地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀 
                                                  來(lái)源： 國(guó)土資源情報(bào) 
一、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的實(shí)踐意義
超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)中后期，是工程地質(zhì)的一個(gè)分支，我國(guó)從上個(gè)世紀(jì)70 年代后期逐漸開(kāi)始重視這一方面的研究和應(yīng)用，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所的孫廣忠院士等作了大量的工作。進(jìn)人21 世紀(jì)，伴隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的啟動(dòng)，修建的鐵路、公路將明顯增多。由于隧道長(zhǎng)度、埋深等各方面因素的影響，地質(zhì)條件越趨復(fù)雜，隧道施工中遇到的問(wèn)題也會(huì)相應(yīng)地增多，不可預(yù)料的地質(zhì)災(zāi)害如突泥、突水、塌方等成為困繞工程施工的主要難題。近十幾年來(lái)，隧道施工技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，為了保證在隧道施工時(shí)的安全和高效，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的研究顯得越來(lái)越重要。 
要保證隧道施工的順利進(jìn)行，關(guān)鍵是要預(yù)防隧道施工中的地質(zhì)災(zāi)害。如在施工中的塌方是制約快速施工的*主要因素之一，而斷層、巖溶是隧道隧洞開(kāi)挖過(guò)程中*常見(jiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象，也是引起隧道塌方的“罪魁禍?zhǔn)?rdquo;之一。由斷層及斷層破碎帶、巖溶陷落柱等引起的隧道隧洞塌方占塌方總數(shù)的90％以上。賦存于斷層及破碎帶中的溶洞、暗河、淤泥帶是隧道隧洞突泥突水等地質(zhì)災(zāi)害的*主要根源，斷層破碎帶是誘發(fā)瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出等地質(zhì)災(zāi)害的*主要地質(zhì)因素之一。斷層破碎帶還與巖爆的發(fā)生和產(chǎn)生密切相關(guān)。可以說(shuō)，隧道隧洞施工中發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，幾乎都有斷層、巖溶有關(guān)。 
鑒于斷層破碎帶、巖溶對(duì)隧道施工的巨大影響。因此，進(jìn)行斷層破碎帶、巖溶超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的研究具有極其重要的意義。根據(jù)隧道隧洞開(kāi)挖面前方隱伏斷層及破碎帶、巖溶規(guī)模準(zhǔn)確定位和評(píng)價(jià)，采取準(zhǔn)確而有效的防治工作，不僅可以減少隧道塌方、突泥等災(zāi)害的發(fā)生、加快施工進(jìn)度，而且可以為施工單位節(jié)約大量成本，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。它既可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，又具有廣泛的社會(huì)效益。 
二、主要地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的工作方法和手段 
目前，常用的隧道長(zhǎng)期（長(zhǎng)距離）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法主要有地面地質(zhì)調(diào)查法，斷層參數(shù)預(yù)報(bào)法和TRT 、TSP 、HSP 等儀器探測(cè)方法；常用的隧道短期（短距離）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法主要有掌子面編錄預(yù)測(cè)法，不良地質(zhì)前兆法和地質(zhì)雷達(dá)、紅外線超前探水等儀器探測(cè)法。各種預(yù)報(bào)手段和方法都有其各自的適用范圍和特點(diǎn)，其中TSP 超前探測(cè)是目前預(yù)報(bào)距離*長(zhǎng)、適用范圍*廣、預(yù)報(bào)效果*好的超前預(yù)報(bào)手段和方法。  
1 . TRT 超前探測(cè)技術(shù)  
TRT 層析掃描超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)可采用多種地震源產(chǎn)生沿隧道和采礦口傳播的信號(hào)，這些信號(hào)在巖體性質(zhì)發(fā)生改變的地方反射，被用來(lái)描述隧道和采礦口前方及其周圍的三維結(jié)構(gòu)圖。TRT6000 層析掃描超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)是用來(lái)指導(dǎo)隧道施工、地層繪圖、采礦、地下水文和地質(zhì)測(cè)量、填埋物的描繪和定位、判斷地下危險(xiǎn)物移動(dòng)的新一代超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，它采用了業(yè)界獨(dú)有的層析掃描成像及用捶擊產(chǎn)生地震波的技術(shù)，從而提高了數(shù)據(jù)采集效率、降低了操作難度而且使圖像更易于理解，更有利于缺陷診斷。TRT60OO 超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)是一個(gè)優(yōu)化的、由硬件和軟件組成的測(cè)量系統(tǒng)。  
TRT6000 在美國(guó)、歐洲、日本、新西蘭、澳大利亞等國(guó)家獲得廣闊的市場(chǎng)，目前在中國(guó)的中鐵十四局及五礦集團(tuán)得到應(yīng)用，并獲得用戶高度評(píng)價(jià)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：  
① TRT6000 超前預(yù)報(bào)使用錘擊作為的震源，可重復(fù)利用，不需要耗材，而使用炸藥爆炸作為震源每次需要相當(dāng)費(fèi)用。  
②使用錘擊作為震源，可在同一點(diǎn)作多次錘擊，通過(guò)信號(hào)疊加，使異常體反射信號(hào)更加明顯。 
③用錘擊作為震源克服了爆炸產(chǎn)生的高能量對(duì)周圍巖體產(chǎn)生擠壓、破壞現(xiàn)象，從而保證能接收到真實(shí)的地震波信號(hào)。  
④由人控制錘擊產(chǎn)生地震波、可簡(jiǎn)單重復(fù)，操作簡(jiǎn)單，而爆炸產(chǎn)生地震波時(shí)高頻信號(hào)迅速衰減，對(duì)操作人員的要求比較高。  
⑤TRT6000 采用高精度的加速計(jì)作為傳感器，靈敏度高（0.5v/g ) ，*大程度地保留了高頻信號(hào)，提高了精度及探測(cè)距離（硬質(zhì)巖中為300 米，軟質(zhì)巖中為 150 米），而其他儀器使用的是速度傳感器，靈敏度為 ( 1v/g ) ，容易損失高頻信號(hào)。  
⑥傳感器和地震波采集、處理器之間采用無(wú)線連接，大大簡(jiǎn)化了裝備（只有兩個(gè)箱子，尺寸見(jiàn)設(shè)備配置）兩個(gè)箱子的重量?jī)H為29Kg ，攜帶方便。 
⑦TRT6000 的傳感器布點(diǎn)采用立體布點(diǎn)方式，在隧道兩邊分別布置4 個(gè)傳感器，然后在隧道頂上布置兩個(gè)傳感器，從而獲得真實(shí)的三維立體圖，直觀的再現(xiàn)了異常體的位置、形態(tài)、大小。而其他儀器一般在左右邊墻各布置一個(gè)地震波信息接收器接收地震波，這樣的布置方式只能獲得異常體的位置信息，而不能獲得形狀、大小等信息，同時(shí)對(duì)于大角度斜交隧道的裂隙可能沒(méi)有反映。 
⑧TRT6000 還采用了層析掃描的圖像處理方式，繪制三維視圖，并可以從多個(gè)角度觀察缺陷，使得圖像更加清晰，易于理解，從而更加輕松地進(jìn)行缺陷診斷。 
⑨TRT6000 能描繪到隧道水平和垂直方向的所有異物。而其他儀器用于描繪幾乎垂直于隧道的充滿空氣或水的裂隙，而且只能描繪靠近的垂直裂隙，不能描繪稍遠(yuǎn)距離的第二或第三裂隙（尤其是充氣裂隙）。對(duì)于斜交隧道（由其是大角度斜交隧道）的裂隙可能沒(méi)有反映。對(duì)于所描繪的傾斜裂隙，會(huì)低估它們的距離。 
2 . TSP 超前探測(cè)技術(shù)  
TSP ( Tunnel SeismiC Prediction ）是瑞士安伯格測(cè)量技術(shù)公司于20 世紀(jì)90 年代初期開(kāi)發(fā)研制的一套超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)備，該系統(tǒng)采用地震波反射原理，能長(zhǎng)距離地預(yù)報(bào)隧道施工前方的地質(zhì)變化，如斷層破碎帶和其它不良地質(zhì)帶，其準(zhǔn)確預(yù)報(bào)范圍為掌子面前方100一150m�，F(xiàn)如今TSP 超前地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)在瑞士、德國(guó)、法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的隧道施工中，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在采用TBM 施工時(shí)，利用TSP 進(jìn)行超前探測(cè)地質(zhì)情況，更是在隧道施工過(guò)程中不可缺少的工序。  
1996 年，我國(guó)鐵道部隧道工程局首次引進(jìn)TSP202 應(yīng)用于深圳中東部供水水源隧道、梅坎鐵路松南隧道、內(nèi)昆線閘上隧道、朱嘎隧道等。近年來(lái)，TsP 技術(shù)也越來(lái)越得到中國(guó)的工程技術(shù)人員廣泛認(rèn)同，并成功地應(yīng)用于秦嶺鐵路隧道、株六鐵路復(fù)線、渝懷鐵路部分隧道工程、青海公伯峽水電站導(dǎo)流洞、云南元墨高速公路以及山西雁門關(guān)公路隧道等幾十個(gè)工程中。在工程的施工實(shí)踐中也發(fā)揮了重要作用。 
TSP 探測(cè)技術(shù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了TSP202 和TSP203 兩代產(chǎn)品。與*代產(chǎn)品TSP202 相比，TSP203 在硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等方面都作了很大的改進(jìn)，其軟件編程除了考慮了于WindowS 視窗的兼容性之外，還特別強(qiáng)調(diào)了軟件的智能化和評(píng)估結(jié)果輸出的靈活性，使探測(cè)工作更加靈活、便捷。對(duì)TSP202 和TSP203測(cè)量系統(tǒng)的主要特征和配置作了比較。 
3 . TGP 超前預(yù)報(bào)系統(tǒng) 
這也是地震反射波技術(shù)的一種應(yīng)用，猶如光波在鏡面發(fā)生反射一樣，巖體中傳播的地震波在斷層構(gòu)造破碎帶、不同巖性接觸帶、軟弱巖層帶、以及巖溶發(fā)育帶等界面發(fā)生反射、繞射和散射，發(fā)生波型變換、衰減、干涉等現(xiàn)象，本系統(tǒng)詳細(xì)分析解譯這些地質(zhì)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述不良地質(zhì)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。 
隧道內(nèi)地震波的傳播環(huán)境為三維條件，設(shè)想在六面是鏡面的空間內(nèi)你的圖像將會(huì)如何？隧道內(nèi)的反射波傳播遠(yuǎn)比地面復(fù)雜。需要采用全波列震相分析、偏振歸位與空間歸位等多項(xiàng)新處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)界面成像。采集與控制的電路安裝在防靜電、防電磁干擾、防水的美國(guó)進(jìn)口精密儀器箱體，TGP 超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用三分量精密高保真的接收傳感器，采取彈性波偏移歸位、極化偏振、和空間等相關(guān)技術(shù)提取地質(zhì)信息，通過(guò)分析反射點(diǎn)的分布形態(tài)判斷地質(zhì)病害的類型；通過(guò)縱、橫波資料的差異性，分析地質(zhì)病害的性質(zhì)；結(jié)合隧道施工地質(zhì)調(diào)查，總結(jié)規(guī)律，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。 
除了上述三種方法外，在實(shí)際的工作中，為了增加地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的精度，還有下列一些輔助性的手段：  
（l ）地質(zhì)雷達(dá)法 
探地雷達(dá)法也叫地質(zhì)雷達(dá)法，簡(jiǎn)稱 GPR ( Ground Penetrating Rada）。該方法利用發(fā)射天線將高頻電磁  波以脈沖形式由隧道掌子面發(fā)射至地層中，經(jīng)地層界面反射返回隧道掌子面，由另一天線接收回波信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)對(duì)接收的回波信號(hào)進(jìn)行處理、分析解釋，達(dá)到對(duì)短距離進(jìn)行超前預(yù)報(bào)的目的。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)大量地應(yīng)用在隧道超前預(yù)報(bào)、工程場(chǎng)地勘查、地下管網(wǎng)探測(cè)、工程質(zhì)量檢測(cè)、金屬礦化代勘查、地表水資源調(diào)查甚至考古探查當(dāng)中，取得了令人滿意的效果。  
( 2 ）水平聲波剖面法（HSP)  
水平聲波剖面法簡(jiǎn)稱 HsP ( Horizontal Sonic ProfileS) ，該方法是地震波反射法的一種。探測(cè)時(shí)不占用掌子面，將發(fā)射源和接收換能器布設(shè)在隧道兩側(cè)的淺孔內(nèi)，發(fā)射、接收位置均在平行于隧道底面的同一水平面上，即構(gòu)成一“水平聲波剖面”。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)反射界面傾角沒(méi)有限制，測(cè)點(diǎn)所接收的反射波路徑相等，因此反射波組合形態(tài)與反射界面形態(tài)基本相同，通常是直達(dá)波呈雙曲線形態(tài)，反射波呈直線形態(tài)，圖像直觀。 
( 3 ）陸地聲納法 
陸地聲納法（Land Sonar） 
也叫高頻地震波反射法，該方法是鐘世航教授1992 年提出的，其實(shí)質(zhì)是垂直地震反射法。它采用極小偏移距、錘擊激發(fā)、高頻超寬帶接收反射彈性波進(jìn)行連續(xù)剖面探測(cè)。  
( 4 ）紅外探水法 
紅外探測(cè)法（Infrared Detection）是利用地下水的活動(dòng)會(huì)引起巖體紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)的變化，紅外探水儀通過(guò)接收巖體紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)，根據(jù)圍巖紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)的變化幅值來(lái)確定隧道掌子面前方或洞壁四周是否有隱伏的含水體。  
( 5 ）超前鉆探法 
超前鉆探法（Advance BoreholeS）是運(yùn)用鉆孔臺(tái)車從隧道掌子面向前打孔時(shí)鉆進(jìn)速度的變化，并結(jié)合巖粉和泥漿顏色來(lái)預(yù)測(cè)打孔深度范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。該方法能*直接地揭示隧道掌子面前方的地質(zhì)特征，所以準(zhǔn)確率很高。此法如果輔以數(shù)碼成像、鉆孔聲波測(cè)試，還可對(duì)孔內(nèi)及掌子面地質(zhì)情況進(jìn)行攝影成像并獲取巖石波速，這樣不僅有利于完成掌子面地質(zhì)素描、地質(zhì)展布圖，而且有利于對(duì)導(dǎo)洞進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)等。 
( 6 ）超前平導(dǎo)法 
超前平導(dǎo)法也稱超前導(dǎo)坑法（Advanced Tunnels) , 它是在隧道中線附近利用平行導(dǎo)坑先期貫通一個(gè)綜合性地質(zhì)探洞，以便對(duì)主洞作出直觀、精確的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，同時(shí)還可為主洞施工提供輸水、排水、施工通風(fēng)、施工運(yùn)輸?shù)姆奖銞l件。 
三、結(jié)語(yǔ) 
總之，通過(guò)地質(zhì)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，減少隧道施工過(guò)程中的盲目性，避免隧道施工過(guò)程中可能誘發(fā)的重大的不良地質(zhì)或?yàn)?zāi)害地質(zhì)的發(fā)生，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果，實(shí)施動(dòng)態(tài)信息的施工方法，及時(shí)調(diào)整或修正圍巖分級(jí)、設(shè)計(jì)參數(shù)及施工方法，正確指導(dǎo)施工，使施工快速、安全、經(jīng)濟(jì)、合理。同時(shí)，通過(guò)地質(zhì)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，總結(jié)出有關(guān)隧道在通過(guò)巖溶水、軟巖、高地應(yīng)力、斷層等重大災(zāi)害地質(zhì)問(wèn)題地段的一套行之有效的地質(zhì)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法及其施工方案，隨著超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的技術(shù)和設(shè)備的不斷更新，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣，多種手段、多種方法的互相融合、互相印證，使得超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平會(huì)越來(lái)越高、精度越來(lái)越高，理論研究越來(lái)越深人，并逐漸成為工程地質(zhì)學(xué)的一個(gè)重要組成部分。