地質超前預報系統應用現狀

、超前地質預報技術的實踐意義
超前地質預報技術出現在上個世紀中后期，是工程地質的一個分支，我國從上個世紀70 年代后期逐漸開始重視這一方面的研究和應用，中國科學院地質研究所的孫廣忠院士等作了大量的工作。進人21 世紀，伴隨著西部大開發戰略的啟動，修建的鐵路、公路將明顯增多。由于隧道長度、埋深等各方面因素的影響，地質條件越趨復雜，隧道施工中遇到的問題也會相應地增多，不可預料的地質災害如突泥、突水、塌方等成為困繞工程施工的主要難題。近十幾年來，隧道施工技術已經有了很大的發展，為了保證在隧道施工時的安全和，超前地質預報的研究顯得越來越重要。
要保證隧道施工的順利進行，關鍵是要預防隧道施工中的地質災害。如在施工中的塌方是制約快速施工的zui主要因素之一，而斷層、巖溶是隧道隧洞開挖過程中zui常見的不良地質現象，也是引起隧道塌方的“罪魁禍首”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災害的zui主要根源，斷層破碎帶是誘發瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出等地質災害的zui主要地質因素之一。斷層破碎帶還與巖爆的發生和產生密切相關。可以說，隧道隧洞施工中發生的地質災害，幾乎都有斷層、巖溶有關。
鑒于斷層破碎帶、巖溶對隧道施工的巨大影響。因此，進行斷層破碎帶、巖溶超前地質預報的研究具有極其重要的意義。根據隧道隧洞開挖面前方隱伏斷層及破碎帶、巖溶規模準確定位和評價，采取準確而有效的防治工作，不僅可以減少隧道塌方、突泥等災害的發生、加快施工進度，而且可以為施工單位節約大量成本，顯著提高經濟效益。它既可以產生巨大的經濟效益，又具有廣泛的社會效益。
二、主要地質超前預報的工作方法和手段
目前，常用的隧道長期（長距離）超前地質預報的方法主要有地面地質調查法，斷層參數預報法和TRT 、TSP 、HSP 等儀器探測方法；常用的隧道短期（短距離）超前地質預報的方法主要有掌子面編錄預測法，不良地質前兆法和地質雷達、紅外線超前探水等儀器探測法。各種預報手段和方法都有其各自的適用范圍和特點，其中TSP 超前探測是目前預報距離zui長、適用范圍zui廣、預報效果的超前預報手段和方法。
1 . TRT 超前探測技術
TRT 層析掃描超前預報系統可采用多種地震源產生沿隧道和采礦口傳播的信號，這些信號在巖體性質發生改變的地方反射，被用來描述隧道和采礦口前方及其周圍的三維結構圖。TRT6000 層析掃描超前預報系統是用來指導隧道施工、地層繪圖、采礦、地下水文和地質測量、填埋物的描繪和定位、判斷地下危險物移動的新一代超前預報系統，它采用了業界獨有的層析掃描成像及用捶擊產生地震波的技術，從而提高了數據采集效率、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 超前預報系統是一個優化的、由硬件和軟件組成的測量系統。
TRT6000 在美國、歐洲、日本、新西蘭、澳大利亞等國家獲得廣闊的市場，目前在中國的中鐵十四局及五礦集團得到應用，并獲得用戶高度評價。它具有以下優點：
① TRT6000 超前預報使用錘擊作為的震源，可重復利用，不需要耗材，而使用炸藥爆炸作為震源每次需要相當費用。
②使用錘擊作為震源，可在同一點作多次錘擊，通過信號疊加，使異常體反射信號更加明顯。
③用錘擊作為震源克服了爆炸產生的高能量對周圍巖體產生擠壓、破壞現象，從而保證能接收到真實的地震波信號。
④由人控制錘擊產生地震波、可簡單重復，操作簡單，而爆炸產生地震波時高頻信號迅速衰減，對操作人員的要求比較高。
⑤TRT6000 采用高精度的加速計作為傳感器，靈敏度高（0.5v/g ） ，zui大程度地保留了高頻信號，提高了精度及探測距離（硬質巖中為300 米，軟質巖中為 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。
⑥傳感器和地震波采集、處理器之間采用無線連接，大大簡化了裝備（只有兩個箱子，尺寸見設備配置）兩個箱子的重量僅為29Kg ，攜帶方便。
⑦TRT6000 的傳感器布點采用立體布點方式，在隧道兩邊分別布置4 個傳感器，然后在隧道頂上布置兩個傳感器，從而獲得真實的三維立體圖，直觀的再現了異常體的位置、形態、大小。而其他儀器一般在左右邊墻各布置一個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，同時對于大角度斜交隧道的裂隙可能沒有反映。
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，不能描繪稍遠距離的第二或第三裂隙（尤其是充氣裂隙）。對于斜交隧道（由其是大角度斜交隧道）的裂隙可能沒有反映。對于所描繪的傾斜裂隙，會低估它們的距離。
2 . TSP 超前探測技術
TSP （ Tunnel SeismiC Prediction ）是瑞士安伯格測量技術公司于20 世紀90 年代初期開發研制的一套超前預報系統設備，該系統采用地震波反射原理，能長距離地預報隧道施工前方的地質變化，如斷層破碎帶和其它不良地質帶，其準確預報范圍為掌子面前方100一150m。現如今TSP 超前地質探測系統在瑞士、德國、法國等發達國家的隧道施工中，已經得到了廣泛的應用，尤其是在采用TBM 施工時，利用TSP 進行超前探測地質情況，更是在隧道施工過程中不可缺少的工序。
1996 年，我國鐵道部隧道工程局引進TSP202 應用于深圳中東部供水水源隧道、梅坎鐵路松南隧道、內昆線閘上隧道、朱嘎隧道等。近年來，TsP 技術也越來越得到中國的工程技術人員廣泛認同，并成功地應用于秦嶺鐵路隧道、株六鐵路復線、渝懷鐵路部分隧道工程、青海公伯峽水電站導流洞、云南元墨高速公路以及山西雁門關公路隧道等幾十個工程中。在工程的施工實踐中也發揮了重要作用。
TSP 探測技術產品開發經歷了TSP202 和TSP203 兩代產品。與*代產品TSP202 相比，TSP203 在硬件設計和軟件設計等方面都作了很大的改進，其軟件編程除了考慮了于WindowS 視窗的兼容性之外，還特別強調了軟件的智能化和評估結果輸出的靈活性，使探測工作更加靈活、便捷。對TSP202 和TSP203測量系統的主要特征和配置作了比較。
3 . TGP 超前預報系統
這也是地震反射波技術的一種應用，猶如光波在鏡面發生反射一樣，巖體中傳播的地震波在斷層構造破碎帶、不同巖性接觸帶、軟弱巖層帶、以及巖溶發育帶等界面發生反射、繞射和散射，發生波型變換、衰減、干涉等現象，本系統詳細分析解譯這些地質信息，實現對上述不良地質的超前地質預報。
隧道內地震波的傳播環境為三維條件，設想在六面是鏡面的空間內你的圖像將會如何？隧道內的反射波傳播遠比地面復雜。需要采用全波列震相分析、偏振歸位與空間歸位等多項新處理技術，實現界面成像。采集與控制的電路安裝在防靜電、防電磁干擾、防水的美國進口精密儀器箱體，TGP 超前預報系統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、和空間等相關技術提取地質信息，通過分析反射點的分布形態判斷地質病害的類型；通過縱、橫波資料的差異性，分析地質病害的性質；結合隧道施工地質調查，總結規律，提高預報準確性。
除了上述三種方法外，在實際的工作中，為了增加地質超前預報的精度，還有下列一些輔助性的手段：
（l ）地質雷達法
探地雷達法也叫地質雷達法，簡稱 GPR （ Ground Penetrating Rada）。該方法利用發射天線將高頻電磁 波以脈沖形式由隧道掌子面發射至地層中，經地層界面反射返回隧道掌子面，由另一天線接收回波信號，進而通過對接收的回波信號進行處理、分析解釋，達到對短距離進行超前預報的目的。地質雷達技術大量地應用在隧道超前預報、工程場地勘查、地下管網探測、工程質量檢測、金屬礦化代勘查、地表水資源調查甚至考古探查當中，取得了令人滿意的效果。
（ 2 ）水平聲波剖面法（HSP）
水平聲波剖面法簡稱 HsP （ Horizontal Sonic ProfileS） ，該方法是地震波反射法的一種。探測時不占用掌子面，將發射源和接收換能器布設在隧道兩側的淺孔內，發射、接收位置均在平行于隧道底面的同一水平面上，即構成一“水平聲波剖面”。這種方法的優點是對反射界面傾角沒有限制，測點所接收的反射波路徑相等，因此反射波組合形態與反射界面形態基本相同，通常是直達波呈雙曲線形態，反射波呈直線形態，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，其實質是垂直地震反射法。它采用極小偏移距、錘擊激發、高頻超寬帶接收反射彈性波進行連續剖面探測。
（ 4 ）紅外探水法
紅外探測法（Infrared Detection）是利用地下水的活動會引起巖體紅外輻射場強的變化，紅外探水儀通過接收巖體紅外輻射場強，根據圍巖紅外輻射場強的變化幅值來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）是運用鉆孔臺車從隧道掌子面向前打孔時鉆進速度的變化，并結合巖粉和泥漿顏色來預測打孔深度范圍內的地質情況。該方法能zui直接地揭示隧道掌子面前方的地質特征，所以準確率很高。此法如果輔以數碼成像、鉆孔聲波測試，還可對孔內及掌子面地質情況進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素描、地質展布圖，而且有利于對導洞進行地質預報等。
（ 6 ）超前平導法
超前平導法也稱超前導坑法（Advanced Tunnels） , 它是在隧道中線附近利用平行導坑先期貫通一個綜合性地質探洞，以便對主洞作出直觀、的地質超前預報，同時還可為主洞施工提供輸水、排水、施工通風、施工運輸的方便條件。
三、結語
總之，通過地質超前預測預報，減少隧道施工過程中的盲目性，避免隧道施工過程中可能誘發的重大的不良地質或災害地質的發生，并根據現場預報結果，實施動態信息的施工方法，及時調整或修正圍巖分級、設計參數及施工方法，正確指導施工，使施工快速、安全、經濟、合理。同時，通過地質超前預測預報，總結出有關隧道在通過巖溶水、軟巖、高地應力、斷層等重大災害地質問題地段的一套行之有效的地質超前預測預報方法及其施工方案，隨著超前地質預報的技術和設備的不斷更新，超前地質預報的應用會越來越廣，多種手段、多種方法的互相融合、互相印證，使得超前地質預報水平會越來越高、精度越來越高，理論研究越來越深人，并逐漸成為工程地質學的一個重要組成部分。