1、地質預報的意義和目的（de）

隧（suì）道超前地質預（yù）報是以TSP-203、地質雷達、超前地（dì）質鑽（zuàn）孔等儀（yí）器，並輔以其它（tā）地質調查方法，對隧道工作麵前方圍岩尤其是隧道掌子（zǐ）麵前方一二百米或數十米內圍岩的工程地質和水文地質情況的性質（zhì）、位置和規模進行比較準確（què）、全麵、係統的探測和（hé）判斷，確定不良地質體的空間位置和危害程度，結合監控（kòng）量測（cè）數（shù）據，綜合考慮圍岩和主（zhǔ）動支護（hù）因素，及時地調整支護（hù）參數，提出措施和建（jiàn）議，指（zhǐ）導隧道施工，有效控製地質（zhì）災害的發生，防止在正常施工下避免工作（zuò）麵開（kāi）挖出現不測事故（gù）（諸如出現斷層、破（pò）碎帶、采空區、溶岩、含水集水區、高應力地帶、岩爆、瓦斯溢出等不良地質現象），確保隧道（dào）的（de）安全和（hé）可靠。根據隧道地質的（de）具體情況，超前地質預報主要內容如下：

l   隧道穿越不穩定岩層較大斷（duàn）層預測；

l   出現湧水地段預測；

l   軟（ruǎn）岩出（chū）現內鼓、掉塊地段預（yù）測；

l   岩（yán）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岩穩定預測；

l   可能出現塌方、滑動影響預（yù）測；

l   淺埋（mái）段下沉裂縫對施工（gōng）影響（xiǎng）程度預（yù）測；

l   地質條件變化對施（shī）工影響程度預測；

l   岩爆預測；

l   瓦斯（sī）預測。

1.1地質預（yù）報的方法

TSP超前地質探測

TSP（TunnelSeismic Prediction）是一種快速、有效、無損的反射地震探（tàn）測技術，它是專為隧道超前地質預報設計的。

TSP和其它反（fǎn）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）產生，震源點通（tōng）常布置在隧道的左邊牆或右邊牆，一（yī）般24個炮點布成一條直線，接收點（diǎn）和炮點在同一（yī）水平麵（miàn）。地震波以球麵波的形式在岩石中傳播（bō），當遇到岩石物性界麵如斷層與岩層的接觸麵、岩石破碎帶與完（wán）整岩石接觸麵、不同（tóng）岩性接觸麵等波阻抗（kàng）差（chà）異界麵（miàn）時，一部分地震信號將反（fǎn）射回來，一部分折（shé）射進入前方介質（zhì）。反射地震信號將被高靈敏（mǐn）度（dù）檢波器接收，反射信（xìn）號的（de）傳播時間和反射界麵的距離成反比，因此可確（què）定界麵的位置。通過TSPwin軟件處理，可以獲得P波、SH波、SV波的時間剖麵、深度偏移剖麵、提取的反射層、岩（yán）石（shí）物理力學（xué）參數、各反射層能量大小等成果，及反射層在探測範圍（wéi）內的空間分布。

TSP方法特（tè）點：

①預報範圍大，可從100m到200m；

②施（shī）工時間短，完成全部外業施工僅需（xū）2小時左（zuǒ）右，可現場處理資料提交成果，也僅需3-6小時（shí）；

③成本低廉，同時對（duì）施工（gōng）基本無影響，可對全隧道（dào）開展；

④無須（xū）麵對掌子麵，對掌子麵狀況（kuàng）無（wú）要（yào）求；

⑤可提供（gòng）岩石動力學參數，劃分圍岩類別；

⑥ 可確定地質體空間位置。

GPR（地質雷達）超前地質探測（cè）

GPR（Ground   Penetraing Radar）方法是一種用於確定地下介質分布（bù）的電磁波法，類似反射地震勘探技術，是一種高（gāo）分（fèn）辨率探測方法。該（gāi）方法是通過天線向（xiàng）地下發射（shè）高頻電磁波，電磁波在地下傳播（bō），對（duì）於不同介質（zhì），由於電磁性質不同，傳播特點不一樣，當遇到存在電性（xìng）差異介質的界麵時，便發生反射（shè），並返回為接收（shōu）天線接收（shōu）。電磁波在介質中的傳播（bō）時間與距離成正比，因此可計算出界麵位置，並（bìng）可（kě）根據反射波的振幅、頻率特征推（tuī）測地質體（tǐ）的性質。溶洞、斷層破碎帶、含水帶、結構（gòu）麵等都於周圍岩石存在（zài）較大的電性差異，用GPR方法進行超前地質探測正是基於這一前提。

現場探測時，可在掌子麵布設“井”字型（xíng）測網。當區域構造走向與隧道軸線大致平行（háng）時，應在隧道側壁布置一些測線。采用連續觀測方式，用RADANⅢ專用軟件對采集的數據進行處理（lǐ）。在資料處理的基礎上，分析地質雷達圖象，識別反射（shè）信號，確定電（diàn）磁波在岩石介質中的傳播速（sù）度、反射波到達時間，計算反射界（jiè）麵的（de）位置，通過分析（xī）反射波的振幅、頻（pín）率，結（jié）合前期勘察資料推斷地質（zhì）體性質。

GPR方法是基於介質電磁性差異的高頻電磁波法，具有以下特點：

① 頻率（lǜ）高，衰減（jiǎn）快，探測距離短，20米（mǐ）為宜（yí）；

② 分辨率高，可探測圍岩內的軟弱結構麵；

③ 對岩溶、富水帶探測（cè）效果好；

④ 施工方便、成本低廉（lián），對隧道施工無影響（xiǎng）。

2、錨杆（gǎn）錨固無損檢測原理（lǐ）

  錨杆錨固體係是由鋼筋、水泥砂漿和圍岩構成的（de），當出（chū）現砂漿灌注不飽滿、空腔等質量問題時，鋼筋與（yǔ）砂漿、砂漿與圍岩之間就存在（zài）波波阻抗突變的界（jiè）麵，因此，采用聲（shēng）頻應力波對錨杆錨（máo）固質（zhì）量進行無損檢測具備檢測物理條件。

3.1方法（fǎ）原（yuán）理

全（quán）長粘結砂漿錨杆的水泥砂漿的灌注飽滿與否，是錨（máo）杆能否按設計要求起作用的重要指標。傳統的測試（shì）方法是用（yòng）抗拔力來（lái）檢驗，但這種方法並（bìng）不能（néng）完全確定其施工質（zhì）量。試驗證明，對於高強（qiáng）錨杆，當錨固長度達到錨杆直徑的42倍時，握裹力不再隨錨杆長度的增（zēng）加而增加（jiā），因此僅用抗拔力來檢驗施工質量不完整。采用聲頻應力波對錨杆的錨（máo）固質量進（jìn）行無損檢（jiǎn）測和抗拔（bá）力試驗有機地（dì）結合（hé）並進行綜合分析，才能對錨杆的錨固質（zhì）量進行很好地分析和評價，其原理如下：

當工程的錨杆構（gòu）件的尺寸（cùn）為圓柱體（tǐ）且其直徑d遠（yuǎn）遠小於其長度L時，即L>>d，則此錨（máo）杆可以作為彈性波中（zhōng）的一維杆件理論分（fèn）析處理。錨杆是鋼筋與混凝土膠結在一起，與（yǔ）周圍圍岩存在較大的（de）彈性波波阻抗差異，因此，應用彈性波理論對錨杆進行無損（sǔn）檢測（cè），可以視錨（máo）杆為一（yī）維彈性杆件。

應力（lì）波在（zài）錨杆中傳播時考慮（lǜ）粘滯性阻尼力的一維（wéi）彈性波（bō）波（bō）動方程為

   在由錨杆、混凝土砂漿和圍岩組成的體係中，由（yóu）錨杆端（duān）部發射的聲波經杆體向四周傳播，在錨杆與砂漿、砂漿（jiāng）與圍岩等界麵發生入射、係分別（bié）為Z=cA

從（cóng）上述公式可以看出，當杆（gǎn）中某一截麵麵麵積或（huò）材料性質發生改變時，入射波將在該截麵處發（fā）生反射和透射，其反射和透射波的大小與（yǔ）截麵（miàn）麵積和波阻抗相（xiàng）對變化的程度有（yǒu）關。與變截麵杆相類似，在錨杆體（tǐ）係中錨杆、砂漿、和圍岩三者之間澆灌（guàn）均勻密實時，應力波的能量大部分透射到圍岩體中，隻有小部分能量反射回來，且反（fǎn）射信（xìn）號極有規律。當砂漿澆灌不均勻（yún）、密實時（shí），在砂漿中出現空（kōng）穴，在空穴處將出現不同程度的波阻抗變化麵。表現在原有（yǒu）的（de）信號中迭加了（le）強度（dù）不（bú）同的反射信號，或在不（bú）應出現反（fǎn）射波處有反射信號，根據反射波位置和反射信號的（de）強弱，就可以（yǐ）確定錨杆錨（máo）固質量並為其分級。

3、地（dì）質雷達襯砌無損檢測原理

3.1探地（dì）雷達探（tàn）測原理

探地雷達的探測原理（lǐ）與探空雷達相（xiàng）似（sì），探地雷達（dá）是用一對天線進行工作的（de），如圖1a所示由發射天線T向地（dì）下介質中（zhōng）發射（shè）一定主頻的電磁脈衝波，電磁脈衝波在地層介質（zhì）中傳播時，遇到地下介質中的物性介（jiè）麵（主要指電阻率和介電常數（shù）的（de）差異分介麵）時，發生波的反射和透射；被反射的電磁（cí）波傳回地麵，被接收天（tiān）線R所接收（shōu），電腦和儀器控製並接收從接收天線經電路和光纜傳回的地下反射回波信息，在（zài）電腦中存（cún）儲每一測點（diǎn）上波形序列的振幅及波的旅行時間，沿測線（xiàn）等間隔移動天線，在每一觀測點上可獲得一個波形序（xù）列，對於整（zhěng）條測線（xiàn）就可形成（chéng）一條雷達剖麵（見示意（yì）圖1b）。由於不同的介質不僅會引起電磁波的反射，而且還會使（shǐ）電磁波發生衰減和相位等特（tè）征的變化（huà），高速鐵路隧道襯砌為層狀結構，均（jun1）為非磁性（xìng）介質（zhì），各層介質的（de）介電常數有明顯的差異，它們之間能形成良好的電磁反射界麵。當結構層發生破損（如出現空（kōng）洞、裂隙、脫空等（děng）），在雷達資料中便會出（chū）現明顯的特征反射，如脫空時將產生夾層反射，空洞（dòng）會（huì）產生繞（rào）射等，當結構層因透（tòu）水（shuǐ）性問題而使某層含（hán）水量量增大，或同現軟弱夾（jiá）層時，介電常數將明顯增大，在資料（liào）中就可以得到高含水性的反射，且探地雷達具有（yǒu）極高的探測精度，因此在鐵路隧道襯砌（qì）結構層劃分、病害檢測、隱患調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（dōng）華理工大（dà）學勘察設計研究院武漢分院（yuàn）劉（liú）前程高級工程師為組長組（zǔ）成的物探檢（jiǎn）測組，成員包（bāo）括物探（tàn）工程師、地質（zhì）工程師、隧道（dào）工程師、測量工（gōng）程師、結構工程師等。

5、擬投入本項目的儀器（qì）與設備

投（tóu）入（rù）本項（xiàng）目使用的儀器設備表

6、物探探測依據

1、《鐵路隧道襯砌（qì）質量無（wú）損檢測規程》TB10223-2004

2、《鐵路混凝土與砌體施工及驗收規範》TB10210-2003

3、《鐵路隧道工（gōng）程質量檢驗評定（dìng）標準》TB10417-2003

4、《客運專線鐵路隧道工程施工質量驗收暫行標準》鐵建（jiàn）設[2005]160號

5、《鐵路工程（chéng）岩土（tǔ）分類標準》（TB10077-2001）；

7、各階段（duàn）方案和工作流程

本項目隧道共5座，分別為******。

7.1地（dì）質預報方案

7.1.1前期準備工作（zuò）方案

前期準備工作主要有兩項內（nèi）容：

（1） 研究（jiū）既有區域地質、工程地質資料（liào），必（bì）要時到地表補充測繪，以達到對（duì）整個（gè）地區地質情況有（yǒu）一個比較全麵（miàn）和深刻的認識（shí），如可溶（róng）岩分布情況、構造（zào）發育情況、地表水係發育情況、當地最低侵蝕基準麵標高等。

（2） 通過對（duì）這些資料的分析和把握，製定預報預案，針對不同地段的地（dì）質情況進行地質預報重要性分級，不同（tóng）級別（bié）的地段采取不同的（de）預報（bào）手（shǒu）段，以達到既預報準確又節省有限預報（bào）資源的目的。

地質災害分級

7.1.2現場施工方案

現場施工方案遵照“長期預（yù）報與短期預報相結合、物探手段（duàn）與鑽孔直（zhí）接預測相（xiàng）結合、區（qū）域性地質預報與掌子麵地質預報相結合”的“三結合”原則，全麵正規、貫穿全程。做到 “有疑必探、先探後掘”，充分發揮多種手段綜合預報的優勢，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（dì）質預報精度。根據隧道地質預報工作特（tè）點，製定如下工藝（yì）流（liú）程圖2。

圖2 綜合超前地質預報工藝流程

（1）   TSP超前地質預報係統

l   準備工作

TSP-203地（dì）質超前預報係統測線（xiàn）設在（zài）工作麵附近的邊牆上，由兩個接收器孔和24個炮孔組成。兩（liǎng）個接收器孔對稱分布在兩側邊（biān）牆，24個炮孔等間距分布（bù）在一側邊牆。在數據采集前，鑽孔、接收傳感器套管的安裝，以及接受氣孔、炮孔的（de）傾向、傾角和各控基（jī）準點的測量可（kě）先期完成。這些準（zhǔn）備工作不（bú）影響（xiǎng）正常施工，可與隧道施（shī）工作業同時進行（háng）。注意依據工程地質（zhì）力學的知識，正確選擇和設定解譯的搜索角和調諧角。

l   相關參數

爆破點（diǎn）沿著隧道一（yī）側洞壁平行於隧道（dào）底（dǐ）麵呈直線排列，孔距1.5m，孔深1.5m～2.0m.距最後一個爆破點15m～20m設接收點（diǎn），接收點孔深2.0m，孔口距隧底約1.0m與炮（pào）孔等高。接收器孔向上傾斜5o～10o,炮孔向下傾斜15o～20o。根據圍岩軟硬和完整破碎程（chéng）度以及（jí）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   現場測量

接收器孔內置接收傳感器.探（tàn）測時逐次引爆炸藥，製造出小型地震波.這些地（dì）震（zhèn）波（bō）遇到節理麵、地（dì）質界麵和破碎帶、溶洞、暗河等不良地質界（jiè）麵時會產生反射波。反射波的強度及傳送時間反（fǎn）映了相關界麵（miàn）的性質、產狀、距接收點的距離。

（2）   地質（zhì）雷達

l   準備工作

使用地質雷達采集數據時（shí），易受（shòu）到測線附近的構（gòu）造物、金（jīn）屬物體、電磁幹擾，應將其記錄在冊，並標出（chū）位置，在這樣的區域探測時（shí）應重複觀測（cè），排除幹擾因素。

l   布設雷達參數

雷達天線使用100Hz天線，探測距離15～25m範圍一般連續測量，視條件也可以點測，一般點距為0.5～1.0m，探測斷層或含（hán）水裂隙麵，采用（yòng）十（shí）字探測法，開挖工作麵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   布設測線

使用地質雷達超前預報探測時，以掌子麵（miàn）前方為檢測目標，以拱頂為中（zhōng）心，以“一”字形或十字形（xíng）布置2條雷達（dá）天線，若探測（cè）麵較寬時，可以“井字形布置4條雷達（dá）測線。必要時加密雷達測線以提高探測（cè）結果的準確性。

7.1.3技術支持方案

（1）    數據處理分析

l   TSP超前地（dì）質探測的數據處理分析

TSP超前地（dì）質探測結果通過TSPwin軟件處理，可以（yǐ）獲得P波、SH波、SV波的時間剖麵、深度偏移剖麵、提取的反射層、岩（yán）石物理力學（xué）參數、各反射層能量大小等成果，以（yǐ）及反射層在探測範圍內的（de）空間分（fèn）布。利用TSPwin軟件（jiàn）按數（shù）據（jù）設置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮（pào）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）據處理。

TSP處（chù）理成果的動力學特征解釋遵循（xún）下述原則：

①   正反（fǎn）射振幅表明岩層，負（fù）反射振幅表明軟岩層（céng）；

②   若（ruò）S波反射較P波強，則表明岩層含水；

③   若P波速度與S波（bō）速度之（zhī）比增加或泊鬆比突然增大（dà），表明有流體存在。

④   若P波速度下降，則表明裂隙或（huò）者孔隙度增加

l   GPR（探地雷達）超前地質探測的數據處理分析

現場探測時，可在掌子麵布設“井”字型（xíng）測網，為了（le）得到較（jiào）好（hǎo）的觀測效果，掌子麵最好平（píng）整、直立。當區域構造走向與隧道軸線（xiàn）大致平行時，應在隧道側壁布置一些測線。為了獲得豐富的（de）信息，應采用連續觀測方式。用RADANⅢ專用軟件對采集的數據進行（háng）增益（yì）、濾波、反（fǎn）褶（zhě）積、希（xī）爾伯特變換等處理（lǐ），突出異常。在資（zī）料處理的基礎上，分析地質雷達圖像，識別反射信號，確定電磁波在岩石介質中的傳（chuán）播速度、反射波的（de）到達時間（jiān），計算反射界（jiè）麵的位（wèi）置，通過分析（xī）反射波的（de）振幅、頻率，結合前期勘察資料推斷地質體性質

（2）    超前地質預報成果應用

l   對照（zhào）原勘察設計文件（jiàn），複核圍（wéi）岩類別

現今大多數隧道的支護參數設計仍然是以工程（chéng）經驗類比為主（zhǔ），僅對處於軟弱（ruò）圍岩地段的初期支護鋼（gāng）拱架、二次襯砌輔以必要的強度驗算。圍岩類別是工程類比設計施工的基礎。原勘（kān）察設計文件的圍岩類別僅是根據地表的物探工作及（jí）少量（liàng）的鑽探工作量的結果來劃分，受勘探工作量、場地條件及工作方法的（de）限製，設計階段所劃分的圍岩（yán）類別往往實際存（cún）在一（yī）定的差別（bié），據此施（shī）工經濟與安全難以保正。

l   預（yù）報不（bú）穩定岩（yán）層、斷層破碎帶分布裏程，避免盲目施（shī）工

通過超前地質探測（cè），預（yù）報不穩定岩層、斷（duàn）層破碎帶分布裏程，以便設計、施工及時變更（gèng）施工方法，準備應急（jí）措施，避免盲目施工。

l   預報富（fù）水（shuǐ）帶的分布裏程，及時采取處理措施

對溶洞、暗河的（de）分布、規模進行預報，避免因突泥、湧水危及人員、設備安全的事故發生。

l   GPR超前地質探測（cè）成果

根據數據處理輸出的（de）資料（liào）結合前期勘察資料、現場地質（zhì）調繪綜合分析提交以下（xià）成果：

① 岩性分界麵裏程；

② 是否存在斷層，斷層破碎（suì）帶分布裏程；

③ 富水（shuǐ）帶的分布裏程；

④ 溶洞、暗河等不良地質體規模、分布裏程；

⑤ 軟弱結構麵的分（fèn）布；

6繪製沿隧道軸線方向的工程地質、水文地質綜（zōng）合剖麵（miàn）圖。

施工時地質（zhì）預（yù）報由專門（mén）的地質專（zhuān）業工程師負（fù）責，其它施工、質檢人員予以（yǐ）配合（hé），進行資料收集、統計、分析和編製信息預報成果，由主管技術人員予以複核，並報（bào）設計、監理單位。為變更設計、修改施工方法提供依據，經分析、整理的地質資料作為施工技（jì）術資料存檔。