隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)由來已久，英、法、德等國家均將此列為隧道工程建設(shè)的重要研究內(nèi)容。在我國，自根據(jù)礦巷施工進(jìn)度和掌子面地質(zhì)性狀作出的礦巷前方將遇到斷層并將引發(fā)塌方的成功預(yù)報(bào)開始，隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的研究和應(yīng)用已經(jīng)展開。隨著隧道施工技術(shù)的提高，對(duì)隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)提出了更高的要求。受地質(zhì)勘察精度、經(jīng)費(fèi)等條件的限制，設(shè)計(jì)與實(shí)際不符的情況屢有發(fā)生。通過地質(zhì)超前預(yù)報(bào)及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀、類型及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性，從而為隧道施工單位優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，為預(yù)防隧道突水、突泥、突氣等可能形成的災(zāi)害性事故及時(shí)提供信息，使工程單位提前做好施工準(zhǔn)備；通過預(yù)報(bào)可以了解掌子面前方短距離內(nèi)的工程地質(zhì)條件及圍巖類別，為施工單位正確選擇開挖斷面、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和施工方法提供依據(jù)。所以隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)對(duì)于安全科學(xué)施工，提高施工效率，縮短施工周期，避免事故損失，具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 隧道工程概況

    太行山特長隧道是新建鐵路石家莊至太原客運(yùn)專線的重點(diǎn)工程，位于孤山特大橋和盂縣車站之間。太行山隧道設(shè)計(jì)為兩座相互平行的單線隧道，線間距35m，隧道內(nèi)線路位于直線上。左線起訖里程為DK69+276～DK97+168，全長27892m；右線起訖里程為DK69+286～DK97+163，全長27877m。太行山隧道是目前我國長的鐵路山嶺隧道。我單位承擔(dān)Z3標(biāo)段，位于山西盂縣境內(nèi)荊稍洼至仙人村一帶，起訖里程為DK73+201～DK80+901（YDK73+201～YDK80+901），正洞全長7700m，另有三個(gè)無軌運(yùn)輸施工斜井。其中寺坪斜井工區(qū)承擔(dān)(Y)DK73+201～ (Y)DK75+801段左右洞各2600m，咀子上斜井工區(qū)承擔(dān)(Y)DK75+801～(Y)DK78+801段左右洞各3000m，坪上斜井工區(qū)承擔(dān)(Y)DK78+801～(Y)DK80+901段左右洞各2100m，

    本標(biāo)段起點(diǎn)巖體完整至較完整；DK79＋360至終點(diǎn)段，受仙人村～紅貝嶺斷裂及嶺底西至香爐寺斷裂影響，隧道洞身所通過的該段地層為太古界（Art）淺變質(zhì)的一套花崗片麻巖及黑云花崗片麻巖變質(zhì)巖區(qū)，巖體完整。根據(jù)隧道巖性、埋深、構(gòu)造等具體特點(diǎn)預(yù)測洞身DK75+500-DK80+901地段黑云花崗片麻巖、石灰?guī)r可能發(fā)生巖爆，DK73+201-DK79+430段位于寒武系、奧陶系的可溶巖地層中，巖溶微弱-弱發(fā)育，不存在暗河和大型洞穴。隧道區(qū)通過的Ft8、Ft56、Ft3三條斷層時(shí)存在著突水、涌泥等地質(zhì)災(zāi)害的可能，雨季時(shí)尤為突出。高地應(yīng)力、巖爆、斷層破碎帶、突泥、涌水、巖溶等不良地質(zhì)構(gòu)成了本標(biāo)段復(fù)雜多變的地質(zhì)條件。

3 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)

    太行山隧道主要采用短期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和TSP203長期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)相結(jié)合的預(yù)報(bào)方法。短期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)又稱跟蹤預(yù)報(bào)，它是在長期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行更加準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，是正確指導(dǎo)施工必須采取的工作步驟。主要采用的手段有：掌子面編錄預(yù)測法、水平超前鉆孔法和地質(zhì)雷達(dá)法。本文主要介紹采用TSP203探測系統(tǒng)對(duì)隧道施工進(jìn)行長期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。

3.1 TSP203探測系統(tǒng)的工作原理

    TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)探測的基本原理是應(yīng)用了震動(dòng)(聲)波的回聲原理．震動(dòng)(聲)波是由特定位置進(jìn)行小型爆破所產(chǎn)生，布局一般是大約24個(gè)爆破點(diǎn)沿著隧道左壁或者右壁平行隧道隧洞底成直線排列，孔深1．5 m，點(diǎn)距1．5 m，由人工制造一系列有規(guī)則排列的輕微震源，形成地震震源斷面。這些震源發(fā)出的地震波遇到地層層面、節(jié)理面，特別是斷層破碎帶界面和溶洞、暗河、巖溶陷落柱，淤泥帶等不良地質(zhì)界面時(shí)，將產(chǎn)生反射波．反射震動(dòng)的信號(hào)由布置在單壁或是雙壁的傳感器接受，并將接受的數(shù)據(jù)傳送給記錄單元，由于反射信號(hào)的傳送時(shí)間與到地質(zhì)界面的距離成正比，反射信號(hào)的強(qiáng)度與相關(guān)界面的性質(zhì)、界面的產(chǎn)狀密切相關(guān)．從而通過反射波數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，得出相關(guān)隧道剖面及圍巖相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)．

3.2 系統(tǒng)組成及技術(shù)性能

    儀器系統(tǒng)主要由記錄單元和接收單元兩大部分組成

記錄單元：記錄單元的作用是對(duì)地質(zhì)信號(hào)記錄和信號(hào)質(zhì)量控制，其基本組成為完成地震信號(hào)A／D轉(zhuǎn)換的電子元件和一臺(tái)電腦(Panasonic)，電腦控制記錄單元的地震數(shù)據(jù)記錄、儲(chǔ)存以及評(píng)估．①12道；②24位A／D轉(zhuǎn)換；③ 采樣間隔：62．5 tzs；④ 帶寬：8 000 Hz；⑤記錄長度：7 218采樣點(diǎn)；⑥動(dòng)態(tài)范圍：12O dB．

接受單元：接受單元用來接受地質(zhì)信號(hào)，安置在一個(gè)特殊的金屬套筒中，套管和圍巖之間采用錨固劑或雙組環(huán)氧樹脂牢固的結(jié)合。接受單元在接受前必須插入到該金屬套筒中．接受單元由一個(gè)極靈敏的三分量的地震加速度檢波器組成，頻寬10～5 000 Hz，包含了所需的動(dòng)態(tài)范圍，能夠?qū)⒌卣鹦盘?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。盡管總長為兩米的接受傳感器被分為三段，傳感器的安裝仍然非常簡單和快速。① 三分量加速度地震檢波器；② 靈敏度：1 000 mV／g±5 ；③頻率范圍：0．5～5 000 Hz；④ 橫向靈敏度>1 ；⑤ 工作環(huán)境溫度0～65℃．

附件和引爆設(shè)備：在安裝接受單元前，一個(gè)特殊的套管必須固定到接受器安裝孔上．出于此目的，在附件箱中找到一套特定工具箱和一電子水平測量儀。附件箱中還包含接受單元和記錄單元連接電纜及引爆設(shè)備。

3.3 TSP203系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

3.3.1 數(shù)據(jù)采集的觀測系統(tǒng)

    炮點(diǎn)布置在隧道隧洞的一側(cè)，共24個(gè)炮點(diǎn)，炮孔深度1．5 m，間距1．5 m，炮孔孔位應(yīng)盡量保持在水平面的一條直線上，炮孔成形后要測量各炮孔傾角．接受器布置在與隧道軸線垂直的鉛垂面上，可以單壁或雙壁布置，接受炮孔孔位為離與距其近的炮孔位置20m處，孔深2．0 m，與炮孔成一條直線．TSP一2O3系統(tǒng)的觀測系統(tǒng)幾乎是固定不變的，在實(shí)際條件不允許的情況下可以作少許改變，但是要做好詳細(xì)記錄，以便資料的解釋。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)注意的問題

    原始數(shù)據(jù)是結(jié)論的基礎(chǔ)，為了保障解釋的合理性，確保原始數(shù)據(jù)的可靠性，盡量減少干擾因數(shù)，因此在數(shù)據(jù)采集過程中，應(yīng)該注意以下問題：

(1)接收器的放置

    接收器是把波的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置，能否接收到信號(hào)．接收信號(hào)質(zhì)量的好壞與接收器直接相關(guān)．放置接收器時(shí)應(yīng)力求使波在短的時(shí)問內(nèi)傳至接收器，所以當(dāng)應(yīng)用地質(zhì)力學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)的理論能確定掌子面前方主要構(gòu)造破碎帶和不良地質(zhì)體的主要產(chǎn)狀時(shí)可用一個(gè)接收器接收，此時(shí)應(yīng)把接收器放在隧道的前進(jìn)方向和構(gòu)造線的走向夾角成鈍角的一側(cè)，因?yàn)檫@樣會(huì)在短的時(shí)間內(nèi)接收到多的有用信息，如果不能用地質(zhì)力學(xué)的理論推測出前方不良地質(zhì)體的產(chǎn)狀，則應(yīng)該在兩側(cè)分別放置一個(gè)接受器才能接受到較好的信號(hào)．

(2)震源炸藥的選擇和填充

    在TSP203探測中。炸藥是人工激發(fā)波動(dòng)信號(hào)的來源．震源炸藥的選擇應(yīng)保證炸藥有較高的爆速和與待測的巖石介質(zhì)有相匹配的波阻抗，同時(shí)，炸藥的用量應(yīng)嚴(yán)格控制以避免產(chǎn)生不必要的噪聲信號(hào)和對(duì)高頻信號(hào)的抑制，盡可能產(chǎn)生有力脈沖信號(hào)(寬頻帶信號(hào))．填裝炸藥力求與鉆孔緊密接觸，必要時(shí)向孔內(nèi)注水，一則保證炸藥密實(shí)；二則保證炸藥與鉆孔有良好的耦合．減少能量的損耗．

(3)線圈的放置

    因數(shù)據(jù)的采集過程就是把機(jī)械的波動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的過程，所以波動(dòng)信號(hào)的改變意為著電壓信號(hào)的改變，如果采集數(shù)據(jù)時(shí)傳輸電纜仍纏在線圈上則會(huì)由于線圈的感抗作用產(chǎn)生較大阻抗．使電壓信號(hào)發(fā)生變化而在成圖和地質(zhì)解釋時(shí)誤認(rèn)為是地質(zhì)條件的變化，故采集數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)把線圈放開，避免產(chǎn)生較大的阻抗電壓．

(4)雷管的選擇

    在數(shù)據(jù)采集時(shí)，觸發(fā)器的功能是保證炸藥的引爆和主機(jī)的采集信息能同步，這里有個(gè)假設(shè)條件是炸藥的引爆不需要時(shí)間，但實(shí)際并非如此，電雷管的工作原理是電流的熱效應(yīng)．據(jù)焦耳定律．達(dá)到一定的溫度需要有一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是比主機(jī)開始采集數(shù)據(jù)的滯后時(shí)間，這會(huì)造成主機(jī)采集數(shù)據(jù)與引爆的不同步或者說主機(jī)用于真正采集數(shù)據(jù)的時(shí)間減少，即相應(yīng)的有效的探測距離降低，同時(shí)數(shù)據(jù)的質(zhì)量也差．因此．在雷管的選用上應(yīng)盡可選用靈敏度高的，一則延期小，二則延期誤差小．

(5)接收器和震源的位置

    接收器有效接收段的中點(diǎn)位置應(yīng)與所有爆破點(diǎn)的中心位置在同一條直線上，其誤差不應(yīng)過大．且此直線應(yīng)與隧道的軸線平行．如直線不是水平直線而是傾斜的，此時(shí)的結(jié)果圖是以此直線為假定水平直線的平面圖和剖面圖，圖中不良地質(zhì)的產(chǎn)狀如傾角是相對(duì)隧道軸線的而非真實(shí)的，在這一點(diǎn)上用TSP203方法和用其它地質(zhì)方法相比較時(shí)應(yīng)注意．如果隧道的軸線不是直線而是折線(指有坡度)此時(shí)應(yīng)通過坐標(biāo)z值的改變加以調(diào)整，但沿整個(gè)爆破點(diǎn)斷面的高差(z值)不應(yīng)多于3m．儀器的計(jì)算原理是：每一炮點(diǎn)到接收器的距離是確定的，每一炮點(diǎn)的直達(dá)波到達(dá)接收器的時(shí)間可以測出，這樣就可以計(jì)算出巖體的平均波速，利用它和波到達(dá)波阻抗面的時(shí)間就可以計(jì)算出波阻抗面的位置和產(chǎn)狀，如果實(shí)際的炮點(diǎn)到接收器的距離與輸入值有偏差，則會(huì)造成波速有誤，進(jìn)而造成計(jì)算出的波阻抗面位置和產(chǎn)狀的錯(cuò)誤，因此在布點(diǎn)時(shí)，力求實(shí)際位置與輸入的坐標(biāo)相一致．

(6)套管的埋設(shè)

    套管是為了節(jié)省接收器但不降低接收器的接收效果而設(shè)置的，因此套管的埋設(shè)應(yīng)力求與周圍的介質(zhì)緊密接觸且錨固劑的波阻抗應(yīng)與巖石介質(zhì)的波阻抗盡可能相近，這樣就可預(yù)防套管不正當(dāng)?shù)恼痤潱�降低波�?dòng)能量在套管周圍界面上的能量損失．為防止鉆孔底部出現(xiàn)空洞未灌實(shí)的現(xiàn)象．錨固時(shí)應(yīng)設(shè)排氣管．

(7)對(duì)拒爆震源的處置

    如果引爆時(shí)僅僅是雷管起爆或只有一部分炸藥起爆，那么可輸入正確的爆破點(diǎn)數(shù)重復(fù)引爆．此時(shí)．應(yīng)絕對(duì)保證實(shí)際的爆炸點(diǎn)位與其坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)，避免產(chǎn)生實(shí)際點(diǎn)位與輸入坐標(biāo)的差異，這樣兩個(gè)數(shù)據(jù)在處理時(shí)會(huì)相互疊加，產(chǎn)生較好的數(shù)據(jù)；但如果是數(shù)據(jù)質(zhì)量不好，如振幅超限或是一次轉(zhuǎn)折后出現(xiàn)低頻振蕩數(shù)據(jù)．則如有可能應(yīng)刪除記錄后重新記錄．

4 工程實(shí)例

    石太客運(yùn)專線太行山隧道Z3標(biāo)段正洞洞身位于寒武系上、中統(tǒng)的一套薄至中厚層狀為主的白云巖、石灰?guī)r類為主夾頁巖的碳酸鹽地層中，巖體完整至較完整。斷裂構(gòu)造發(fā)育，多以剪節(jié)理性質(zhì)的構(gòu)造裂隙出露，局部地區(qū)節(jié)理密度較大，產(chǎn)狀傾角變化較大。隧道圍巖賦存裂隙水和孔隙水。裂隙水主要賦存于強(qiáng)～中等風(fēng)化基巖及斷裂破碎帶中，局部地段地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，會(huì)加劇圍巖失穩(wěn)。我們?cè)谔�行山隧道正洞左線連續(xù)里程進(jìn)行了TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。現(xiàn)以2007年4月2日對(duì)太行山隧道ZDK75+012～ZDK75+112段測量進(jìn)行舉例。

4.1  已開挖段圍巖的工程地質(zhì)特征評(píng)價(jià)

1、評(píng)價(jià)范圍：ZDK75+012～ZDK75+112

2、圍巖巖性特征：中、薄層狀、未風(fēng)化石灰?guī)r；

3、圍巖受構(gòu)造的影響程度：一般；

4、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征：較發(fā)育，層間結(jié)合一般；

5、巖體結(jié)構(gòu)特征：巨塊狀整體結(jié)構(gòu)；

6、地下水特征：無水；

7、毛洞開挖后的穩(wěn)定性：整體穩(wěn)定；

8、圍巖級(jí)別：Ⅱ級(jí)。

4.2  TSP現(xiàn)場采集參數(shù)

1、測試日期：2007年4月2日

2、測試儀器：TSP203plus

3、掌子面位置：里程ZDK75+112

4、接收器位置：太原方向右側(cè)壁，里程ZDK75+044

5、接收器數(shù)量：1個(gè)

6、設(shè)計(jì)炮點(diǎn)：24個(gè)

7、采樣間隔：62.5μs

8、記錄時(shí)間長度：451.125ms

9、采樣數(shù)：7218

4.4  TSP探測結(jié)果的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

4.5 施工建議

    探測段ZDK75+112～ZDK75+232范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大的異常，按照Ⅱ級(jí)圍巖施工即可，但層間結(jié)合一般，應(yīng)注意拱頂?shù)牡魤K，應(yīng)防護(hù)。

5 成果驗(yàn)證

    通過對(duì)太行山隧道全隧道連續(xù)里程進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，結(jié)合勘察設(shè)計(jì)資料，并對(duì)開挖隧道掌子面圍巖情況進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，預(yù)報(bào)結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況基本吻合，有效的指導(dǎo)了施工。對(duì)隧道施工組織、安全方面均有極大的幫助。

6 結(jié)束語

(1)實(shí)事求是地說，盡管隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)無論是預(yù)報(bào)方法還是技術(shù)手段(設(shè)備及分析處理軟件)都得到了前所未有的發(fā)展，但在預(yù)報(bào)內(nèi)容上基本上仍然處于對(duì)界面(斷層及斷層破碎帶、軟弱夾層、不同巖層分界面、地層分界面、巖溶洞穴等)位置的預(yù)報(bào)。特別是采用物探方法進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，對(duì)隧道施工掌子面前方地下水狀況、巖溶洞穴充填物及其性質(zhì)的預(yù)報(bào)尚處在摸索研究階段，而隧道施工涌水、巖溶涌水、巖溶淤泥涌砂災(zāi)害嚴(yán)重影響隧道施工的正常進(jìn)行，已成為隧道施工的常見災(zāi)害。因此，對(duì)隧道施工掌子面前方地下水狀況、巖溶洞穴充填物及其性質(zhì)的預(yù)報(bào)，必將成為今后隧道施工期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)研究的重要課題。

(2)由于物探方法的間接性和多解性以及目前所采用的各種地質(zhì)預(yù)報(bào)手段都有一定的缺陷，因此隧道施工期間的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)必須是“以地質(zhì)方法為基礎(chǔ)，集各種預(yù)報(bào)方法所長”的綜合預(yù)報(bào)。

(3)TSP2O3主要用于做長距離地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。

(4)地質(zhì)雷達(dá)作為TSP203預(yù)報(bào)系統(tǒng)的補(bǔ)充，短距離預(yù)測采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)一步探測前方30m內(nèi)地質(zhì)情況。地質(zhì)雷達(dá)對(duì)溶洞及空洞的探測十分有效。

(5) 紅外線探水儀通過接受巖體的紅外輻射強(qiáng)度，根據(jù)圍巖紅外輻射場的變化來分析判斷掌子面前方30 m范圍內(nèi)是否存在含水體，是探測地下水的一種較理想工具，但紅外線探水只能作定性分析，在目前情況下尚不能作定量分析。

(6)對(duì)采用各種探測設(shè)備預(yù)報(bào)到的不良地質(zhì)進(jìn)行確認(rèn)，也可作為天然氣和瓦斯的排放孔。水平鉆孔是地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)直接有效的手段。

(7)對(duì)已開挖的圍巖節(jié)理，巖層走向等進(jìn)行地質(zhì)描述，這是原始也是普遍采用的收集地質(zhì)信息的一種傳統(tǒng)手段。數(shù)碼成相技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)描述，大大提高了工作效率和分析精度。

(8)在隧道施工中，遇到不良地質(zhì)時(shí)，隧道施工人員應(yīng)擺正施工安全與進(jìn)度的關(guān)系，積極配合做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，嚴(yán)格按照制定的施工方案處理不良地質(zhì)，不可盲目冒進(jìn)，給工程造成損失。