隧道隧洞超前地质预报

刘志刚，俄罗斯自然科学院院士，中国TSP技术领头人。石家庄铁道大学教授、博士生导师，江苏交通科学院副总工程师。

刘教授于1966年吉林大学地球科学学院地质学专业本科毕业，1981年吉林大学地球科学学院地质力学专业硕士研究生毕业并获理学硕士学位，1988年中国地质科学院研究生部地质力学专业博士研究生毕业并获理学博士学位；1986年任辽宁工程技术大学副教授、地质教研室主任，1993年任辽宁工程技术大学教授、资源勘查系主任，1995年获国务院颁发的国家政府特殊津贴，1996年被遴选为俄罗斯自然科学院院士，1997年任石家庄铁道大学教授、学术带头人、桥隧地质技术研究所所长，2000年被聘为中国地质科学院博士研究生导师，2005年被瑞士AMBERG特别授予“中国TSP超前地质预报技术领头人”称号。

刘教授长期从事我国著名科学家李四光先生开创的地质力学理论研究和应用研究，其中包括断层多期活动理论研究，矿床、煤田预测和矿井中小构造预测预报研究；当前主要从事隧道隧洞超前地质预报和施工地质灾害防治方面研究。

第一篇 基础知识

第一章 地质基础

第一节 矿物岩石学基础

第二节 地层地史学基础

第三节 构造地质学基础

第四节 地质力学基础

第五节 地应力学基础

第六节 煤田矿井地质基础

第七节 水文地质基础

第八节 工程地质基础

第二章 物探基础

第一节 震波探测基础

第二节 雷达探测基础

第三节 红外探测基础

第二篇 地质理论

第三章 断层破碎带理论

第一节 断层破碎带的概念和分类

第二节 断层的成生机制

第三节 断层的成因特征

第四节 断层破碎带的稳定性

第五节 断层破碎带的控水与导水

第六节 断层破碎带的方向性

第七节 断层破碎带研究实例

第四章 断层影响带理论

第一节 断层影响带的概念及划分

第二节 断层影响带与隧道断层超前预报

第三节 LiuZhigan9公式

第五章 地下岩溶理论

第一节 地下岩溶发育的基本条件

第二节 地下岩溶发育的一般规律

第三节 地下岩溶的类型与成生机制

第四节 地下岩溶的成因特征与鉴别

第六章 岩爆与冲击地压理论

第一节 岩爆

第二节 冲击地压

第七章 瓦斯地质理论

第一节 决定瓦斯含量的地质因素

第二节 瓦斯涌出

第三节 煤与瓦斯突出

第八章 围岩稳定与分级理论

第一节 围岩压力与围岩失稳

第二节 影响围岩稳定的地质因素

第三节 围岩稳定与级别评价

第三篇预报技术

第九章 技术路线概述

第一节 地质分析与宏观预报

第二节 长期超前地质预报

第三节 短期超前地质预报

第四节 超前钻探

第五节 地质灾害临近警报

第十章 地面地质调查和投射技术

第一节 地质测绘技术

第二节 隧道隧洞地质复查技术

第三节 地面地质体投射技术

第十一章 地质分析技术

第一节 地质分析在超前地质预报中的作用

第二节 地质分析的对象和资料

第三节 地质分析的流程"para" label-module="para">

第四节 厦门海底隧道地质分析实例

第五节 武吉昌坊岩溶隧道地质分析实例

第十二章 探测解译技术

第一节 的基本原理与测量原理

第二节 TSP的系统组成

第三节 TSP探测技术

第四节 TSP-202成果解译技术

第五节 TSP-203系列成果解译技术

第十三章 断层参数预测法预报技术

第一节 断层参数预测法的关键技术

第二节 断层参数预测法的方法和步骤

第三节 断层参数预测法的应用实例

第十四章 短期超前地质预报技术简介

第一节 地质雷达探测解译技术

第二节 红外探水技术

第三节 地质素描法预报技术

第四节 不良地质前兆法预报技术

第十五章 超前钻探和地质灾害临近警报技术

第一节 超前钻探

第二节 地质灾害临近警报

参考文献

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全书分为三篇，共计十五章。《隧道隧洞超前地质预报》是从事隧道隧洞和其他地下工程施工的经理、监理人员和工程技术人员，特别是施工地质和超前地质预报工程技术人员重要的工具书;也是大中专院校土木工程、地下工程、地质工程、岩土工程的师生和科研、设计单位相关专业的工程技术人员很好的参考书。

隧道超前地质预报直接预报法

5.1.1 水平钻孔

在隧洞内安放水平钻机进行水平钻进，根据钻孔资料来推断隧洞前方的地质情况。钻孔数量、角度及钻孔深度可人为设计和控制。由钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉及遇到的其它情况来预报。此法可以反映岩体的大概情况，比较直观，施工人员可根据实际地质情况进行下步施工组织。

水平钻孔主要布置在开挖面及其附近，既可在超前导洞内布置钻孔，也可在主洞工作面上进行钻探，用以获得准确可靠的地质资料，确保施工组织。该法可获得工作面前方一定距离的岩芯，也可由钻孔出水情况判断前方有无地下水和前方何处有地下水，从而可以得到开挖面前方的地质情况。该法是施工预报最有效方法之一，但也存在不足之处：①对垂直隧洞轴线的地质结构面预报效果较好，与隧洞轴线平行的结构面预报较差；②需占用较长的施工作业时间，费用较高。

5.1.2 超前导坑

按导坑与正洞的相互位置分为平行导坑和正洞导坑。其中，平行导坑与正洞平行，断面小且和正洞之间有一定距离，通过对导坑开挖中遇到的构造、结构面或地下水等情况作地质记录与分析，进而对正洞地质条件进行预报。该法的优点是：预报成果比较直观、精度高、预报的距离长、便于施工人员安排施工计划和调整施工方案，还可以起到减压放水、改善通风条件和探明地质构造条件的作用，同时，还可用作排除地下水、断层注浆处理、扩建成第二条隧洞之用。正洞导坑布置在正洞中，是正洞的一部分，其作用与平行导坑相比，效果更好。超前导坑的缺陷为：一是成本太高，有时需要全洞进行平导开挖；二是施工工期较长。

隧道超前地质预报地质分析法

5.2.1 断层参数预测法

利用断层影响带的特殊节理或集中带的分布规律，通过对断层影响带的系统编录所得经验公式，来预报隧洞断层破碎带的位置和规模。由于大多数不良地质现象与断层破碎带有密切的关系，故依据断层破碎带推断其它不良地质体的位置和规模。

5.2.2 地质体投射法

在地表准确鉴别不良地质体的性质、位置、规模和岩体质量及精确测定不良地质体产状的基础上，应用地质界面和地质体透射公式进行预报。

5.2.3 正洞地质编录与预报

隧洞施工中，及时对其开挖面(掌子面、边墙面和拱顶面)上的各种地质现象进行测绘和记录，利用已挖洞段地质情况来预报前方可能出现的不良地质现象。它分为①岩层岩性和层位预测法：在开挖面揭露岩层与地表某段岩层为同层和确认标志层的前提下，用地表岩层的层序预测掌子面前方将要出现的岩层；②地质体延伸预测法：在长期预报得出不良地质体厚度的基础上，依据开挖面不良地质体的产状和单壁始见位置，经过一系列的三角函数运算，求得条带状不良地质体在隧洞掌子面前方消失的距离。

该法是对开挖面地质情况如实而准确的反映。其主要内容包括地层岩性、构造和节理裂隙发育情况、地下水状态、围岩稳定性及初期支护采用方法等。其优点是占用施工时间很短，设备简单，不干扰施工，成果快速，预报效果较好，而且为整个隧洞提供了完整的地质资料；缺点是与隧洞夹角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报。

隧道超前地质预报物探法

5.3.1 弹性波法

5.3.1.1 TSP超前预报技术

TSP(Tunnel Seismic Prediction)超前预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧洞掌子面前方及周围临近区域的地质情况。该法属多波多分量探测技术，可以检测出掌子面前方岩性的变化，如不规则体、不连续面、断层和破碎带等。它可以在钻爆法或TBM开挖的隧洞中使用，而不必接近掌子面。数据采集时在隧洞一边侧墙等间隔钻制20余个炮孔，而在两侧壁钻取2个检波器孔，使检波器置入套管中，依次激发各炮，从掌子面前方任一波阻抗差异界面反射的信号及直达波信号将被2个三分量检波器接收，该过程所需时间约1小时。然后利用TSPwin软件处理可得P波和S波波场分布规律，其分析过程为：数据调整→带通滤波→首波拾取→拾取处理→炮能量平衡→直达波损耗系数Q估算→反射波提取→P波、S波分离→速度分析→纵向深度位置搜索→反射界面提取等，最终显示掌子面前方与隧道轴线相交的反射同相轴及其地质解译的二维或三维成果图。由相应密度值，可算出预报区内岩体物理力学参数，进而可划分该区围岩工程类别。实践表明该法有效预报距离100～200m。

通过分析反射波速度，即可进行时深转换，由隧洞轴的交角及洞面的距离来确定反射层所对应界面的空间位置和规模，再结合P波和S波的动力学特征，遵循以下原则来推断地质体的性质：①正反射振幅表明进入硬岩层，负反射振幅表明进入软岩层；②若S波反射较P波强，则表明岩层饱水；③Vp/Vs增大或泊松比突然增大，常常由于流体的存在而引起；④若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。

TSP超前预报技术作为一种比较先进的探测手段已在我国水利、水电、铁路、公路、煤炭等系统的各类隧洞或地下洞室工程中得到应用，如正在建设中的宜万铁路野三关隧洞、辽宁大伙房水库引水隧洞、云南元磨高速公路的大风垭口和布垅箐隧洞等工程。它具有预报距离相对较长、精度较高、提交资料及时、经济等优点，尤其与隧洞轴线或呈大角度相交的面状软弱带，如断层、破碎带、软弱夹层、地下洞穴（含溶洞）以及地层的分界面等效果较好。而对不规则形态的地质缺陷或与隧洞轴线平行的不良地质体，如几何形状为圆柱体或圆锥体的溶洞、暗河及含水情况探测有一定的局限性。

5.3.1.2 地震负视速度法

它是将地震勘探中VSP法应用于近水平的隧洞中，也是利用地震反射波特征来预报隧洞开挖面附近围岩的地质情况。在侧壁的一定范围内布置激震点进行激发，其振动信号在隧洞围岩内传播，当岩层波阻抗发生变化时，地震波信号将部分返回。反射界面与测线直立正交时，所接收的反射波与直达波在记录图像呈负视速度，其延长线与直达波延长线的交点即为反射界面的位置，纵、横波共同分析还可了解反射界面两侧岩性及软硬程度的变化。该法具有明显的方向特征，可有效区分掌子面前方反射信号与周围干扰信息，提高了识别物性界面的精确度，能对其进行较为准确的定位，预报距离可达100m以上。

观测时在已开挖洞段的侧壁或底部布设，距掌子面一定距离布设一激震点和一系列接收点，采用多炮共道或多道共炮。当偏重于运动学特征参数的应用时共炮与共道两种记录方式可任意选用；当要求测试设备简化与强调接收条件一致性时，宜采用多炮共道式；当强调动力学参数的对比利用时，则宜选用多道共炮方式。为获取“负视速度”，震源应在预报目的体的远端，接收点间距采用小道间距，多道接收。根据需要与设备条件，可采用单分量、三分量或组合检波器。

负视速度法的原理与TSP法基本相同，只是数据处理软件的开发尚难赶上TSP法。此法在实施预报时不占用开挖工作面，对施工干扰相对较小，在铁路隧洞工程中是常用的预报方法之一，如在渝怀铁路圆梁山隧道正洞、平导和迂回导坑以及朔黄铁路长梁山隧洞施工中，均采用了负视速度法，取得了较好的预报效果。

5.3.1.3 TST超前预报技术

TST(Tunnel Seismic Tomography)超前预报系统是通过可视化地震反射成像技术预报隧洞掌子面前方150m-200m范围内的地质情况，可准确预报断裂带、破碎带、岩溶发育带以及岩体工程类别变化等地质对象的位置、规模和性质。该法数据采集用多道高精度地震仪，处理软件为逆散射合成孔径成像系统。它充分运用地震反射波、散射波的运动学和动力学特征，具有方向滤波功能、岩体波速扫描、地质构造方向扫描、速度偏移成像、吸收系数成像、走时反演成像等多种功能，从岩体的力学性质、岩体完整性等多方面对地质情况进行综合预报。

测试时可在隧洞内掌子面、两侧、上顶和下底面，也可在隧洞外山顶布置。洞内观测时检波器埋入岩体1.5～2m，以避免声波和面波干扰。可采用爆炸或可控震源激发地震波。

TST软件包括地震数据预处理、方向滤波、偏移成像、速度扫描四大模块。预处理功能包括：①噪声和干扰切除；②滤波和面波清除；③小波分析与信号加强；④地震波能量吸收谱分析；⑤地震波走时拾取。偏移成像功能包括：①速度扫描分析与岩体工程类别判别；②方向扫描与构造产状分析；③地质界面速度偏移成像；④岩体完整性吸收偏移成像；⑤地震波走时地质界面反演成像；⑥断裂与破碎带智能识别；

该技术在全内外公路隧道、铁路隧道、TBM引水隧洞等广泛应用，取得了良好的效果。尤其在云南、贵州等岩溶分布区应用取得了非常好的效果，所得成果为：①岩溶、采空区等孤立地质体的界定；②结合速度扫描和偏移成像判断地质灾害；③推进了散射合成孔径成像技术的发展；

5.3.1.4 水平声波剖面法(HSP)

它利用孔间地震剖面法(ABSP)的原理及相应软件开发的一种超前预报方法。其原理是向岩体中辐射一定频率的高频地震波，当地震波遇到波阻抗分界面时，将发生折射、反射，频谱特征也将发生变化，通过探测反射信号(接收频率为声波频段的地震波)，求得其传播特征后，便可了解工作面前方的岩体特征。震源和检波器的布置除离开开挖面对施工干扰较小外，还因反射波位于直达波、面波延续相位之外而不受干扰，因此记录清晰、信噪比高、反射波同相轴明显。

观测时在隧洞的两个侧壁分别布设震源和检波器，按其相对位置设计成两种观测方式即固定激发点(或接收点)和激发与接收点相错斜交方式。震源在预报目的体的远端，接收点间距采用小道间距，多道接收，构成“水平声波剖面”。利用时差和频差与地质相结合的方法确定反射面的空间方位并“投影”到该剖面上，从而确定反射面的空间位置及性质。其特点是各检测点所接收的反射波路径相等，反射波组合形态与反射界面形态相同，图像直观，同时观测时也不影响掌子面的掘进。

该法已在工程中得到应用，如渝怀铁路的圆梁山隧洞、千溪沟隧洞等，均取得了较好效果。该法数据采集单元和现场实测过程进行了较大的改进，可以在开敞式TBM法施工的隧洞中掘进机不停的情况下进行测试，因而具有较大的优越性，但尚处于研制和初步应用阶段，例如在辽宁大伙房引水工程TBM2隧洞中进行试验。

5.3.1.5 TRT真地震反射成像技术

TRT(True Reflection Tomography)真地震反射成像法是利用岩体中不均匀面的反射地震波进行超前探测，它是美国NSA工程公司开发的新方法，国外已实际应用。该法在观测方式和资料处理方法上与TSP法及负视速度法均有很大不同，它采用空间多点激发和接收的观测方式，其检波点和激发点呈空间分布，以便充分获得空间场波信息，从而使前方不良地质现象的定位精度大大提高；它的数据处理关键技术是速度扫描和偏移成像，不需要走时，因此，对岩体中反射界面位置的确定、岩体波速和工程类别的划分都有较高的精度，而且还具有较大的探测距离，应该说较TSP法有较大的改进。由实际应用知，TRT法在结晶岩体中的探测距离可达100～150m，在软弱的土层和破碎的岩体中尚可预报60～100m。该法成功应用的例子很多，较典型的是奥地利的通过阿尔卑斯山的铁路双线隧洞施工中进行了全程的超前预报。由于多种因素，目前国内尚未引进该技术。

5.3.1.6 陆地声纳法

陆地声纳法是“陆上极小偏移距高频弹性波反射连续剖面法”的简称，可在狭小的场地和基岩裸露的条件下，探查中小溶洞、中，小断层（断裂）等地质施工隐患。它是弹性波反射法中的一个新品种，于1991年实现并推出，经20年长期而艰难的发展，在隧道施工超前地质预报和地面浅层高分辨率勘查、工程质量检测等方面的使用中表现了它的优点与特长。它应用地震反射法的原理，吸收了探地雷达，水声法的一些元素；为解决它的一些关键性的问题，又采用了其他领域的技术，例如计算技术，测震领域的技术等，使它逐渐丰满成熟。是中国地球物理勘探界具有原创性发明的有自主知识产权的新技术之一。施测时采用极小偏移距地震波激发—接收系统，进行单点测量或在激震点两侧对称位置上各设一检波器，一次激发两道接收。然后将各测点的时间曲线拼成时间剖面根据同相轴和频谱解释圈定断层、大节理、岩层分界面、岩脉、涌水层、溶洞等不良地质体 。陆地声纳法能够无畸变的接收10-4000Hz的弹性波信号。由于可采集很宽频率的反射信号，故可以用分窗口带通滤波的方法处理资料，分别提取不同频谱的信息，以突出不同规模的探查对象的反射图像。能够对隧道掌子面前方150米远的进行精细物探，可给出探查范围内的中、小溶洞、中、小断层（断裂）、交叉断层及倾角、倾向；该法具有分辨率高、可避开许多干扰波、反射波能量高、探查岩溶和洞穴效果好、图像简单易辨等优点。在外业工作时，不打孔，不放炮，可以在隧道施工工序间隔工作，不影响隧道施工，且速度快，工作效率高。

此法已在110余个工程中成功应用。同时它通过了中国岩石力学与工程学会的技术鉴定，陆地声纳法已被纳入国家行业标准三部。2012年荣获中国岩石力学与工程学会科学技术发明奖一等奖 。2014年荣获北京市科学技术二等奖 。

5.3.1.7 面波法

分为稳态法和瞬态法。稳态法在掌子面上放置一个激振器，用计算机控制激振器使其产生各种不同波长的波面，用两个拾振器同时接到不同方向的振动波，由计算机算出每一种波长的面波传播速度，根据面波的勘测深度等于波长的二分之一的原理，即可得到一组不同深度的面波平均速度的分布规律，不同介质面波的传播速度不同。从不同面波速度分布图，就可以反应出地质构造的不同介面，如断层、地下水等特性变化。瞬态法由于排列长度的关系未见实际应用的报道。

此法需要的场地较小，适合在地下洞室开挖面上工作，探测深度也能满足施工预报的要求，对资料的分析判断可在现场进行，操作简便。已在南岭隧洞中应用，很清楚地发现距工作面几米处的断层破碎带。但该法在开挖面上能探测多远的距离，尚需进一步实验研究。

5.3.2 地质雷达技术

利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面通过发射天线向前发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。当前方岩体完整的情况下，可以预报30m的距离；当岩石不完整或存在构造的条件下，预报距离变小，甚至小于10m。雷达探测的效果主要取决于不同介质的电性差异，即介电常数，若介质之间的介电常数差异大，则探测效果就好。由于该法对空洞、水体等的反映较灵敏，因而在岩溶地区用得较普遍。缺点是洞内测试时，由于受干扰因素较多，往往造成假的异常，形成误判。此外它预报的距离有限，一般以不超过30m，且要占用掌子面的工作时间。

应用地质雷达进行超前预报，在钻爆法施工的隧洞中使用相对较多，如太平驿水电站引水隧洞、海南高速公路东线大茅隧洞等工程中应用，均取得了较好的应用效果。由于探测时需要占用掌子面的工作时间，故在掌子面上测试时需要停机进行，因而TBM法施工的隧洞中应用时需作特殊研究解决。

5.3.3 红外探水法

由于所有物体都发射出不可见的红外线能量，该能量大小与物体的发射率成正比。而发射率的大小取决于物体的物质和它的表面状况。当掌子面前方及周边介质单一时，所测得的红外场为正常场，当存在隐伏含水构造或有水时，他们所产生的场强要叠加到正常场上，从而使正常场产生畸变。据此判断掌子面前方一定范围内有无含水构造。

现场测试有两种方法：一是在掌子面上，分上、中、下及左、中、右六条测线的交点测取9个数据，根据这9个数据之间的最大差值来判断是否有水；二是在已挖洞段按左边墙、拱部、右边墙的顺序进行测试，每5m或3m测取一组数据，共测取50m或30m，并绘制相应的红外辐射曲线，根据曲线的趋势判断前方有无含水。

掌子面上9个数据的最大差值大于10μw/cm2，就可以判定有水；红外辐射曲线上升或下降均可以判定有水，其他情况判定无水。红外探测的特点是可以实现对隧洞全空间、全方位的探测，仪器操作简单，能预测到隧洞外围空间及掘进前方30m范围内是否存在隐伏水体或含水构造，而且可利用施工间歇期测试，基本不占用施工时间。但这种方法只能确定有无水，至于水量大小、赋水形态、具体位置没有定量解释。

5.3.4 BEAM法

BEAM(Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring)，这是当前国际上唯一的一种电法超前预报方法，是由德国GEOHYDRAULIC DATA公司推出的产品。它是一种聚焦电流频率域的激发极化方法，其最大特点是通过外围的环状电极发射一个屏障电流和在内部发射一个测量电流，以便电流聚焦进入要探测的岩体中，通过得到一个与岩体中孔隙有关的电能储存能力的参数PFE(Percentage frequency effect)的变化，预报前方岩体的完整性和含水性；它的另一个特点是所有的装置都安装在盾构挖掘机的刀头(测量电极)和外侧钢环(屏蔽电流)上，也可装在钻爆法施工钻头的前方(测量电极)及两侧钢架(屏蔽电流)上，随着隧洞掘进，连续不断获得成果，并适时处理得出掌子面前方的PFE曲线。由此预报前方岩体的性状及含水情况。这种仪器在欧洲许多国家都已得到应用，但在我国尚未引进。

隧道超前地质预报综合分析法

要推动隧洞超前预报水平，提高预报准确度，就必须将地质调查方法与多种物探方法有机结合起来，对地质物探资料进行系统处理和综合分析。其工作方法和主要内容为：

⑴ 收集、熟悉地质资料：了解工程区内宏观的地质环境、大型构造形迹的发育分布规律以及工程围岩所处的具体构造部位、岩体的结构特征、节理裂隙发育程度、岩体完整性、岩石(体)强度、地下水状态等；掌握全隧洞的地质背景，指出存在的不良地质问题和地段，还要知道各段围岩的稳定程度、可能发生地质灾害的位置、规模、性质和防治措施，目的在于保证隧洞施工设计、施工方法和措施能顺应地质情况的变化适时做出调整和修改。

⑵ 施工地质编录：对已开挖洞段地质状态作详细真实的描述，可作为超前预报的依据，该内容包括岩性、岩石坚硬程度及完整情况、断层及破碎带、节理裂隙、地下水状态、不良地质现象等作编录。

⑶ 围岩特性测试：根据工程需要，对岩石物理力学特性进行补充测试，如岩石点荷载强度、岩石回弹值、岩体弹性模量、软弱面剪切强度等，有时还应进行初始地应力和二次应力场的测试等。上述数据是预报围岩稳定性的重要参数。

⑷ 地球物理探测：根据岩体不同物理性质量测一定距离以内的物理力学参数的变化，据此判断出隧洞工作面前方的地质情况。采用多种物探仪器进行超前探测，常用的物探方法有地震反射、声波反射、地质雷达、TSP203隧道超前地质预报系统等技术。

⑸ 地质物探综合分析：组成以地质工程师为主物探及相关工程技术人员的施工地质组，对上述地质和物理探测资料进行整理和综合分析，最后做出施工面前方不良地质问题的预测预报。