江苏省地质勘查技术院江苏省南京市210049
摘要：隧道工程建设中，超前地质预报作为优化工程设计、规避施工风险的一种重要手段已被纳入隧道设计和施工工序中。目前，隧道超前地质预报的主要方法有地质调查法、超前钻探法、物探法和超前导坑预报法。受成本、效率、工期等因素的制约，传统的超前钻探和超前导坑法通常作为一种补充验证方法在特殊地段予以实施。隧道内地层构造存在天然的物性差异，使得采用物探方法进行超前地质预报成为可能。在不影响施工的情况下，采用多种物探手段，可以对隧道工作面前方一定范围内的地质情况做有针对性的预测预报，具有占用施工时间少、一次预报距离长、成本低等优点，作为一种基础性、普查性的方法，在隧道超前地质预报过程中得到广泛应用，取得了良好的效果。
关键词：综合物探方法；隧道超前预报；应用研究
引言
在隧道超前预报中，受成本、效率、工期等因素的制约，传统钻探法的应用存在很多局限。分析采用综合物探技术进行超前预报的必要性，介绍隧道超前预报中常用的物探方法及其典型应用，提出采用多种物探技术相结合的综合物探预报方法。结合工程实例，验证了综合物探技术在隧道超前预报中的优越性。
1采用综合物探方法的必要性
在隧道超前预报过程中，常用的物探方法主要有地震波反射法、地质雷达法、红外探水法、瞬变电磁法等，由于物探方法本身存在的局限性和多解性，各种方法各有侧重和优劣。采用综合物探预报技术，可以对不同方法得出的预报结论进行综合分析，相互印证，同时与勘察成果相结合，可以较为准确地反映工作面前方的地质情况，提高预报准确率。
2常用物探预报技术及其典型应用成果
2.1地震波反射法
地震波反射法又称TSP(TunnelSeismicPredictionahead)法，是目前隧道超前地质预报中应用最广泛、最成熟的物探方法之一。该方法占用施工时间相对较短，预报距离可达120～150m，适用于各种不良地质体的预报，特别是对断层破碎带和岩溶等面状、体状地质体预报效果较好。(1)断层预报断层是工程中最常见的地质构造。通常情况下，断层内岩体破碎、裂隙发育、含水，与两侧岩体存在明显的波阻抗差异。地震波在通过断层界面时会存在明显的强反射信号，形成一组明显的反射层，反映到岩石物性参数上为波速和动静态杨氏模量明显下降，在断层内含水的情况下，其泊松比会明显上升。(2)岩溶或采空区预报岩溶探测是超前地质预报的重点和难点，其典型形态为中空或含充填物的不规则几何体。地震波通过溶洞时，在溶洞边界形成强反射界面。同时，在溶洞所在范围内，其动静态杨氏模量降低，波速减小，特别是当溶洞内充填水时，由于横波在通过流体时产生衰减，表现为横波波速明显降低，而泊松比升高。
2.2地质雷达法
地质雷达法(GroundPenetratingＲadar)是利用电磁波在隧道开挖工作面前方岩体中的传播及反射，根据传播速度和反射脉冲波走时进行超前地质预报的一种物探方法。电磁波在各类岩土介质中传播时，由于岩土体的完整性、含水性和电性特征的差异，导致雷达电磁波的波形、波幅、周期和包络线形态等有较大差别，形成不同的雷达图像特征，每次预报距离在20～30m左右。地质雷达主要用于岩溶探测，亦可用于断层破碎带、软弱夹层等不均匀地质体的探测。(1)断层预报断层内通常发育有破碎岩体、节理裂隙带、水等，介质极不均匀，电性差异大，因而在雷达图像上一般会形成较强的反射界面或能量团，反射面周围振幅显著增强，能量团分布不均匀，同相轴错断，能量衰减较快，规律性差，特别是高频部分衰减快，在深部甚至模糊不清。(2)岩溶预报地质雷达图像特征取决于溶洞的形状、大小以及充填物的性质，通常表现为由许多双曲线组成的强反射能量团。当溶洞为中空时，由于空气的介电常数约为1，远小于围岩的介电常数，电磁波穿过溶洞时，在雷达图像上表现为沿洞壁分布的一个强反射带；当溶洞内充填物为水时，由于水的介电常数远大于围岩介电常数，电磁波在通过此区域时会产生强反射，在雷达图像上表现为覆盖整个溶洞范围的强反射能量团。
2.3瞬变电磁法
瞬变电磁法也称时间域电磁法（简称TEM），是建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。它利用不接地回线（磁源）或接地线源（电偶源）向地下发送一次脉冲磁场，在其激发下，地下地质体中激励起的感应涡流将产生随时间变化的感应二次场，由于二次场包含有地下地质体丰富的地电信息，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次场，通过信息提取和分析，从而达到探测地下地质体的目的。瞬变电磁法，工作方法简单，工效高，穿透高阻层能力强，主要用于解决隧道掌子面前方含水地质体的探测的问题。
3综合物探预报方法组合模式
由于单一物探方法存在应用局限性和多解性，更多情况下依赖于技术人员的工作经验和判译水平，对于复杂地质体的预报效果难以保证，影响了预报准确率。需要对现有物探方法的适用条件和应用效果进行研究，总结各种方法的适用条件和优缺点，根据不同的地质情况、预报目的、预报距离和精度，合理选择不同的预报方法和物探组合模式。用宏观预报指导微观预报，长距离预报指导中短距离预报，微观预报验证宏观预报，中短距离预报验证长距离预报，可以充分利用不同物探方法的优势，规避劣势，大幅提高预报精度和准确率，指导隧道安全施工。
4综合物探预报方法应用
某隧道在掘进过程中，运用了TSP法、瞬变电磁法、地质雷达三种物探方法进行超前地质预报，取得了较好的效果。
4.1TSP法
TSP法探测里程至K0+673，其中推测K0+650～+636段节理裂隙、溶蚀裂隙发育，围岩稳定性较差，含水(特别是雨季)，施工中易产生塌方、拱部掉块、涌水等地质灾害。
4.2瞬变电磁法
瞬变电磁法探测里程至K0+693，视电阻率剖面显示在K0+646～+618段存在低阻异常区，异常区中心位于隧道断面通过位置的偏右侧，推测该段围岩破碎，富水。
4.3地质雷达法
根据TSP法和瞬变电磁法结论，在隧道开挖至K0+652时采用了地质雷达方法进行预报，进一步推测K0+645～+638段围岩破碎，节理裂隙或溶蚀裂隙发育，存在溶腔、溶槽等，含水。
通过以上3种物探方法，长距离预报指导短距离预报，短距离预报验证长距离预报，各种方法均能相互印证，互相补充。结合前期勘察地质资料，综合分析认定该斜井K0+646～+638段岩性为灰岩，围岩破碎，岩溶弱－中等发育，局部存在溶腔、溶槽等，含水(特别注意雨季水量变化)，围岩稳定性差，施工时应加强支护并作好防排水措施。后经开挖验证，在K0+647处进洞方向上台阶右侧拱脚处和K0+643下台阶左右两侧出现大量涌水，围岩破碎，裂隙发育，局部出现溶缝、溶槽，与预报结论高度吻合。由于预报及时准确，施工单位采取了相应的防排水措施，确保了施工安全。
结语
采用综合物探方法，各种方法互相印证，通过综合分析，可以对隧道工作面前方围岩体的工程地质和水文地质特性以及不良地质体的位置和规模，进行比较准确的探测和预报。(2)根据不同的地质情况、预报目的、预报距离和精度，可以选择不同的预报方法和物探组合模式，不仅可以充分发挥不同物探方法的优势，还可以优化预报设计，节约成本。(3)物探方法具有间接性和多解性，在实际应用过程中，对于物探重点异常地段，应辅之以适当的钻探进行验证，以便更精确地确定地质体的位置和规模。
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