的具體情況，超前地質(zhì)預(yù)報主要內(nèi)容如下：

l   隧道穿越不穩(wěn)定巖層較大斷層預(yù)測；

l   出現(xiàn)涌水地段預(yù)測；

l   軟巖出現(xiàn)內(nèi)鼓、掉塊地段預(yù)測；

l   巖體突然開裂或原裂隙逐漸增寬等危害性預(yù)測；

l   位移變形加快影響圍巖穩(wěn)定預(yù)測；

l   可能出現(xiàn)塌方、滑動影響預(yù)測；

l   淺埋段下沉裂縫對施工影響程度預(yù)測；

l   地質(zhì)條件變化對施工影響程度預(yù)測；

l   巖爆預(yù)測；

l   瓦斯預(yù)測。

1.1地質(zhì)預(yù)報的方法

TSP超前地質(zhì)探測

TSP（TunnelSeismic Prediction）是一種快速、有效、無損的反射地震探測技術(shù)，它是專為隧道超前地質(zhì)預(yù)報設(shè)計的。

TSP和其它反射地震波方法一樣，采用了回聲測量原理。地震波在指定震源點用小藥量激發(fā)產(chǎn)生，震源點通常布置在隧道的左邊墻或右邊墻，一般24個炮點布成一條直線，接收點和炮點在同一水平面。地震波以球面波的形式在巖石中傳播，當(dāng)遇到巖石物性界面如斷層與巖層的接觸面、巖石破碎帶與完整巖石接觸面、不同巖性接觸面等波阻抗差異界面時，一部分地震信號將反射回來，一部分折射進入前方介質(zhì)。反射地震信號將被高靈敏度檢波器接收，反射信號的傳播時間和反射界面的距離成反比，因此可確定界面的位置。通過TSPwin軟件處理，可以獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等成果，及反射層在探測范圍內(nèi)的空間分布。

TSP方法特點：

①預(yù)報范圍大，可從100m到200m；

②施工時間短，完成全部外業(yè)施工僅需2小時左右，可現(xiàn)場處理資料提交成果，也僅需3-6小時；

③成本低廉，同時對施工基本無影響，可對全隧道開展；

④無須面對掌子面，對掌子面狀況無要求；

⑤可提供巖石動力學(xué)參數(shù)，劃分圍巖類別；

⑥ 可確定地質(zhì)體空間位置。

GPR（地質(zhì)雷達）超前地質(zhì)探測

GPR（Ground   Penetraing Radar）方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的電磁波法，類似反射地震勘探技術(shù)，是一種高分辨率探測方法。該方法是通過天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下傳播，對于不同介質(zhì)，由于電磁性質(zhì)不同，傳播特點不一樣，當(dāng)遇到存在電性差異介質(zhì)的界面時，便發(fā)生反射，并返回為接收天線接收。電磁波在介質(zhì)中的傳播時間與距離成正比，因此可計算出界面位置，并可根據(jù)反射波的振幅、頻率特征推測地質(zhì)體的性質(zhì)。溶洞、斷層破碎帶、含水帶、結(jié)構(gòu)面等都于周圍巖石存在較大的電性差異，用GPR方法進行超前地質(zhì)探測正是基于這一前提。

現(xiàn)場探測時，可在掌子面布設(shè)“井”字型測網(wǎng)。當(dāng)區(qū)域構(gòu)造走向與隧道軸線大致平行時，應(yīng)在隧道側(cè)壁布置一些測線。采用連續(xù)觀測方式，用RADANⅢ專用軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理。在資料處理的基礎(chǔ)上，分析地質(zhì)雷達圖象，識別反射信號，確定電磁波在巖石介質(zhì)中的傳播速度、反射波到達時間，計算反射界面的位置，通過分析反射波的振幅、頻率，結(jié)合前期勘察資料推斷地質(zhì)體性質(zhì)。

GPR方法是基于介質(zhì)電磁性差異的高頻電磁波法，具有以下特點：

① 頻率高，衰減快，探測距離短，20米為宜；

② 分辨率高，可探測圍巖內(nèi)的軟弱結(jié)構(gòu)面；

③ 對巖溶、富水帶探測效果好；

④ 施工方便、成本低廉，對隧道施工無影響。

2、錨桿錨固無損檢測原理

  錨桿錨固體系是由鋼筋、水泥砂漿和圍巖構(gòu)成的，當(dāng)出現(xiàn)砂漿灌注不飽滿、空腔等質(zhì)量問題時，鋼筋與砂漿、砂漿與圍巖之間就存在波波阻抗突變的界面，因此，采用聲頻應(yīng)力波對錨桿錨固質(zhì)量進行無損檢測具備檢測物理條件。

3.1方法原理

全長粘結(jié)砂漿錨桿的水泥砂漿的灌注飽滿與否，是錨桿能否按設(shè)計要求起作用的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的測試方法是用抗拔力來檢驗，但這種方法并不能完全確定其施工質(zhì)量。試驗證明，對于高強錨桿，當(dāng)錨固長度達到錨桿直徑的42倍時，握裹力不再隨錨桿長度的增加而增加，因此僅用抗拔力來檢驗施工質(zhì)量不完整。采用聲頻應(yīng)力波對錨桿的錨固質(zhì)量進行無損檢測和抗拔力試驗有機地結(jié)合并進行綜合分析，才能對錨桿的錨固質(zhì)量進行很好地分析和評價，其原理如下：

當(dāng)工程的錨桿構(gòu)件的尺寸為圓柱體且其直徑d遠遠小于其長度L時，即L>>d，則此錨桿可以作為彈性波中的一維桿件理論分析處理。錨桿是鋼筋與混凝土膠結(jié)在一起，與周圍圍巖存在較大的彈性波波阻抗差異，因此，應(yīng)用彈性波理論對錨桿進行無損檢測，可以視錨桿為一維彈性桿件。

應(yīng)力波在錨桿中傳播時考慮粘滯性阻尼力的一維彈性波波動方程為

   在由錨桿、混凝土砂漿和圍巖組成的體系中，由錨桿端部發(fā)射的聲波經(jīng)桿體向四周傳播，在錨桿與砂漿、砂漿與圍巖等界面發(fā)生入射、系分別為Z=cA

從上述公式可以看出，當(dāng)桿中某一截面面面積或材料性質(zhì)發(fā)生改變時，入射波將在該截面處發(fā)生反射和透射，其反射和透射波的大小與截面面積和波阻抗相對變化的程度有關(guān)。與變截面桿相類似，在錨桿體系中錨桿、砂漿、和圍巖三者之間澆灌均勻密實時，應(yīng)力波的能量大部分透射到圍巖體中，只有小部分能量反射回來，且反射信號極有規(guī)律。當(dāng)砂漿澆灌不均勻、密實時，在砂漿中出現(xiàn)空穴，在空穴處將出現(xiàn)不同程度的波阻抗變化面。表現(xiàn)在原有的信號中迭加了強度不同的反射信號，或在不應(yīng)出現(xiàn)反射波處有反射信號，根據(jù)反射波位置和反射信號的強弱，就可以確定錨桿錨固質(zhì)量并為其分級。

3、地質(zhì)雷達襯砌無損檢測原理

3.1探地雷達探測原理

探地雷達的探測原理與探空雷達相似，探地雷達是用一對天線進行工作的，如圖1a所示由發(fā)射天線T向地下介質(zhì)中發(fā)射一定主頻的電磁脈沖波，電磁脈沖波在地層介質(zhì)中傳播時，遇到地下介質(zhì)中的物性介面（主要指電阻率和介電常數(shù)的差異分介面）時，發(fā)生波的反射和透射；被反射的電磁波傳回地面，被接收天線R所接收，電腦和儀器控制并接收從接收天線經(jīng)電路和光纜傳回的地下反射回波信息，在電腦中存儲每一測點上波形序列的振幅及波的旅行時間，沿測線等間隔移動天線，在每一觀測點上可獲得一個波形序列，對于整條測線就可形成一條雷達剖面（見示意圖1b）。由于不同的介質(zhì)不僅會引起電磁波的反射，而且還會使電磁波發(fā)生衰減和相位等特征的變化，高速鐵路隧道襯砌為層狀結(jié)構(gòu)，均為非磁性介質(zhì)，各層介質(zhì)的介電常數(shù)有明顯的差異，它們之間能形成良好的電磁反射界面。當(dāng)結(jié)構(gòu)層發(fā)生破損（如出現(xiàn)空洞、裂隙、脫空等），在雷達資料中便會出現(xiàn)明顯的特征反射，如脫空時將產(chǎn)生夾層反射，空洞會產(chǎn)生繞射等，當(dāng)結(jié)構(gòu)層因透水性問題而使某層含水量量增大，或同現(xiàn)軟弱夾層時，介電常數(shù)將明顯增大，在資料中就可以得到高含水性的反射，且探地雷達具有極高的探測精度，因此在鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)層劃分、病害檢測、隱患調(diào)查中具有良好的檢測效果。

4、項目成員

項目組人員共計7人，由東華理工大學(xué)勘察設(shè)計研究院武漢分院劉前程高級工程師為組長組成的物探檢測組，成員包括物探工程師、地質(zhì)工程師、隧道工程師、測量工程師、結(jié)構(gòu)工程師等。

5、擬投入本項目的儀器與設(shè)備

投入本項目使用的儀器設(shè)備表

6、物探探測依據(jù)

1、《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測規(guī)程》TB10223-2004

2、《鐵路混凝土與砌體施工及驗收規(guī)范》TB10210-2003

3、《鐵路隧道工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》TB10417-2003

4、《客運專線鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收暫行標(biāo)準(zhǔn)》鐵建設(shè)[2005]160號

5、《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》（TB10077-2001）；

7、各階段方案和工作流程

本項目隧道共5座，分別為******。

7.1地質(zhì)預(yù)報方案

7.1.1前期準(zhǔn)備工作方案

前期準(zhǔn)備工作主要有兩項內(nèi)容：

（1） 研究既有區(qū)域地質(zhì)、工程地質(zhì)資料，必要時到地表補充測繪，以達到對整個地區(qū)地質(zhì)情況有一個比較全面和深刻的認(rèn)識，如可溶巖分布情況、構(gòu)造發(fā)育情況、地表水系發(fā)育情況、當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面標(biāo)高等。

（2） 通過對這些資料的分析和把握，制定預(yù)報預(yù)案，針對不同地段的地質(zhì)情況進行地質(zhì)預(yù)報重要性分級，不同級別的地段采取不同的預(yù)報手段，以達到既預(yù)報準(zhǔn)確又節(jié)省有限預(yù)報資源的目的。

地質(zhì)災(zāi)害分級

7.1.2現(xiàn)場施工方案

現(xiàn)場施工方案遵照“長期預(yù)報與短期預(yù)報相結(jié)合、物探手段與鉆孔直接預(yù)測相結(jié)合、區(qū)域性地質(zhì)預(yù)報與掌子面地質(zhì)預(yù)報相結(jié)合”的“三結(jié)合”原則，全面正規(guī)、貫穿全程。做到 “有疑必探、先探后掘”，充分發(fā)揮多種手段綜合預(yù)報的優(yōu)勢，通過各種方法相互對照、相互補充，相互配合，提高物探成果解譯水平，提高地質(zhì)預(yù)報精度。根據(jù)隧道地質(zhì)預(yù)報工作特點，制定如下工藝流程圖2。

圖2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報工藝流程

（1）   TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)

l   準(zhǔn)備工作

TSP-203地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)測線設(shè)在工作面附近的邊墻上，由兩個接收器孔和24個炮孔組成。兩個接收器孔對稱分布在兩側(cè)邊墻，24個炮孔等間距分布在一側(cè)邊墻。在數(shù)據(jù)采集前，鉆孔、接收傳感器套管的安裝，以及接受氣孔、炮孔的傾向、傾角和各控基準(zhǔn)點的測量可先期完成。這些準(zhǔn)備工作不影響正常施工，可與隧道施工作業(yè)同時進行。注意依據(jù)工程地質(zhì)力學(xué)的知識，正確選擇和設(shè)定解譯的搜索角和調(diào)諧角。

l   相關(guān)參數(shù)

爆破點沿著隧道一側(cè)洞壁平行于隧道底面呈直線排列，孔距1.5m，孔深1.5m～2.0m.距最后一個爆破點15m～20m設(shè)接收點，接收點孔深2.0m，孔口距隧底約1.0m與炮孔等高。接收器孔向上傾斜5o～10o,炮孔向下傾斜15o～20o。根據(jù)圍巖軟硬和完整破碎程度以及接受器位置的遠近，每個炮孔裝藥50g～100g。炸藥為高爆速炸藥，雷管采用零延時電雷管。

l   現(xiàn)場測量

接收器孔內(nèi)置接收傳感器.探測時逐次引爆炸藥，制造出小型地震波.這些地震波遇到節(jié)理面、地質(zhì)界面和破碎帶、溶洞、暗河等不良地質(zhì)界面時會產(chǎn)生反射波。反射波的強度及傳送時間反映了相關(guān)界面的性質(zhì)、產(chǎn)狀、距接收點的距離。

（2）   地質(zhì)雷達

l   準(zhǔn)備工作

使用地質(zhì)雷達采集數(shù)據(jù)時，易受到測線附近的構(gòu)造物、金屬物體、電磁干擾，應(yīng)將其記錄在冊，并標(biāo)出位置，在這樣的區(qū)域探測時應(yīng)重復(fù)觀測，排除干擾因素。

l   布設(shè)雷達參數(shù)

雷達天線使用100Hz天線，探測距離15～25m范圍一般連續(xù)測量，視條件也可以點測，一般點距為0.5～1.0m，探測斷層或含水裂隙面，采用十字探測法，開挖工作面凹凸不平不符合條件時，采用點測法，有條件時可選用支架進行探測。

l   布設(shè)測線

使用地質(zhì)雷達超前預(yù)報探測時，以掌子面前方為檢測目標(biāo)，以拱頂為中心，以“一”字形或十字形布置2條雷達天線，若探測面較寬時，可以“井字形布置4條雷達測線。必要時加密雷達測線以提高探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

7.1.3技術(shù)支持方案

（1）    數(shù)據(jù)處理分析

l   TSP超前地質(zhì)探測的數(shù)據(jù)處理分析

TSP超前地質(zhì)探測結(jié)果通過TSPwin軟件處理，可以獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等成果，以及反射層在探測范圍內(nèi)的空間分布。利用TSPwin軟件按數(shù)據(jù)設(shè)置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q-估計→反射波提取→P-S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層的步驟進行數(shù)據(jù)處理。

TSP處理成果的動力學(xué)特征解釋遵循下述原則：

①   正反射振幅表明巖層，負(fù)反射振幅表明軟巖層；

②   若S波反射較P波強，則表明巖層含水；

③   若P波速度與S波速度之比增加或泊松比突然增大，表明有流體存在。

④   若P波速度下降，則表明裂隙或者孔隙度增加

l   GPR（探地雷達）超前地質(zhì)探測的數(shù)據(jù)處理分析

現(xiàn)場探測時，可在掌子面布設(shè)“井”字型測網(wǎng)，為了得到較好的觀測效果，掌子面最好平整、直立。當(dāng)區(qū)域構(gòu)造走向與隧道軸線大致平行時，應(yīng)在隧道側(cè)壁布置一些測線。為了獲得豐富的信息，應(yīng)采用連續(xù)觀測方式。用RADANⅢ專用軟件對采集的數(shù)據(jù)進行增益、濾波、反褶積、希爾伯特變換等處理，突出異常。在資料處理的基礎(chǔ)上，分析地質(zhì)雷達圖像，識別反射信號，確定電磁波在巖石介質(zhì)中的傳播速度、反射波的到達時間，計算反射界面的位置，通過分析反射波的振幅、頻率，結(jié)合前期勘察資料推斷地質(zhì)體性質(zhì)

（2）    超前地質(zhì)預(yù)報成果應(yīng)用

l   對照原勘察設(shè)計文件，復(fù)核圍巖類別

現(xiàn)今大多數(shù)隧道的支護參數(shù)設(shè)計仍然是以工程經(jīng)驗類比為主，僅對處于軟弱圍巖地段的初期支護鋼拱架、二次襯砌輔以必要的強度驗算。圍巖類別是工程類比設(shè)計施工的基礎(chǔ)。原勘察設(shè)計文件的圍巖類別僅是根據(jù)地表的物探工作及少量的鉆探工作量的結(jié)果來劃分，受勘探工作量、場地條件及工作方法的限制，設(shè)計階段所劃分的圍巖類別往往實際存在一定的差別，據(jù)此施工經(jīng)濟與安全難以保正。

l   預(yù)報不穩(wěn)定巖層、斷層破碎帶分布里程，避免盲目施工

通過超前地質(zhì)探測，預(yù)報不穩(wěn)定巖層、斷層破碎帶分布里程，以便設(shè)計、施工及時變更施工方法，準(zhǔn)備應(yīng)急措施，避免盲目施工。

l   預(yù)報富水帶的分布里程，及時采取處理措施

對溶洞、暗河的分布、規(guī)模進行預(yù)報，避免因突泥、涌水危及人員、設(shè)備安全的事故發(fā)生。

l   GPR超前地質(zhì)探測成果

根據(jù)數(shù)據(jù)處理輸出的資料結(jié)合前期勘察資料、現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)繪綜合分析提交以下成果：

① 巖性分界面里程；

② 是否存在斷層，斷層破碎帶分布里程；

③ 富水帶的分布里程；

④ 溶洞、暗河等不良地質(zhì)體規(guī)模、分布里程；

⑤ 軟弱結(jié)構(gòu)面的分布；

6繪制沿隧道軸線方向的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)綜合剖面圖。

施工時地質(zhì)預(yù)報由專門的地質(zhì)專業(yè)工程師負(fù)責(zé)，其它施工、質(zhì)檢人員予以配合，進行資料收集、統(tǒng)計、分析和編制信息預(yù)報成果，由主管技術(shù)人員予以復(fù)核，并報設(shè)計、監(jiān)理單位。為變更設(shè)計、修改施工方法提供依據(jù)，經(jīng)分析、整理的地質(zhì)資料作為施工技術(shù)資料存檔。