超前地质预报方法介绍

超前地质预报方法介绍 Prepared on 22 November 2020

超前地质预测预报的方法

为保证隧道的顺利施工，避免地下水发育地段突水、突泥的发生，防止地表水、地下水流失，确保隧道施工安全，需要采取有效措施对隧道掌子面地质情况进行较为准确的预测预报，根据隧道的具体情况，判定超前地质预报内容并纳入工序管理之中。

经过超前地质预报，在开挖后对地质条件再次认知，通过对比反馈信息和分析，逐步提高对围岩的预报判释的准确性。超前地质预报的工作程序参见图2

岩层层序，结合TSP探测成果，反复比较分析，最终推断出掌子面前方一定范围内即将出现的不良地质在隧道中的位置和规模。

施工过程中，每次爆破后由地质工程师进行地质素描，内容包括掌子面正面及侧面稳定状态、岩层产状、岩性风化程度、节理裂隙发育程度（产状、间距、长度、充填物、数量）、喷射混凝土开裂、掉块现象、涌水情况、水质情况、水的影响、不良气体浓度等。同时定期对地表水文环境进行观测和监测记录，及时了解隧道施工对地表水的影响，确定施工控制措施，最终做出掌子面地质素描图和洞身地质展示图。

及时对洞内涌水进行水质分析和试验，提交分析和试验结果，对影响隧道衬砌结构的水质提出处理意见，上报技术部门，以利采取有效的防护措施。

主要针对地下水发育地段的断层破碎带及其影响带、岩层接触带、构造及发育带

超前物探

长距离超前物探：首选方法为TSP203地质探测仪（探测距离约

200m），对比方法为水平钻孔超前探测。TSP203超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域的地质状况。它是在掌子面后方边墙一定范围内布置一排爆破点（间距1.5米），进行微弱爆破，产生的地震波在隧道前方体内传播，当岩石强度发生变化，界面两侧岩石的强度差别越大，反射回来的信号、返回的时间和方向差别越大，通过专用数据处理软件处理得到岩体强度变化界面的信号也就越强。返回信号被经过特殊设计的接收器接收转化成信号并进行放大，通过专用数据处理软件处理，得到岩体强度变化界面的位置及方位。见TSP203地质预报系统现场测试示意图3。

图3 TSP203地质预报系统现场测试示意图进一步具体的来说TSP203 超前地震预报系统洞内爆炸的接收器孔和爆破孔不是在掌子面上，而是在掌子面附近的边墙上，一般情况下，它是一个接收器孔和24 个爆破孔组成。接收器距掌子面约55m，最后一个爆破孔距掌子面约0.5m。爆破孔间距1.5m，孔深1.5m，孔径19～45mm，孔口距隧底约1.0m，向掌子面方向倾斜约12°，向下倾斜12～20°；接收器与第一个爆破孔间距20m，接收器孔深2.4m，孔径32～45mm，孔口距隧底，向洞口方向倾斜约12°，向下倾斜12～20°。

为使接收器能与周围岩体很好地藕合以保证采集信号的质量，采集信号前至少12h 时应将一个保护接收器的接收器套管插入孔内，并用含两种特殊成分的不收缩水泥砂浆使其与周围岩体很好地粘结在一起。每个爆破孔装药量12～40g，根据围岩软硬和完整破碎程度以及距接收器位置的远

近而不同。若地震情况特别复杂，有时需要在隧道另一边墙上也布置一个接收器和24 个爆破孔，通过左右边墙所测资料的对比分析，得出较为准确的判断结果。

将洞内采集的地震数据传输到室内计算机上，应用TSP202 数据处理软件进行地震波分析处理：波形处理、预报计算、预报输出。根据所掌握的地质资料，判断出岩体强度变化界面节理密集带、断层还是岩性分界面。TSP203地质预报系统存在预报准确性和预报精度方面的问题，需要采用其他预报手段来补充和完善。

数据处理流程见“数据处理流程图”。

前

验证。在TSP203地质预报系统的分析基础上，只能描绘前方围岩断层破碎带的准确位置、围岩完整程度及坚硬程度的大致情况，但不能准确判定含水情况。因此，为了更准确判定断层内的充填物及含水情况，在距

TSP203地质预报系统的分析的破碎带界面30米，用水平钻孔进行超前探测。

超前探孔每循环原则上设3个，钻孔深度不小于60m，两循环之间搭接长度不小于5m。3个探孔中其中一个须采用地质钻机进行取芯，通过对芯样完整程度的分析及钻孔速度的快慢、钻孔出水的清浊及水压，来判断对掌子面前方地质情况，根据钻孔的出水量及水压可判定前方围岩的富水情况及涌水可能性的大小。

采用超前水平钻孔可以最直接的揭示掌子面前方的地质特征，准确率很高。采用长短钻孔相结合，并结合其它探测成果，可取得良好效果。超前水平钻孔采用MK50型地质钻机施工。探孔布置如图4所示。

根据预报及探测的结果，分析判定围岩的级别，决定是否采取预注浆或超前支护、加强支护等措施。

近距离超前探测：即加深炮眼超前探测，利用在隧道开挖工作面上的炮眼钻孔来探测前方围岩的地质情况，在每一循环钻设炮眼时布设3~5个钻孔加深1~3m作为探测孔。

图4 探孔布置示意图

探地雷达

地质雷达探测（Ground Penetrating Radar简称GPR）采用电磁波反射原理探测浅层地层的划分、岩溶、空洞、不均匀体的检测。仪器将发射天线和接收天线集于一体，具有快速、无损、连续检测、实时显示等特点，但在掌子面有水的情况下不宜使用。作为TSP203地质预报系统的补充，在TSP203预报异常点，在确定异常体的规模、性质、危害性有困难时，采用探地雷达作为补充手段，短距离进一步探测前方30m内的地质情况。同时利用探地雷达对隧道洞底和两侧的溶洞发育及岩体破碎情况进行探测。

红外探水

红外探水每20m测量一次。红外探水仪通过接收岩体的红外辐射强度，根据围岩红外辐射场强的变化值来确定掌子面前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体。红外探水有较高的准确率，但是它对水量、水压等重要参数无法预报。

超前防水预测预报：了解掘进前方20～30m范围内，是否存在隐伏水体、是否存在含水破碎带。每次防水超前探测预报需15分钟。

向隧道上方探测、下方探测是确保掘进工程安全不可缺少的一环，其根本原因在于上方或下方都存在承压隐伏水或含水构造，一旦在卸压时地下水水溃入隧道，将会造成重大灾害。

向隧道两壁外侧探测：其目的是了解支承顶板的两个侧壁外缘是否存在空洞，是否存在威胁隧道安全的含水构造。其作用有两个：一是确保当前施工安全，二是确保使用期间不出问题。

防滞后涌水探测：隧道掘进时，虽然当时后方不涌水，但不等于以后不涌水，因为当掘进破坏地层结构后，隧道外围的承压水，将会突破薄弱地段压入卸压区。

根据探测曲线特征判断含水构造或含水体的潜在危害。

红外探水方法：红外探测属非接触探测，在隧道壁上来定探点，是用仪器的激光器在壁上打出一个红色斑点。定好探点后扣动板机，就可在仪器屏幕上读取探测值。具体做法如下：

进入探测地段时，首先沿隧道一个壁，以5m点距用记号笔或油漆标好探测顺序号，一直标到终点，或者标到掘进断面处。

在掘进断面处，首先对断面前方探测，在返回的路径上，每迂回到一个顺序号，就站到隧道中央，分别用仪器的激光器打出的红色光斑使之落到左壁中线位置、顶部中线位置、右壁中线位置、底板中线位置，并扣动仪器板机分别读取探测值，并做好记录。然后转入下一序号点，直至全部探完。

探测数据输入计算机后，由专用软件绘成顶板探测曲线、两壁探测曲线。

常规地质法

超前上导开挖揭示

在Ⅳ级围岩段采用台阶法施工时，上道坑超前下导坑可达到50-100米、通过上导坑的开挖揭示隧道围岩的真实情况，做好掌子面与侧壁的量测和地质素描。主要工作有：对应位置的里程桩号、底层岩性特征、结构面性质与产状及发育程度、岩体破碎程度与充填情况、洞壁变形破坏特征、突泥与坍方部位。方式与规模及其随时间的变化特征。

为了确保上导坑的安全施工，必须辅以TSP203地质预报系统的超前地质探测及预报分析。

洞外实时监测

岩溶水地表排泄点检测包括：天窗、泉点和暗河的水量及动态、水化学与同位素化学变化特征等。

地表河流排泄点检测包括：隧道通过地带上下游河水流量及动态、水化学与同位素化学变化特征等。拟选3～5各控制断面，要求每5～10天检测一次。

大气降水与气温检测：隧道所处地段设3～5各监测控制点，要求每天监测。

根据勘测资料以及超前地质预报工作和实施的洞内外监测所获得的资料，进行综合分析，对隧道内可能发生大规模（高压）涌（突）水突泥的地段施工方案进行设计。超前地质预报流程见图。

岩爆的预测预报

岩爆是地质高应力状态下的应力突然释放。在隧道埋深大的地段进行岩爆预测和采取逐步释放应力等措施，确保隧道施工安全。

①以超前探孔为主，辅以地震波、电磁波、钻孔岩性及钻速测试等手段进行分析预报。结合开挖面附近岩体的观察及地质素描，分析岩石的动态特征。

②从可能发生岩爆的地段采集试件进行X射线粉晶衍射成份分析、岩爆岩断口电镜扫描分析、岩爆岩石力学试验研究（包括在MTS刚性压力机

上进行单轴压缩条件下的应力—应变全过程试验、岩性倾向性指数（wet）测试、卸载条件下岩石变形破裂机制研究等），并根据成果指导后续施工判断岩爆发生的可能性。

③参考有关资料及类比类似条件工程，预测岩爆发生的可能性。

在设计预测的高地温段，每隔50米在边墙上打眼（深度为1米），将应变式温度计装入孔底，采用软木或泡沫塑料封堵好孔口，进行地温实测。当地温超过28度，则要采取喷雾降温措施。

地质复勘与补勘

隧道施工前，根据设计图纸提供的地质资料，对施工现场进行地质复勘，地质复勘的目的是提供线路及周围地段系统的地质资料，并与设计资料进行核对。地质复勘的工作包括取样、检查、地质专家对现场的实地考察。根据地层变形、植物根系、地下水出露情况、岩石构成及其他地质线索，建立地质系统的构造关系，绘制相应的地质构造图。

地质复勘的重点工作对隧道顶附近的陷穴、滑坡、渗水通道、偏压等进行调查。发现异常情况时，根据需要决定是否补勘。

隧道地质超前预报之TSP

TSP由瑞士安伯格公司研发，现有TSP200、TSP202、TSP203、TSP203PLUS四种型号,目前TSP203在国内应用范围最广。 TSP203隧道地质超前预报系统是采用地震勘探原理对隧道未开挖区段地质情况进行超前预报的设备。它是目前隧道超前地质预报中采用的最新的地球物理探测方法，属多波多分量地震探测技术。该技术主要是在隧道已开挖的左边墙或右边墙布设地震激发点和接收点，采用固定接收点、改变激发点的方法采集反射波信号。信号的接收采用高的三分量加速度地震检波器，可以比较准确的确定反射波的空间位置。运用地震勘探原理对所得地震波进行处理分析可以分辨隧道开挖面前方地质体的性质、位置和规模，包括软弱带、含水情况、裂隙发育带、及其影响带等，在地质情况较好时预报深度可达200m左右。

TSP203隧道地质超前预报系统还可以计算出围岩的动态弹性模量、泊松比、、、拉梅常数、纵波速度、纵波横波速度比、密度。结合围岩的、含水、节理发育、结构面等情况可对围岩的类别进行评估。进行TSP203隧道地质超前预报可以为确保隧道安全持续挖进，确定隧道施工工艺，调整支护参数，对前方软弱岩层予以提前支护加固，合理变更设计和施工计划提供依据。

一、TSP203隧道地质超前预报原理

通过爆破激发的地震波在岩石中以球形式传播。地震波遇到岩石界面（波阻抗差异界面，例如裂隙带、断层或岩层变化等），有一部分信号反射而另一部分信号将被透射。经过一定的传播时间后，反射信号将被高灵敏度的三分量加速度地震检波器所接收（地震数据采集）。

二、TSP203隧道地质超前预报操作

（一）、TSP203隧道地质超前预报布孔要求

爆破孔24个孔：

孔距米，米；孔高（距地面）1－米；：向下10°－20°；孔径：38mm（不小于38mm）

传感器孔两个，要求：

孔深（不大于）；倾角：向上5°－10°；距地面高度：1－ m；孔径：42－45 mm（不小于42 mm，不大于50 mm）

最后一个爆炸孔距传感器孔距离：15－20 m

所需材料：

起爆器一个（内装好干电池）；乳化炸药：3kg－4kg；瞬发电30发；卷尺一把（5m钢卷尺和皮尺各一把）注意事项：

1、由于围岩较软，打孔后容易塌孔，需做好保孔工作，如使用PVC管支护。

2、爆炸孔尽量不在电缆线一侧。

3、爆炸孔布在隧道的左右侧均可。

（二）、TSP203隧道地质超前预报数据处理

采集的地震数据，利用TSPwin软件进行处理。TSPwin数据处理流程包括11个主要步骤。处理结果可以提供地震反射层在探测范围内的2D或3D空间分布，以及反应的参数。

通过分析岩层的反射波传播速度，可以将反射信号的传播时间转换为距离（深度），用与隧道轴的交角及隧道面的距离来确定反射层所对应的地质界面的空间位置和规模。

图3 岩层岩性参数及2D分布示意图

根据TSP203输出的岩层岩性参数及2D分布图，结合地震勘探原理及地质学知识即可判断隧道掌子面前方未开挖围岩的岩性、位置和规模，及含水、节理发育、结构面等情况。

TSP203隧道地质超前预报系统还可以输出3D视图，从而能直观地了解岩层的三维分布状况