我国隧道工程超前预报技术现状分析(修改稿)

我国隧道工程超前预报技术现状分析钟宏伟1）赵凌2）1）中国地质大学地球物理与空间信息学院，湖北武汉2）长江工程地球物理勘测研究院（武汉），湖北武汉摘要：回顾了我国隧道工程超前预报技术的历史，介绍了近年来的研究进展，分析了其现状，指出了当前亟待解决的一些问题并提出了解决这些问题的基本设想。关键词：隧道工程超前预报TSP法相控阵探地雷达TRT法BEAN法AnalysisontheCurrentSituationoftheTunnelEngineeringForwardDetectionTechnologyinChinaZhongHongwei1）ZhaoLin2)1)GeophysicalandspaceinformationinstituteofChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei,2)InstituteofChangjiangEngineeringGeophysicsExploration(Wuhan),Wuhan,Hubei,Abstract:ReviewedthehistoryofthetunnelengineeringforwarddetectiontechnologyinChina,introducedtheresearchdevelopmentinrecentyears,analyzedthecurrentsituation,pointedouttheexistedproblemsandthebasicideasondealingwiththeseproblems.Keywords:thetunnelengineeringforwarddetectionTSPphasedarraygroundpenetratingradar(GPR)0引言随着公路、铁路、水利、矿山及其它工程建设的飞速发展，我国的施工隧道已大量地出现。截至1999年，我国仅铁路隧道就已达6876个，总长度为3670公里，为世界第一。作为隐蔽工程的公路隧道、铁路隧道、矿山隧道、输水隧道等在施工过程中，由于前方地质情况不明，经常会因遇到断层、破碎带、暗河、高地应力等不良地质体而导致塌方、泥石流、涌水、岩爆冒顶等地质灾害发生。这些灾害的出现，往往会影响施工进度，造成人员伤亡，给施工单位、国家和人民带来严重的经济损失。如1994年在尖山工程建设中[1]，由于对前方地质灾害掌握不清，结果出现了塌方、涌水并伴随着大量泥石流出现，大大影响了工程进度，给尖山工程建设带来了严重的经济损失；天生桥二级水电站3条引水隧洞以及太平驿引水隧洞在施工过程中均多处发生过岩爆现象[2]，类似的地质灾害在许多中小工程型和大型隧道工程中都出现过[3]。此外，有些隧道不仅延伸很长，而且往往深埋于山体之中。对于这些埋藏很深的长隧道，由于其前期的地勘工作受到技术水平和经费的限制，因而在施工前不可能查清隧道围岩的地质情况。随着隧道工程施工的逐步深入，其安全隐患会一一暴露出来。这时需要在施工过程中采取有效方法，对前方不良地质灾害进行准确的超前预报，以便及时地修正开挖和支护设计方案，避免施工事故发生。·7· 由此可见，隧道施工过程中的超前预报工作在隧道工程中的地位和作用都十分重要。然而我国的隧道超前预报技术的水平又是一个什么样的现状呢？目前的隧道超前预报技术是否能满足工程建设的要求？如果不能满足，那么今后的研究工作应向何处迈进和深入？本文试图就这些问题开展讨论。1我国隧道工程超前探测技术的现状在我国隧道工程的勘察阶段，一般都要进行工程地质调绘、岩溶水文地质调查、综合地球物理勘探、水文试验、深孔钻探等大量地面调查和勘探测试工作。这些工作可基本查清隧道区域内的工程地质和水文地质情况，给设计部门提供一定的地质资料作为隧道工程的设计依据。但由于隧道是一个线状的隐蔽工程，且深埋于地下，其岩体的工程地质、水文地质条件复杂多变。限于目前的地质勘探水平，试图在工程勘察阶段就准确无误地查明其工程岩体的状态、特征以及可能发生地质灾害的不良地质体的位置、规模和性质是极其困难的，特别是在复杂的岩溶地区。因此，这些问题都必须依靠施工过程中的地质超前预报工作来解决。隧道施工期的超前预报一般分为直接预报方法和间接方法两大类。直接预报方法主要有掌子面的超前钻探、超前平导法等，间接方法主要是多种类型的地球物理探测手段。超前钻探法是运用钻孔台车从隧道掌子面向前打孔时钻进速度的变化，并结合岩粉和泥浆颜色来预测打眼深度范围内的地质情况的。该方法能直接揭示掌子面前方的地质特征；超前平导法（或导坑法）是通过在隧道中线附近先期贯通的一个综合性地质探洞来对主洞作进行直观的地质超前预报的，该方法曾在秦岭特长隧道修建中发挥过重要作用[4]。但由于上述两种方法都属于有损的探测和预报方法，其最大的缺点是费时费事、耗资巨大，有时甚至与隧道施工相冲突或遇到水体和瓦斯突出等灾害地质层时会造成意想不到的灾难，因而其在工程实践中的应用受到了很大的限制。鉴于这方面的原因，本文对这两种方法将不作过多的分析和讨论，而将着重讨论地球物理方法在隧道超前预报方面的现状和存在的问题。目前用于隧道超前预报的地球物理方法很多，主要有遂道地震超前预报系统（TSP）、水平声波剖面(HSP)法、陆地声纳法、探地雷达（GPR）法和红外探水法几种。1．遂道地震超前预报系统隧道地震超前预报测量系统简称TSP（TunnelSeismicPrediction），是我国20世纪90年代从瑞士安伯格（AMBERG）测量技术公司引进的一套先进的地质超前预报探测系统，也是我国目前应用较为广泛的一种。TSP和其它反射地震波方法一样，采用了回声测量原理：地震波在指定的震源点（通常在隧道的左边墙或右边墙，大约24个炮点布成一条直线）用小量炸药激发产生，产生的地震波在岩石中以球面波的形式向前传播，当地震波遇到岩石物性接口（即波阻抗接口，例如断层、岩石破碎带、岩性突变等）时，一部分地震信号反射回来，一部分地震信号透射进入前方介质，反射的地震信号被两个三维高灵敏度的地震检波器（一般左边墙和右边墙各一个）接收。通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析，便可推断断层、岩石破碎等不良地质体的位置、规模、产状及岩石力学参数。 采集的TSP资料通过TSPWin软件进行处理。TSPWin软件处理流程为：资料设置→带通滤波→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→Q-估计→反射波提取→P-S分离→速度分析→深度偏移→反射层提取。通过TSPWin软件处理，可以获取P波、SH波、SV波的时间剖面、深度剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果以及反射层在探测范围内的2D或3D空间分布。在瑞士20公里长的Vereina隧道工程施工中，TSP产生了较好的经济效益[5]。该系统引入我国之后，一些专家学者结合我国隧道施工的具体情况对其作了大量的深化完善工作。1991·7· 年铁道部第一勘察设计院曾昭璜在该系统基础上提出地震负视速度法或隧道垂直地震剖面法[6]，该方法与TSP的不同之处是TSP法为多点激发、一点接收，负视速度法是一点激发、多点接收。曾昭璜认为：当反射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上呈负视速度，其延长线与直达波延长线的交点即为反射面的空间位置。中国铁路工程总公司的何振起和铁道部第三勘测设计院的白恒恒等利用该思想并结合超前水平钻探等方法，在山西省长梁山隧道F5、F12断层预报和福州飞鸾岭公路隧道预报中取得了预期效果[7-8]。2002年，石家庄铁道学院的李忠等人从地质构造学理论、爆破地震学理论出发，就如何增加TSP-202超前预报探测系统的探测距离进行了初步探讨[9]。他们认为，若能根据现场具体地质情况来确定传感器最佳安装位置、选取合适的采样参数以及探测炸药种类和用量，则其探测距离可达到200米以上。他们还对如何利用TSP-202超前预报探测系统搜索角问题进行了研究，指出当以一个较符合实际地质情况的搜索角去处理地震波信息时，不但会使信息量会大大增加，而且对断裂构造的预测精度也会大大提高[10]。他们运用概率论等数学方法，结合自己的研究成果在新倮纳隧道地质超前预报中取得了一定的效果[11]。2．水平声波剖面法该方法是弹性波反射法的一种。探测时不占用掌子面，将发射源和接收换能器布设在遂道两侧的浅孔内，发、收位置均在平行于隧道地面的同一水平面上，构成一“水平声波剖面”。这种方法的特点是各检测点所接受的反射波路径相等，因此反射波组合形态与反射界面形态相同，通常是直达波呈双曲线形态，反射波呈直线形，其图象直观。该方法的另一种优点是对反射界面倾角没有限制，适用的范围对负视速度法广泛。3．陆地声纳法陆地声纳法是钟世航1992年提出的，其实质是垂直地震波反射法。该方法采用极小偏移距、锤击激发、高频超宽带接收反射弹性波进行连续剖面探测。据报道此方法在羊寨隧道和铝厂隧道超前探测时，成功地探查出掌子面前方40～80m距离范围的溶洞[12－15]。4．探地雷达法探地雷达法也叫地质雷达法。该方法利用发射天线将高频电磁波以脉冲形式由隧道掌子面发射至地层中，经地层接口反射返回隧道掌子面，由另一天线接收回波信号，通过对接收的回波信号进行处理与分析解释，达到对短距离进行超前预报的目的。吴永清等人利用该方法在107国道上焦冲、六甲洞和石仓岭三座公路隧道10～40m内的地质超前预报中取得了一定的效果[16]。长春科技大学的薛建等人采用地震反射法（TSP-202）进行中长距离（100m左右）预报，采用地质雷达进行短距离（10～40m以内）的预报，两种方法相互结合，互相补充，在吉林省白山市石碑岭隧道掘进中，成功地预测出几十处断层和多处5～10m宽的破碎带[17]。5．红外探水法地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化。红外探水仪通过接收岩体红外辐射场强，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。该方法在渝怀线园梁山隧道中取得了较好的效果。2现状分析·7· 上述两类方法在我国隧道工程施工超前探测中虽然已经获得了很多成功的工程实例，及时为施工和设计单位提供了科学的参考依据，但实际上还存在很多问题。有损方法的缺陷是显而易见的，笔者在前面已作了分析，不再赘述。物理探测法虽具有快速无损、测试简便、费用低廉、可提供较大范围内地质体的几何性质和物理性质等优点，但隧道工程特有的探测条件要求物探技术能在狭小检测场地条件下进行大距离、高精度、快速准确的超前预报，现有的物理超前探测技术都难以完全满足。地震反射法的探测距离虽然可长达百米以上，但探测精度低，且因探测对象复杂多变，各种杂波干扰严重，有效波的识别与分离十分困难，因而有时难以获得好的结果。目前应用较多的TSP-202（或TSP－2003）隧道地震超前预报系统，在地质结构复杂、波阻抗差异不大的情况下就存在这样的问题。由于掌子面的尺寸相对探测对象的距离来说要小得多，因此隧道内的地震波场是三维波场。在这种情况下，偏移成像和物性结构反演成像相互迭代是解决问题的重要途径，速度参数的获取是复杂结构探测的核心问题。但就目前情况来看，一些反演精细速度的方法尚未实用，先进的波场分离技术亟待开发，这使得TSP-203超前预报探测系统在复杂探测条件下难有作为。因此，目前我国工程界目前对TSP法的评价褒贬并不一致。较为一致的看法是，对与隧道呈大角度相交的面状软弱带，如断层、软弱夹层、地层分界等其探测效果较好，但对不规则形态的地质缺陷如溶洞、暗河及含水情况等其探测效果均不理想。探地雷达法的探测速度虽然相对较快，但其存在的三个问题是致命的缺陷：1.探测距离与分辨率的矛盾无法克服。众所周知，目前所有的波动类（弹性波和电磁波）物理探测方法的探测距离与分辨率二者之间均存在难以调和的矛盾。即探测距离的加大是以牺牲分辨率为代假的，反之亦然。由于现有探地雷达的频率都比较高，因而其探测距离都不能满足大距离隧道超前预报的要求。有鉴于此，现行的隧道超前预报大多将探地雷达与地震反射法配合使用，前者用于小距离的高精度探测，后者用于大距离的超前探测，二者相互补充、取长补短；2.多次波及其他杂波干扰严重，原始记录的信杂比低，有效波的识别及其成果解译十分困难。由于现行探地雷达都是单发单收，故目前较成熟的相干技术不能应用，这使得在较为复杂的情况下，其资料的分析解释十分困难，有时甚至无法解释；3.所获得的被探测对象的空间信息量太少，其资料成果的解释往往存在多解性。这个问题是显而易见的，因为现行探地雷达没有扫描探测的功能。上述三个问题是现行探地雷达在隧道超前预报中不能充当重要角色的根本原因。水平声波剖面法目前虽是铁路系统应用较为广泛的一种方法，但由于该方法实际上还是地震波反射法的一种，因而其TSP法所面临的的部分技术问题水平声波剖面法同样存在。实践表明，在地质条件不太复杂的情况下，该方法对掌子面前方50米内的地质状况的预报比较准确。陆地声纳法目前还很不成熟，存在的问题有三：一是采集的数据的通道一般只有两道，现成的多道叠加技术用不上，因而信杂比较低；二是缺乏速度参数，对夹层定厚的人为因素较大，多层情况下的探测效果更差；三是实际工作中并不能做到真正的垂直反射，沿岩面传播的表面波和前方地质界面反射回的各种转换波实际上还是会被接收器所接收，因而波现象往往很复杂，此时依靠同相轴来划分异常通常会出错。红外探水法对预报掌子面前方有无潜伏的含水体是有效的，但对含水层的位置、赋水形态、出水量都无法知晓，对无水情况下的地质灾害则难以预报。·7· 综上所述，可认为当前所应用的地球物理探测方法在隧道超前预报中均存在不同程度的问题和缺陷。实际工作中，欲取得好的预报效果，还需对这些方法进行完善改进，并结合具体情况，将上述多种方法优化组合，综合运用。与此同时，还要考虑开发和引进一些新的隧道超前预报方法。3几点看法由以上分析可知,隧道工程超前探测和预报问题的特点决定了对物理探测方法的特殊要求。由于检测工作必须在隧道内的施工现场实时进行，因而就要求物探技术能满足在狭小检测场地条件下的大距离、高精度、快速而准确的超前预报。在前面，我们已经分析了各种现有方法所存在的缺陷，并指出，试图利用现有的物探方法和技术设备是难以做好隧道工程施工的超前预报工作的。因此，在努力完善现有方法技术的同时，还应全面开展超前探测新方法技术的研究和新仪器设备的研制工作。实际工作中，不要寄希望于某种单一的方法，要考虑多种方法的优化组合和综合运用。笔者认为，解决隧道工程施工的超前探测和预报问题的关键问题是高效快捷的探测速度和大距离条件下的高分辨率及高准确度的探测问题。因此，研制一种具有聚焦特性和连续扫描探测方式的新型雷达，进一步完善TSP法的处理软件，尽快引进国外的TRT反射地震层析成像法[18]和BEMA法，将这几种方法配合使用可能是解决隧道工程的超前探测和预报工作的一条有效的途径。TRT技术的全称是“真正的反射层析成像”（TrueReflectionTomography），是由美国NSA工程公司近年来提出的一种新方法。该方法在观测方式和数据处理上与TSP法和负视速度法均有很大的不同，TRT虽然也是利用反射地震波进行超前探测，但该方法采用的是空间多点激发和接收观测方式，其检波器和激发的炮点呈空间分布，以便获得足够的空间波场信息，从而使前方地质缺陷的定位精度大大提高。TRT法不仅在接口定位、岩体波速及其类别划分等方面具较高的精度，而且有较大的探测距离。实验表明：TRT法的结晶岩体中的探测距离可达100～150米，在弱的土层和破碎的岩体中可预报60～90米。TRT法在实践中成功的例子很多，较典型的是奥地利的通过阿尔卑斯山的铁路双线隧道的超前预报。由于各方面的原因，我国目前还没有引进这一技术。BEAM法（Bore-TunnellingElectricalAheadMonitoring）,这是国际上当前唯一的一种电法超前预报方法，是德国GEOHYDRAULIKDATA公司推出的产品。该方法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蔽电流和在内部发射一个测量电流，以便使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（空隙）有关的电能储存能力的参数PFE（Percentagefrequencyeffect）的变化，预报前方的岩体的完整性和含水性；其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，也可安装在钻爆法施工的钻头的前方（测量电极）及两侧钢架（屏蔽电流）上，随着隧道掘进，连续不断获得成果，并适时处理得出掌子面前方的PFE的曲线。从曲线推断预报前方岩体的性状及含水情况。这种仪器我国目前也没有引进，但欧洲许多国家已开始使用。“相控阵探地雷达”的设想是肖柏勋1999年提出的，该项研究工作于2000年5月付诸实施[19]。2001年，该雷达的大功率发射系统及其简易接收机研究成功[20]。这种主频300兆，带宽100兆，发射功率1.5Kw的新型雷达在粘土中穿透了60米，现场测试还证明了其良好的聚束特性。2001年，该项研究的理论研究工作在国家自然科学基金重大项目中作为一个专题立项，其仪器研制和软件开发工作在国家863计划信息领域作为一个课题立项。目前，具有16个发射天线组合的，16信道接收和采集的新型雷达已研制成功[21]，其实际应用效果正在试验中。可以预料，这种新型的相控阵探地雷达在隧道施工地质超前探测中具有广阔的应用前景。该项研究的基本思路是利用目前军事上较成熟的相控阵雷达技术，将目前的单极子雷达天线代之以相控阵雷达天线。其目的旨在通过相控阵技术将电磁波聚成一个窄波束向隧道掌子面发射，采用多信道信号接收和采集技术接收目标体反射的雷达回波信号，并对其进行各种去噪处理，实现目标体的自动识别与提取，最终给出探测目标体的准三维几何结构和物性结构图像。·7· 相控阵探地雷达能够将电磁波会聚成一窄波束，因而能量集中，波前扩散小。在相同频率和发射功率条件下，相控阵雷达的探测深度要大得多；在同一探测深度条件下，相控阵雷达可以把发射频率提高，因而其分辨率比现有雷达要高得多。由于该系统将球面波发射改为波束发射，因而介质不均匀影响相对要小得多。此外，相控阵探地雷达采用多信道接收信号，可以利用相干技术进行去噪处理以提高其信噪比，还可以进行共反射点的叠加，故其多次波干扰可极大地消除，这是现有雷达难以做到的。由于其采用连续扫描方式，因而信息量较之现有地质雷达要大得多，对于隧道超前探测的特殊工作，其作用是现有单极天线地质雷达无法替代的。高频（600MHz～1GHz）相控阵探地雷达的天线可以做的较小，在隧道超前探测时，其优越性是现有探地雷达无法比拟的。相控阵探地雷达在隧道工程施工超前预报中的最终目标，是通过相位的自动控制实现其雷达的扫描功能，以扩展其对隧道的探测范围；通过变频技术和相干接收技术获得探测地质体的深度剖面；通过先进的反演及可视化技术反演隧道介质的内部结构图像。据此笔者认为，我国隧道工程超前探测和预报技术亟待解决的问题可能有以下几点：(1)相控阵雷达的理论正演与信号处理技术研究；(2)相控阵雷达的反演解释及其资料可视化软件的开发;(3)TSP法数据处理软件的完善；(4)TRT反射地震层析成像技术的引进；(5)TSP法、BEAM法、TRT法与相控阵探地雷达的综合运用和解释的应用研究。由于BEAM法和TRT法目前在我国尚未使用，这两种方法在我国隧道超前预报实践中应用效果如何、是否存在某方面的问题目前尚不清楚，笔者在此难以发表看法。4结语鉴于前面的分析我们认为，我国的隧道超前预报工作应在TSP-203处理软件进一步完善的基础上，配合相控阵探地雷达、TRT法和BEAM法，或同时使用，或在上述方法中优选其中几种使用，使之相互补充、相互印证，这种方案在目前可能是较好的一种隧道超前探测方案。由于我们在隧道超前探测方面所做的工作十分欠缺，经验甚少，文中拙见，难免谬误。不妥指处，敬请见谅。参考文献：[1]姚锋敏、赵崇文，尖山工程建设工程地质问题回顾[J]，中国矿业，1994，3(增刊)：179～181.[2]张有天，水工隧洞建设的经验和教训（下）[J]，贵州水利发电，2002，16(1)：75～84.[3]陈光宗、王石春、刘朝祯，太平驿水电站引水洞施工地质超前预报技术[J]，铁道建筑技术，1995，(2)：29～31.[4]梁羽腾，秦岭特长隧道使用掘进机修建中平行导坑的作用与功能[J].贵州水利发电,2002,16(1):1～3[5]肖书安、G.Stattel，瑞士Vereina隧道工程中的地质超前预报测量[J]，广东公路交通，1998(增刊)，(54)：115～120.[6]曾昭璜，隧道地震反射法超前预报[J]，地球物理学报，1994，37(2)：268～271.[7]何振起、李海、梁彦忠，利用地震反射法进行隧道施工地质超前预报[J]，铁道工程学报，2000，(4)：81～85.[8]白恒恒、辛民高，浅谈长梁山隧道F5断层的地质超前预报[J]，铁道工程学报，2000，(1)：87～90.[9]李忠、黄成麟、刘秀峰，增加TSP-202超前预报探测系统探测距离的技术探讨[J]，铁路航测，2002，(1)：20～23.[10]李忠、汪琦，新倮纳隧道地质超前预报中TSP-202探测系统搜索角研究[J]，铁道工程学报,，2001，(1)：89～91.[11]汪琦、李忠，新倮纳隧道地质超前预报中概率论的应用[J]，铁道建筑技术，2000，(6)：35～37.[12]钟世航，极小偏移距高频弹性波反射连续剖面法探查岩洞及洞穴，1995：409.[13]钟世航，极小偏移距高频弹性波反射连续剖面法分辨薄层的能力，1995：410.[14]钟世航，陆地声纳法的正演试验，1995：411.[15]钟世航，物探作遂道质检与提高施工管理和设计水平的作用，2002：175～176.·7· 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