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ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.Ltd.隧道超前地質預報方法與施作要點2012年6月中國中鐵二院工程集團有限責任公司2012年6月匯報內容第一部分隧道超前地質預報的物探方法第二部分隧道超前地質預報的物探方法原與施作要點第三部分隧道超前地質預報綜合方法運用匯報內容第一部分隧道超前地質預報的物探方法第一部分隧道超前地質預報的物探方法

一、物探方法的定義和物探方法的應用條件二、工程物探方法的分類三、隧道超前地質預報工作中常用的物探方法

四、物探方法在隧道超前地質預報中的重要性第一部分隧道超前地質預報的物探方法一、物探方一、物探方法的定義和物探方法的應用條件

1、物探方法的定義

物探方法:利用物理學的原理和專門的探測儀器,觀測并綜合分析探測空間物理場的分布特征,確定被探測體的形態和性質的探測方法。物探方法應用領域:軍事領域、醫學領域、地質勘察領域等。

物探方法在地質勘察領域的應用:《鐵路工程物理勘探規范》TB10013-2010

物理勘探:利用物理學的原理、方法和專門的儀器,觀測并綜合分析天然或人工地球物理場的分布特征,探測地質體或地質構造形態分布的勘探方法,簡稱“物探”。物理勘探應用領域:工程領域、石油領域、煤田領域、礦產領域等。一、物探方法的定義和物探方法的應用條件1、物探方法的定

工程物探:應用于工程地質、水文地質勘探和工程質量無損檢測、物性參數測試等的物理探測方法,簡稱“工程物探”。隧道超前地質預報的物探方法屬于工程物探領域。

綜合物探:根據勘探對象所具有的不同物理性質,采用兩種或兩種以上有效的物探方法或不同的裝置形式進行探測并對資料進行綜合分析作出物探結果的勘探方法。隧道超前地質預報原理與方法課件2、物探方法的應用條件⑴被探測對象與相鄰介質應存在一定的物性差異(如:電阻率、波阻抗、介電常數等),并具有可被探測的規模(需滿足一定徑深比)。⑵地形變化產生的異常畸變,不顯著改變探測對象的異常形態或可以進行校正。⑶存在電、磁、振動等干擾時,探測對象的異常能夠從干擾背景中區分出來(滿足一定的信噪比)。

由于上述原因,各種物探方法都有自己應用條件、探測精度。因此,我們常常根據探測對象所具有的不同物理性質,采用兩種或兩種以上有效的物探方法或不同的裝置形式進行探測并對資料進行綜合分析,消除多解性,得出物探結果來滿足不同的探測目的。2、物探方法的應用條件⑴被探測對象與相鄰介質應二、工程物探方法的分類

根據觀測天然或人工地球物理場的類型不同,工程物探方法分類如下:

⒈直流電法:

電測深法、電測剖面法、高密度電法、自然電場法、充電法、激發極化法等。⒉

電磁波法:可控源音頻大地電磁波、地質雷達法、瞬變電磁法等。⒊彈性波法:地震波法(直達波法、折射波法、反射波法、瑞雷波法、彈性CT法)、聲波法等。⒋磁法:探測鐵磁性埋設物體和磁性巖(礦)體。⒌放射性法:探測具有放射性的物體和巖(礦)體。⒍測井:電測井、聲速測井、放射性測井、超聲成像測井等

。⒎工程質量無損檢測:樁基小應變檢測、樁基大應變檢測、樁基聲波透視檢測、隧道襯砌雷達檢測等。

二、工程物探方法的分類

根據觀測天然或人工地球物三、隧道超前地質預報工作中常用的物探方法

工程物探方法都是應用于地表和井中的勘探方法,要在隧道中采用物探方法進行隧道超前地質預報,我們必須對那些用于二維地表探測的物探方法進行適當的探測裝置和處理軟件改進,使其適合三維隧道場地條件和施工環境的隧道超前地質預報工作。

從多年的實踐努力和經驗來看，我們認為：能在隧道內進行隧道超前地質預報工作的工程物探方法有:

1、彈性波反射法(常用的方法:地震反射波法)

2、電磁波反射的法(常用的方法:地質雷達法)

3、紅外探測法(常用的方法:紅外探水法)

4、高分辨直流電法(常用的方法:三極空間交匯探測法)說明:瞬變電磁法還不太成熟,還未列如《鐵路隧道超前地質預報技術指南》,本次就不介紹方法。三、隧道超前地質預報工作中常用的物探方法工程物探方四、物探方法在隧道超前地質預報中的重要性1、隧道超前地質預報工作的必要性⑴由于隧道深埋于地下，工程地質條件和水文地質條件復雜多變，而目前地質勘察工作又受技術、地形和工期所限，期望在施工前查明隧道圍巖的狀態、特性，特別是要準確地預測隧道施工中可能發生的地質災害的位置、規模和性質是十分困難的；⑵由于地質災害體的存在，僅依靠施工揭露再行處理的辦法，帶有很大的盲目性，常常發生各種突發事故，造成投資增加、人員和施工設備傷害、工期延誤等諸多問題。因此，采用科學的、先進的隧道超前地質預報方法來準確地預報隧道所通過范圍內的不良地質體的性質、規模和狀態是非常必要的。四、物探方法在隧道超前地質預報中的重要性1、隧道超前地2、物探方法在隧道超前地質預報中的重要性按照《鐵路隧道超前地質預報技術指南》鐵建設【2008】105號中的規定：

隧道超前地質預報應采用地質調查與勘探相結合、物探與鉆探相結合、長距離預報與短距離預報相結合、地面與地下相結合、超前導坑與主洞相結合的指導思想，通過對各種方法的預報結果綜合分析解釋，相互印證，有利于提高預報的準確率，積極為隧道的安全施工提供必要的技術支撐。根據上述規定可以看出：物探方法在隧道超前地質預報中占有非常重要的地位，再加上物探方法具有施測快捷、預報結果提供及時、費用低（相對超前鉆探而言）等特點，物探方法在隧道超前地質預報中得到了廣泛應用。2、物探方法在隧道超前地質預報中的重要性按照《鐵路隧道超根據鐵路隧道的開挖方式、工期要求和各物探方法的優缺點，我院認為:隧道內的物理探測應采用長距離預報（彈性波反射法）和短距離預報（地質雷達法或紅外探測法）相結合的綜合物探方法。

根據隧道的風險等級和不良地質情況采用不同的綜合物探預報方法，具體規定如下表（表-１）。

根據鐵路隧道的開挖方式、工期要求和各物探方法的優隧道超前地質預報采用綜合物探方法一覽表表-１序號適用條件適用風險等級物探類型采用物探方法1軟弱夾層，非可溶巖接觸帶，地表物探異常帶、差異風化帶及可能出現其它不良地質體。含炭（煤）地層。坍方風險及變形風險為中度。WT-1地震反射波法（TSP）2非可溶巖地段斷層及其破碎帶、可溶巖巖溶中度發育地段、可能出現的節理密集帶。風險為高度、突水突泥風險為中度及以上。WT-2以地震反射波法（TSP）為主、紅外探測法為輔的綜合物探預報方法3可溶巖巖溶強烈發育地段、可溶巖與非可溶巖接觸帶等可能出現溶洞、溶蝕破碎帶及富水節理密集帶。突水突泥高度風險、地表失水高度風險、坍方高度風險。WT-3以地震反射波法（TSP）為主、地質雷達法或紅外探測法為輔的綜合物探預報方法4巖溶發育（極強烈）地段；煤層采空區。高壓富水斷層。水突泥極高風險、地表失水極高風險、坍方高度風險。WT-4以地震反射波法（TSP）為主、地質雷達法或紅外探測法為輔的綜合物探預報方法隧道超前地質預報采用綜合物探方法一覽表表-

按照《鐵路隧道超前地質預報技術指南》鐵建設【2008】105號中的劃分，隧道內的物理探測方法有以下四類：⑴彈性波反射法；⑵電磁波反射法；⑶紅外探測法；⑷高分辨直流電法。下面按上述分類探討物探方法在隧道超前地質預報中的原理及方法。按照《鐵路隧道超前地質預報技術指南》鐵建第二部分隧道超前地質預報的物探方法原理與施作要點

一、彈性波反射法二、電磁波反射的法三、紅外探測法四、高分辨直流電法第二部分隧道超前地質預報的物探方法原理與一、彈性反射波法彈性波反射法是利用人工激發的地震波、聲波在不均勻地質體中所產生的反射波特性來預報隧道掌子面前方地質情況的一種物探方法，它包括地震波反射法、水平聲波反射法、負視速度法和極小偏移距高頻反射連續剖面法等方法。由于地震波反射法相對其它三種方法應用相對普遍和成熟，且從預報距離、探測精度和預報復雜不良地質問題的適應性幾方面綜合考慮，本次只介紹地震波反射法。目前，采用地震波反射法進行隧道超前地質預報的儀器主要有：TSP(瑞士)、TRT(美國)、TGP(中國)、TST(中國)等，由于目前隧道超前地質預報中使用最多的儀器是瑞士Amberg公司生產的TSP系列儀器，所以下面以TSP203儀器為例介紹地震波反射法在隧道超前地質預報中的應用情況。一、彈性反射波法彈性波反射法是利用人工激發的地震波、聲波在不1、TSP的基本原理圖1-1TSP法工作原理示意圖1、TSP的基本原理圖1-1TSP法工作原理示意圖圖1-2儀器：瑞士TSP-203

圖1-2儀器：瑞士TSP-203

圖1-3儀器：瑞士TSP-203現場工作照片圖1-3儀器：瑞士TSP-203現場工作照片

如圖1-1所示，在隧道的左邊墻或右邊墻位置按約1.5～2m的間距分別布置24個激發孔，激發孔布置在左邊墻還是右邊墻取決于巖層的主導走向，如果定義靠近掌子面的第一個炮孔為1號孔，則在離第24個激發孔15～20m的左邊墻和右邊墻的位置分別布置一個地震波信息接收孔，激發孔和接收孔基本保持在同一高度上。通過在各個激發孔內分別用小藥量乳化炸藥爆破的方式激發地震波，所產生的地震波以球面波的形式在圍巖中傳播。反射回來的地震波由高精度的接收器所接收并傳遞到主機形成地震波記錄（見圖2）。如圖1-1所示，在隧道的左邊墻或右邊墻位置圖2TSP法波形記錄

圖2TSP法波形記錄由于波的傳播是一個球面擴散過程，所以一部分波會傳到掌子面前方的圍巖中去，當地震波遇到波阻抗有差異的地方，一部分波會被反射回來，一部分波會繼續向前傳播，波將依次傳遞下去，直到隨著傳播距離的增加和球面的擴大，能量足夠小不能被接收到為止。通常，兩側介質的波阻抗差異越大，反射回來的能量越強，探測效果也越好。因為隧道中激發的地震波的傳播是一個能量球面擴散的過程，所以為了能接收到掌子面前方的反射信號，就要求我們的接收器要有一定的方向性。在TSP203硬件系統中，采用了兩個高靈敏度的三分量檢波器，在安裝檢波器的時候一定要使標有“掌子面”的一面朝向掌子面方向；而在軟件中，則采用“傾角濾波”的算法進行。現場采集的數據，經TSPwin軟件處理便可以得到P波、SH波和SV波的時間剖面、速度分析圖、深度偏移圖、反射波層位、反射波相位、反射能量大小等資料，應用這些資料并結合隧道地質情況便可對掌子面前方的溶洞、軟弱巖層、斷層、節理裂隙密集帶及富水情況等不良地質情況做出推斷。由于波的傳播是一個球面擴散過程，所以一部分波會傳用TSP法進行隧道超前地質預報應注意的幾個要點

1、通過實踐表明：雖然TSP儀器還不能準確預報溶洞的形狀，但把它作為一種半定量的中距離主控（一般有效探測距離為100～150m,需根據圍巖軟弱情況而定）預報方法還是行之有效的，特別是對能給施工帶來安全隱患的斷層、軟弱的含煤地層及采空區、巖溶強烈發育區、含水體、節理裂隙發育區等的預報還是比較準確的。因此,TSP法可作為隧道超前地質預報的主控預報方法。

2、由于物探方法的多解性及間接性（通過圍巖的物性參數來推測圍巖的結構）的影響，物探方法預報只能對掌子面前方的物探異常進行定性和半定量～定量解釋。為了使物探地質解譯更準確，需要用少量的超前水平鉆探（含加深炮眼探測）進行驗證或修正；3、目前TSP法還不能對溶洞的形態、含水體的含水量及水壓、煤層的瓦斯含量等進行正確判斷。

用TSP法進行隧道超前地質預報應注意的幾個要點1、

4、由于圍巖地層的存在各向異性和掌子面前方不良地質體的位置不同，根據TSP法的探測原理，為了準確預報掌子面前方所有不良地質體需要在隧道左右邊墻分別布置一個接受器。有些預報單位為了減小成本只布置一個接收器，這是不滿足要求的，需堅決杜絕的。5、在地震彈性波法（TSP）探測時需要利用三分量接收器接收從不良地質體反射回來的彈性波（P波-縱波、SH波-橫波、SV波-橫波），由于彈性波在軟弱介質中傳播時其能量會嚴重衰減，特別是橫波衰減更嚴重（在水中不能傳播），因此要求在埋設接收器導管時用環氧樹脂或錨固劑（實驗證明是滿足要求的）進行耦合，決不能采用黃油進行耦合，只有這樣才能保證P波-縱波、SH波-橫波、SV波-橫波的正常接收。如果用少量環氧樹脂或錨固劑進行耦合，或者直接用黃油進行耦合達到接收器道管的回收利用是應堅決杜絕的。下面我用圖-3～圖-5來說明這樣要求的原因

圖-3縱波、橫波傳播示意圖

P-WAVES-WAVEPROPAGATIONOFP-ANDS-WAVESdirectionofwavepropagationP=compressionalwave

directionofparticlemotion

SVSHS=shearwave

directionofparticlemotion圖-3縱波、橫波傳播示意圖

P-WAVES-WAV圖-4三分量接收器導管圖-4三分量接收器導管圖-5三分量接收器導管的耦合

steeltube3圖-5三分量接收器導管的耦合

steeltube32、TSP的應用效果

⑴小型溶洞預報實例隧道地質情況:

某鐵路隧道全長2066m，本次預報里程范圍內隧道埋深40～109m，由二疊系茅口棲霞組灰巖組成，屬堅硬巖類，裂隙較發育，巖體為中厚層狀結構，巖體較完整。地下水位于洞身以下，該段隧道主要位于垂直滲流帶內，巖溶以垂直向巖溶裂隙、溶槽、溶溝發育為主，少量水平向巖溶裂隙，地下水以季節性股狀及淋雨狀出露。預報結論:本次預報時檢波器里程為K19+327,掌子面（即隧道開挖工作面）里程為K19+266，預報發現在檢波器前方65m附近存在一個低速異常區域（見圖6中藍色顯示），另外結合二維成果圖（見圖7）中的K19+259處楊氏模量數值突然降低（代表圍巖強度降低），泊松比數值突然升高（代表圍巖流塑性增加）綜合分析：推測在K19+259～K19+251段巖溶強烈發育，存在溶洞。紅色代表掃描的速度值高速區域藍色代表掃描的速度值低速區域圖6SV波速度掃描圖像圖7某鐵路隧道TSP反射層位及物理力學參數二維成果圖開挖遇到溶洞的位置2、TSP的應用效果

⑴小型溶洞預報實例紅色代表掃描的速度值開挖驗證情況:隧道開挖掌子面到達K19+259時，在掌子面上出現一個小型溶洞，內部充填物為塊石土。后經揭示發現該溶洞占據了整個掌子面，沿隧道軸向發育長度為3～5m。掌子面開挖遇到溶洞的照片見圖8所示。圖8K19+259處揭示的巖溶照片開挖驗證情況:圖8K19+259處揭示的巖溶照片⑵大型溶洞預報實例開挖遇溶洞位置開挖遇溶洞位置圖10SH波深度偏移圖像圖9P波深度偏移圖像圖11SV波深度偏移圖像開挖遇溶洞位置圖12**隧道TSP二維成果圖隧道地質情況:

某鐵路隧道全長3086m，本次預報里程范圍內隧道埋深220～250m，本次預報里程范圍內圍巖為灰巖，設計圍巖級別為Ⅳ級。⑵大型溶洞預報實例開挖遇溶洞位置開挖遇溶洞位置圖10SH預報結論:

本次預報時檢波器處里程為K92+584.5，在深度偏移圖上我們發現橫波掃描圖像中都存在異常，在檢波器前方123m以后發現縱波能正常通過，橫波在123m以后發現衰減很厲害，甚至顯示橫波未能通過。在二維成果圖上的反射界面反而反映不明顯，但是因為前邊提到橫波的衰減問題，在二維成果圖中靠近后半部分我們未能發現有橫波反射信號（二維成果圖中定義P波用三角表示，SH波用圓圈表示，SV波用方塊表示），而只剩下縱波的反射界面。綜合以上情況綜合分析，預報推測在檢波器前方123m（即K92+461處）的地方存在無充填大型溶洞。開挖驗證情況及小結:

隧道開挖在K92+461～K92+440段發現一個大型溶洞，該溶洞為一個干溶洞，內部沒有水，也沒有任何充填物，沿線路方向的長度為21m，最大高度約10m，寬度約8m。

結合開挖后遇到的溶洞情況分析，我們分析認為：因為橫波是剪切波，所以當大型溶洞為空或充填水時，則會有圖9～圖11所顯示的情況發生，橫波衰減厲害甚至顯示“通不過”；該溶洞若是被泥夾石充填，則橫波衰減應該沒有空溶洞或充填水的這種溶洞衰減厲害。預報結論:⑶斷層及含水體實例圖12

TSP2D成果圖隧道地質情況:某隧道平導全長為14315m，預報區存在次級斷層—燕子窩斷層，圍巖級別為V級。預報結論:

PDK111+846～+880為斷層破碎帶及影響帶，其斷層核心帶位于PDK111+860～+867，核心帶圍巖力學性質很差，且富水，全施工時加強支護，防止坍塌和突水。開挖驗證情況:開挖至PDK110＋848處圍巖變差，PDK110＋861處時發現左側拱部涌水，并伴隨拱部大量坍塌，隨著開挖不斷前進，涌水量不斷增大，平均涌水量約950m3/h，最大12180m3/h。此現象一直到PDK110＋865結束，說明我們的預報結論準確的。⑶斷層及含水體實例圖12TSP2D成果圖⑷暗河實例圖13**隧道TSP二維成果圖開挖驗證情況:開挖揭示大型暗河,其位置示意圖見圖14。該例說明:TSP法雖能預報暗河,但對具有復雜形態的暗河或大型不規則溶洞是不能預報它們的具體形態和三維空間位置。預報結論:1、DK922+670～+606段：圍巖破碎，巖溶強烈發育，存在中大型溶洞（或暗河）;2、DK922+606～+568段：圍巖較破碎，巖溶弱發育。圖14**隧道暗河位置示意圖二維成果⑷暗河實例圖13**隧道TSP二維成果圖開挖驗證情況:圖二、電磁波反射法

1、電磁波反射法的原理電磁波反射法超前地質預報主要采用地質雷達法探測。

二、電磁波反射法

1、電磁波反射法的原理

在地質雷達數據采集過程中，由地質雷達的發射天線向被探測體內發射高頻電磁波，當高頻電磁波傳至被探測體內兩種不同介質的分界面（如：界面、空洞、不密實帶等）時，由于兩種介質的介電常數不同而使電磁波發生反射，反射波的傳播遵循反射定律，反射波返回被檢測體的表面，并由地質雷達的接收天線所接收，形成雷達圖像。雷達圖像包含了被檢測體的豐富信息，根據雷達圖像特征對被探測體進行定性判釋，再根據下式可對被探測體的異常部位作定量解釋。H=V*T/2

由于地質雷達法具有異常圖像直觀、工作效率及分辨率高等優點，該方法可應用在隧道超前地質預報中的短距離(15～30m)預報。工作原理示意圖見圖15-1所示。圖15-1地質雷達工作原理示意圖由于地質雷達法具有異常圖像直觀、工作效率及分辨率圖15-2地質雷達測線布置示意圖和SIR3000現場探測照片

圖15-2地質雷達測線布置示意圖和SIR3000現場探測照片用地質雷達法進行隧道超前地質預報應注意的幾個要點

1、雖然地質雷達法具有高分辨率、圖象直觀、預報時間較短等特點，但地質結構復雜地段往往存在水，且掌子面處多破碎，掉塊嚴重，很難把掌子面處理平整，因此地質雷達很難在這些地方取得有效資料，因此大大降低了地質雷達在隧道超前地質預報中適用性。2、由于金屬對雷達波具有很強的反射作用，因此在施測時需要把含有金屬材料的設備遷移到遠離掌子面的地方。

有些預報單位未認識到上述影響和要求,未按要求執行，結果是所獲得的數據信息信噪比低、干擾大，嚴重影響了預報結果。用地質雷達法進行隧道超前地質預報應注意的幾個要點12、電磁波反射法的應用效果

⑴完整圍巖的地質雷達圖象

左圖為在完整圍巖上采集的地質雷達數據，可見電磁波反射波信號較平靜，無明顯反射信號，能量亦呈正常衰減趨勢。圖16完整圍巖的地質雷達法圖象2、電磁波反射法的應用效果

⑴完整圍巖的地質雷達圖象⑵溶蝕破碎帶的地質雷達圖象左圖中有明顯的電磁波反射信號，反射信號同相軸較連續，并且反射的電磁波信號較強，分析認為在掌子面后面5～10米深度范圍內存在不良地質體，結合現場的圍巖巖性為灰巖情況綜合分析認為掌子面前方為溶蝕破碎帶(經開挖驗證結論準確)。圖17溶蝕破碎帶的地質雷達法圖象

⑵溶蝕破碎帶的地質雷達圖象左圖中有明顯⑶溶洞的地質雷達圖象

左圖中有明顯的電磁波反射信號，在7～19米范圍內由近似拋物線的反射波軸頂點包羅的區域為粘土充填型溶洞范圍(經開挖驗證結論準確)。圖18-1粘土充填型溶洞的地質雷達法圖象

⑶溶洞的地質雷達圖象圖18-1粘土充填⑶溶洞的地質雷達圖象

左圖中有明顯的非常強的電磁波反射信號，在9～29米范圍內形成非常強的能量團塊,為充水型溶洞范圍(經開挖驗證結論準確)。圖18-2充水型溶洞的地質雷達法圖象

⑶溶洞的地質雷達圖象圖18-2充水型溶三、紅外探測法

1、紅外探測法的原理

地質體(如含水體)每時每刻都在向外部發射紅外能量，并形成紅外輻射場。地質體由內向外發射紅外輻射時，必然會把地質體內部的信息以紅外電磁場的形式傳遞出來。紅外探測法就是通過接收和分析紅外輻射信號進行超前地質預報的一種物探方法。

三、紅外探測法

野外施測時采用：在掌子面后方60米處，朝掌子面方向每隔5m對隧道周邊探測一次,每次探測順序依次為左邊墻、左拱腰、拱頂、右拱腰、右邊墻和隧底中線，共探測12個斷面，這樣沿隧道軸線方向共形成6條探測曲線，分別為左邊墻探測曲線、左拱腰探測曲線、拱頂探測曲線、右拱腰探測曲線、右邊墻探測曲線和隧底中線探測曲線。依據探測數據繪制沿隧道軸向的探測曲線，如果開挖工作面前方存在儲水構造，在靠近開挖工作面一端曲線會出現明顯下降或上升。

圖19-1中國HW-304現場探測照片圖19-1中國HW-304現場探測照片2、紅外探測法的應用效果從圖19-2的探測所得的場值數據表明：最大值與最小值之差大于安全值10μW/cm2，且臨近掌子面處曲線有明顯異常，呈上升趨勢，因此推斷掌子面前方30米范圍內圍巖含水量較大，存在涌水的可能性極大。后經鉆探驗證掌子面前方確實存在含水體，且從鉆孔噴出距離達3m。

通過我單位的大量實踐證明：

1、紅外探測還不能對水量和水壓作出定量預報；

2、在含水地段預報承壓水比較困難。

圖19-2沿隧道軸線方向各探測測線上所測場值曲線

2、紅外探測法的應用效果從圖19-2的探測所得第三部分隧道超前地質預報綜合方法運用

第三部分隧道超前地質預報綜合方法運用

二超前地質預報的目的、內容、工作程序1、超前地質預報的目的進一步查清隧道開挖工作面前方的工程地質與水文地質條件，指導工程施工的順利進行；降低地質災害發生的機率和危害程度；為優化工程設計提供地質依據；為編制竣工文件提供地質資料。二超前地質預報的目的、內容、工作程序1、超前地質預報的目2、超前地質預報的內容地層巖性預測預報，特別是對軟弱夾層、破碎地層、煤層及特殊巖土的預測預報；地質構造預測預報，特別是對斷層、節理密集帶、褶皺軸等影響巖體完整性的構造發育情況的預測預報；不良地質預測預報，特別是對巖溶、人為坑洞、瓦斯等發育情況的預測預報；地下水預測預報，特別是對巖溶管道水及富水斷層、富水褶皺軸、富水地層中的裂隙水等發育情況的預測預報。2、超前地質預報的內容地層巖性預測預報，特別是對軟弱夾層、破三超前地質預報方法1、超前地質預報方法

根據《鐵路隧道超前地質預報技術指南》的規定:由于各預報方法均有優缺點,隧道超前地質預報應采用地質調查法、超前鉆探法(含加深炮眼法)、物探法和超前導坑預報法進行綜合預報。

三超前地質預報方法1、超前地質預報方法2、超前地質預報方法選擇原則根據隧道的風險等級，隧道超前地質預報應采用與設計相符合的綜合預報方法進行預報,并對各方法預報結果綜合分析，相互驗證，提高預報準確性。

方法選擇原則如下:

⑴隧道超前地質預報可采用長距離預報、中長距離預報、短距離預報和超短距離預報相結合的綜合預報方法。⑵長距離預報：預報長度100m以上。可采用地質調查法—地表補充地質調查、地震波反射法。

⑶中長距離預報：預報長度30～80m。可采用地質調查法—地表補充地質調查、30～80m的超前鉆探等。

⑷短距離預報：預報長度30m以內。可采用地質調查法—隧道內地質素描、地質雷達法、紅外探測法及小于30m的超前鉆探等。

⑸

超短距離預報：預報長度5m以內。可采用地質調查法—隧道內地質素描、加深炮眼法等。2、超前地質預報方法選擇原則根據隧道的風險等級，3、地質調查法

地質調查法是根據隧道已有勘察資料、地表補充地質調查和隧道內地質素描等資料，通過地層層序對比、地層分界線及構造線地下與地表相關性分析、斷層要素與隧道幾何參數的相關性分折、臨近隧道內不良地質體的前兆分析等，利用常規地質理論、地質作圖和趨勢分析等，推測開挖工作面前方可能揭示地質情況的一種超前地質預報方法。3、地質調查法地質調查法是根據隧道地質調查法是一種傳統、實用和基本的超前地質預報方法，具有綜合和指導其他預報方法的作用。地質調查法不占用工作面施工時間、不干擾施工、設備簡單、操作方便、提交資料及時，可隨時掌握隧道開挖工作面的地層、巖性、地質構造、地下水等地質條件的變化，是隧道施工過程中的地質工作，是隧道工程全過程地質工作的重要一環，是隧道超前地質預報的基礎工作。地質調查法不僅是一種地質預報手段，而且可以補充和完善隧道設計地質資料，也便于施工與設計資料對比，積累經驗，同時也是竣工資料的一部分，更為隧道運營階段隧道病害整治提供完整的隧道地質資料。

這種方法對與隧道交角較大而又向前傾的結構面、特殊巖溶(溶洞的發育具有突變性)容易產生漏報。地質調查法是一種傳統、實用和基本的超前地質預報方法，具有綜合4、物探法

隧道超前地質預報物探法為彈性波反射法（包括以TSP法為代表的隧道地震波預報法、水平聲波反射法、負視速度法、陸地聲納法）、地質雷達探測、紅外探測、高分辨率直流電法、時域瞬變電磁法等。應用相對普遍和成熟的主要為地震反射波法、地質雷達探測、紅外探測。物探適用范圍廣，方法多，設備輕便，效率高，但各種物探方法都需具備一定的應用條件，其裝置的選擇、測線的布置、采集的數據質量和資料的處理與解釋都直接關系到物探的效果；物探結果具有多解性，因此對于地質條件復雜的隧道應采用綜合物探，并結合其它資料探測(如:超前鉆探資料、地質調查法資料等)進行綜合分析，相互驗證，提高預報準確性。4、物探法隧道超前地質預報物探法為彈性波反射隧道超前地質預報采用綜合物探方法一覽表表-2序號適用條件適用風險等級物探類型采用物探方法1軟弱夾層，非可溶巖接觸帶，地表物探異常帶、差異風化帶及可能出現其它不良地質體。含炭（煤）地層。坍方風險及變形風險為中度。WT-1地震反射波法（TSP）2非可溶巖地段斷層及其破碎帶、可溶巖巖溶中度發育地段、可能出現的節理密集帶。風險為高度、突水突泥風險為中度及以上。WT-2以地震反射波法（TSP）為主、紅外探測法為輔的綜合物探預報方法3可溶巖巖溶強烈發育地段、可溶巖與非可溶巖接觸帶等可能出現溶洞、溶蝕破碎帶及富水節理密集帶。突水突泥高度風險、地表失水高度風險、坍方高度風險。WT-3以地震反射波法（TSP）為主、地質雷達法或紅外探測法為輔的綜合物探預報方法4巖溶發育（極強烈）地段；煤層采空區。高壓富水斷層。水突泥極高風險、地表失水極高風險、坍方高度風險。WT-4以地震反射波法（TSP）為主、地質雷達法或紅外探測法為輔的綜合物探預報方法隧道超前地質預報采用綜合物探方法一覽表表-5、超前鉆探法

·

超前地質鉆孔法

·加深炮眼探測法5、超前鉆探法

·超前地質鉆孔法⑴超前地質鉆孔

利用鉆機在隧道開挖工作面進行鉆探獲取地質信息的一種超前地質預報方法。它比較直觀地探明鉆孔所經過部位的地層巖性、巖體完整程度、巖溶及地下水發育情況等。超前地質鉆探適用于各種地質條件下隧道的超前地質預報，宜在富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發育區、煤層瓦斯發育區、重大物探異常區等地質條件復雜時必須采用。超前地質鉆探主要有沖擊鉆和回轉取芯鉆，二者應合理搭配使用，提高預報準確率又提高鉆探速度，減少開挖工作面占有時間。超前地質鉆孔采用單孔水平取巖芯鉆探法，鉆孔是否取巖芯根據不同地質條件確定。在需連續鉆探時，一般每循環鉆探20～30m，活動斷裂帶或必要時需鉆探50～100m，相鄰兩循環重疊長度應在5～8m。超前地質鉆探的缺點：成本高、耗時長(對工期影響較大)；“一孔之見”容易產生漏報。⑴超前地質鉆孔

利用鉆機在隧道開挖工作面進行鉆探獲取地質信⑵加深炮眼探測

是利用風鉆或鑿巖臺車等在隧道開挖工作面鉆小孔徑淺孔獲取地質信息的一種方法。加深炮孔探測適用于各種地質條件下隧道的超前地質探測，尤其適用于巖溶發育區。加深炮眼（即加深炮眼超前探測）利用在隧道開挖工作面上的炮鉆孔來探測前方圍巖的地質情況，在每一循環鉆設炮眼時布設3～5個鉆孔加深3m以上作為探測孔。加深炮眼探測是超前地質鉆探的重要補充，因其數量較多，在巖溶發育區大大增加揭示溶洞的機率，效果非常明顯。與超前地質鉆探相比，具有設備移動靈活、操作方便、費用低、占用隧道施工時間短的特點，可與爆破孔同時施作。但孔淺，不能取巖心。

⑵加深炮眼探測是利用風鉆或鑿巖臺車等在隧道開挖工作面鉆小孔超前鉆探、加深炮眼探測方法組合表

(表-3)適應條件適用風險等級鉆探類型主要手段備注所有工點全部風險類型ZT-1加深炮眼（5孔）最基本手段地表存在構筑物及隧道淺埋偏壓地段。坍方風險為高度、變形風險為中度。ZT-2超前鉆孔（2孔）+加深炮眼（5孔）,其中1孔取芯。高地應力：軟巖大變形及巖爆。坍方風險為中度、變形風險為中度，巖爆風險為中度。ZT-3超前鉆孔（3孔）+加深炮眼（5孔）,其中1孔取芯,3孔為地應力測試孔。發生大變形、巖爆時補做應力測試，包括原始應力、接觸應力、巖石試驗等地質構造帶，巖層接觸帶，物探異常區。突水突泥中度風險、坍方中度風險。超前鉆孔（3孔）+加深炮眼（5孔）,其中1孔取芯。巖溶發育區突水突泥中度風險、地表失水高風險。ZT-4超前鉆孔（5孔）+加深炮眼（10孔）。高壓富水地段突水突泥極高風險、地表失水極高風險。ZT-5超前鉆孔（5孔），所有探測孔均需設置關水閥門，1孔設置測壓裝置。其中3孔作為定位孔。活動斷裂帶突水突泥中度風險、坍方中度風險。ZT-6超前鉆孔（3孔）+加深炮眼（5孔）,其中1孔取芯。超前鉆孔80～100m煤系地層瓦斯及煤層突出高度風險。ZT-7在距離15m垂直距離處設置1個超前鉆孔，初步探測煤層位置，在距初探煤層10m出鉆5個超前鉆孔，并進行相關參數測試。其中2個孔要求取芯。具體測試項目按《指南辦理》超前鉆探、加深炮眼探測方法組合表(表-3)適應6、超前導坑預報法超前導坑預報法是以超前導坑中揭示的地質情況，通過地質理論和作圖法預報后挖正洞（或導坑）地質條件的方法。可分為平行超前導坑法和正洞超前導坑法。線間距較小的兩座隧道可互為平行導坑，以先行開挖的隧道預報后挖的隧道地質條件。本方法適用于各種地質條件，對煤層、斷層、地層分界線等面狀結構面預報比較高準確，對巖溶等預報不準（漏報）的可能。在巖溶發育可能較大的地段可利用物探、鉆探手段由導坑向正洞探測預報。6、超前導坑預報法超前導坑預報法是以超前導坑中揭示的地質情況⑴平行超前導坑法是在隧道正洞左邊或右邊一定距離開挖一個平行的斷面較小的導坑，以超前導坑中揭示的地質情況，通過地質理論和作圖法預報正洞地質條件。平行導坑的作用很多，地質預報只是其中用途之一，一般只有當設計有平行導坑時才采用該預報方法，因其費用極為昂貴。⑴平行超前導坑法是在隧道正洞左邊或右邊一定距離開挖一個平行的⑵正洞超前導坑法

是在隧道正洞中某個部位開挖一個斷面較小的導坑以探明地質情況的方。該方法較平行導坑法更直接、更準確。該法可作為隧道施工工法的一種，即開挖了隧道，又探明了地質情況。⑵正洞超前導坑法是在隧道正洞中某個部位開挖一個斷面較小的導四超前地質預報工作量的確定原則各種預報方法工作量確定原則

⑴地質調查法：全隧道實施。⑵物探法

隧道地震波預報法（TSP法）：可溶巖段、可溶巖與非可溶巖的接觸帶，應在左線和右線、輔助坑道，全段落實施；非可溶巖段隧道，按一線拉通實施。地質雷達方法、紅外探測法：在可溶巖段、可溶巖與非可溶巖的接觸帶、TSP法的物探異常帶、可能發生涌突水的段落實施。四超前地質預報工作量的確定原則各種預報方法工作量確定原則⑶超前鉆探法

加深炮眼：每循環實施；超前鉆孔：在可溶巖地段、可溶巖與非可溶巖的接觸帶、物探法揭示的嚴重的物探異常區實施。

超前鉆孔深度:

⑴孔深小于30m的鉆孔：在物探法揭示的嚴重的物探異常區，可溶巖段、可溶巖與非可溶巖的接觸帶實施；

⑵孔深80m鉆孔：在活動斷裂帶實施。⑶超前鉆探法

加深炮眼：每循環實施；⑷超前導坑法：根據隧道設計、開挖情況(有需要)實施。

⑷超前導坑法：根據隧道設計、開挖情況(有需要)實施。

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ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.Ltd.隧道超前地質預報方法與施作要點2012年6月中國中鐵二院工程集團有限責任公司2012年6月匯報內容第一部分隧道超前地質預報的物探方法第二部分隧道超前地質預報的物探方法原與施作要點第三部分隧道超前地質預報綜合方法運用匯報內容第一部分隧道超前地質預報的物探方法第一部分隧道超前地質預報的物探方法

一、物探方法的定義和物探方法的應用條件二、工程物探方法的分類三、隧道超前地質預報工作中常用的物探方法

四、物探方法在隧道超前地質預報中的重要性第一部分隧道超前地質預報的物探方法一、物探方一、物探方法的定義和物探方法的應用條件

1、物探方法的定義

物探方法:利用物理學的原理和專門的探測儀器,觀測并綜合分析探測空間物理場的分布特征,確定被探測體的形態和性質的探測方法。物探方法應用領域:軍事領域、醫學領域、地質勘察領域等。

物探方法在地質勘察領域的應用:《鐵路工程物理勘探規范》TB10013-2010

物理勘探:利用物理學的原理、方法和專門的儀器,觀測并綜合分析天然或人工地球物理場的分布特征,探測地質體或地質構造形態分布的勘探方法,簡稱“物探”。物理勘探應用領域:工程領域、石油領域、煤田領域、礦產領域等。一、物探方法的定義和物探方法的應用條件1、物探方法的定

工程物探:應用于工程地質、水文地質勘探和工程質量無損檢測、物性參數測試等的物理探測方法,簡稱“工程物探”。隧道超前地質預報的物探方法屬于工程物探領域。

綜合物探:根據勘探對象所具有的不同物理性質,采用兩種或兩種以上有效的物探方法或不同的裝置形式進行探測并對資料進行綜合分析作出物探結果的勘探方法。隧道超前地質預報原理與方法課件2、物探方法的應用條件⑴被探測對象與相鄰介質應存在一定的物性差異(如:電阻率、波阻抗、介電常數等),并具有可被探測的規模(需滿足一定徑深比)。⑵地形變化產生的異常畸變,不顯著改變探測對象的異常形態或可以進行校正。⑶存在電、磁、振動等干擾時,探測對象的異常能夠從干擾背景中區分出來(滿足一定的信噪比)。

由于上述原因,各種物探方法都有自己應用條件、探測精度。因此,我們常常根據探測對象所具有的不同物理性質,采用兩種或兩種以上有效的物探方法或不同的裝置形式進行探測并對資料進行綜合分析,消除多解性,得出物探結果來滿足不同的探測目的。2、物探方法的應用條件⑴被探測對象與相鄰介質應二、工程物探方法的分類

根據觀測天然或人工地球物理場的類型不同,工程物探方法分類如下:

⒈直流電法:

電測深法、電測剖面法、高密度電法、自然電場法、充電法、激發極化法等。⒉

電磁波法:可控源音頻大地電磁波、地質雷達法、瞬變電磁法等。⒊彈性波法:地震波法(直達波法、折射波法、反射波法、瑞雷波法、彈性CT法)、聲波法等。⒋磁法:探測鐵磁性埋設物體和磁性巖(礦)體。⒌放射性法:探測具有放射性的物體和巖(礦)體。⒍測井:電測井、聲速測井、放射性測井、超聲成像測井等

。⒎工程質量無損檢測:樁基小應變檢測、樁基大應變檢測、樁基聲波透視檢測、隧道襯砌雷達檢測等。

二、工程物探方法的分類

根據觀測天然或人工地球物三、隧道超前地質預報工作中常用的物探方法

工程物探方法都是應用于地表和井中的勘探方法,要在隧道中采用物探方法進行隧道超前地質預報,我們必須對那些用于二維地表探測的物探方法進行適當的探測裝置和處理軟件改進,使其適合三維隧道場地條件和施工環境的隧道超前地質預報工作。

從多年的實踐努力和經驗來看，我們認為：能在隧道內進行隧道超前地質預報工作的工程物探方法有:

1、彈性波反射法(常用的方法:地震反射波法)

2、電磁波反射的法(常用的方法:地質雷達法)

3、紅外探測法(常用的方法:紅外探水法)

4、高分辨直流電法(常用的方法:三極空間交匯探測法)說明:瞬變電磁法還不太成熟,還未列如《鐵路隧道超前地質預報技術指南》,本次就不介紹方法。三、隧道超前地質預報工作中常用的物探方法工程物探方四、物探方法在隧道超前地質預報中的重要性1、隧道超前地質預報工作的必要性⑴由于隧道深埋于地下，工程地質條件和水文地質條件復雜多變，而目前地質勘察工作又受技術、地形和工期所限，期望在施工前查明隧道圍巖的狀態、特性，特別是要準確地預測隧道施工中可能發生的地質災害的位置、規模和性質是十分困難的；⑵由于地質災害體的存在，僅依靠施工揭露再行處理的辦法，帶有很大的盲目性，常常發生各種突發事故，造成投資增加、人員和施工設備傷害、工期延誤等諸多問題。因此，采用科學的、先進的隧道超前地質預報方法來準確地預報隧道所通過范圍內的不良地質體的性質、規模和狀態是非常必要的。四、物探方法在隧道超前地質預報中的重要性1、隧道超前地2、物探方法在隧道超前地質預報中的重要性按照《鐵路隧道超前地質預報技術指南》鐵建設【2008】105號中的規定：

隧道超前地質預報應采用地質調查與勘探相結合、物探與鉆探相結合、長距離預報與短距離預報相結合、地面與地下相結合、超前導坑與主洞相結合的指導思想，通過對各種方法的預報結果綜合分析解釋，相互印證，有利于提高預報的準確率，積極為隧道的安全施工提供必要的技術支撐。根據上述規定可以看出：物探方法在隧道超前地質預報中占有非常重要的地位，再加上物探方法具有施測快捷、預報結果提供及時、費用低（相對超前鉆探而言）等特點，物探方法在隧道超前地質預報中得到了廣泛應用。2、物探方法在隧道超前地質預報中的重要性按照《鐵路隧道超根據鐵路隧道的開挖方式、工期要求和各物探方法的優缺點，我院認為:隧道內的物理探測應采用長距離預報（彈性波反射法）和短距離預報（地質雷達法或紅外探測法）相結合的綜合物探方法。

根據隧道的風險等級和不良地質情況采用不同的綜合物探預報方法，具體規定如下表（表-１）。

根據鐵路隧道的開挖方式、工期要求和各物探方法的優隧道超前地質預報采用綜合物探方法一覽表表-１序號適用條件適用風險等級物探類型采用物探方法1軟弱夾層，非可溶巖接觸帶，地表物探異常帶、差異風化帶及可能出現其它不良地質體。含炭（煤）地層。坍方風險及變形風險為中度。WT-1地震反射波法（TSP）2非可溶巖地段斷層及其破碎帶、可溶巖巖溶中度發育地段、可能出現的節理密集帶。風險為高度、突水突泥風險為中度及以上。WT-2以地震反射波法（TSP）為主、紅外探測法為輔的綜合物探預報方法3可溶巖巖溶強烈發育地段、可溶巖與非可溶巖接觸帶等可能出現溶洞、溶蝕破碎帶及富水節理密集帶。突水突泥高度風險、地表失水高度風險、坍方高度風險。WT-3以地震反射波法（TSP）為主、地質雷達法或紅外探測法為輔的綜合物探預報方法4巖溶發育（極強烈）地段；煤層采空區。高壓富水斷層。水突泥極高風險、地表失水極高風險、坍方高度風險。WT-4以地震反射波法（TSP）為主、地質雷達法或紅外探測法為輔的綜合物探預報方法隧道超前地質預報采用綜合物探方法一覽表表-

按照《鐵路隧道超前地質預報技術指南》鐵建設【2008】105號中的劃分，隧道內的物理探測方法有以下四類：⑴彈性波反射法；⑵電磁波反射法；⑶紅外探測法；⑷高分辨直流電法。下面按上述分類探討物探方法在隧道超前地質預報中的原理及方法。按照《鐵路隧道超前地質預報技術指南》鐵建第二部分隧道超前地質預報的物探方法原理與施作要點

一、彈性波反射法二、電磁波反射的法三、紅外探測法四、高分辨直流電法第二部分隧道超前地質預報的物探方法原理與一、彈性反射波法彈性波反射法是利用人工激發的地震波、聲波在不均勻地質體中所產生的反射波特性來預報隧道掌子面前方地質情況的一種物探方法，它包括地震波反射法、水平聲波反射法、負視速度法和極小偏移距高頻反射連續剖面法等方法。由于地震波反射法相對其它三種方法應用相對普遍和成熟，且從預報距離、探測精度和預報復雜不良地質問題的適應性幾方面綜合考慮，本次只介紹地震波反射法。目前，采用地震波反射法進行隧道超前地質預報的儀器主要有：TSP(瑞士)、TRT(美國)、TGP(中國)、TST(中國)等，由于目前隧道超前地質預報中使用最多的儀器是瑞士Amberg公司生產的TSP系列儀器，所以下面以TSP203儀器為例介紹地震波反射法在隧道超前地質預報中的應用情況。一、彈性反射波法彈性波反射法是利用人工激發的地震波、聲波在不1、TSP的基本原理圖1-1TSP法工作原理示意圖1、TSP的基本原理圖1-1TSP法工作原理示意圖圖1-2儀器：瑞士TSP-203

圖1-2儀器：瑞士TSP-203

圖1-3儀器：瑞士TSP-203現場工作照片圖1-3儀器：瑞士TSP-203現場工作照片

如圖1-1所示，在隧道的左邊墻或右邊墻位置按約1.5～2m的間距分別布置24個激發孔，激發孔布置在左邊墻還是右邊墻取決于巖層的主導走向，如果定義靠近掌子面的第一個炮孔為1號孔，則在離第24個激發孔15～20m的左邊墻和右邊墻的位置分別布置一個地震波信息接收孔，激發孔和接收孔基本保持在同一高度上。通過在各個激發孔內分別用小藥量乳化炸藥爆破的方式激發地震波，所產生的地震波以球面波的形式在圍巖中傳播。反射回來的地震波由高精度的接收器所接收并傳遞到主機形成地震波記錄（見圖2）。如圖1-1所示，在隧道的左邊墻或右邊墻位置圖2TSP法波形記錄

圖2TSP法波形記錄由于波的傳播是一個球面擴散過程，所以一部分波會傳到掌子面前方的圍巖中去，當地震波遇到波阻抗有差異的地方，一部分波會被反射回來，一部分波會繼續向前傳播，波將依次傳遞下去，直到隨著傳播距離的增加和球面的擴大，能量足夠小不能被接收到為止。通常，兩側介質的波阻抗差異越大，反射回來的能量越強，探測效果也越好。因為隧道中激發的地震波的傳播是一個能量球面擴散的過程，所以為了能接收到掌子面前方的反射信號，就要求我們的接收器要有一定的方向性。在TSP203硬件系統中，采用了兩個高靈敏度的三分量檢波器，在安裝檢波器的時候一定要使標有“掌子面”的一面朝向掌子面方向；而在軟件中，則采用“傾角濾波”的算法進行。現場采集的數據，經TSPwin軟件處理便可以得到P波、SH波和SV波的時間剖面、速度分析圖、深度偏移圖、反射波層位、反射波相位、反射能量大小等資料，應用這些資料并結合隧道地質情況便可對掌子面前方的溶洞、軟弱巖層、斷層、節理裂隙密集帶及富水情況等不良地質情況做出推斷。由于波的傳播是一個球面擴散過程，所以一部分波會傳用TSP法進行隧道超前地質預報應注意的幾個要點

1、通過實踐表明：雖然TSP儀器還不能準確預報溶洞的形狀，但把它作為一種半定量的中距離主控（一般有效探測距離為100～150m,需根據圍巖軟弱情況而定）預報方法還是行之有效的，特別是對能給施工帶來安全隱患的斷層、軟弱的含煤地層及采空區、巖溶強烈發育區、含水體、節理裂隙發育區等的預報還是比較準確的。因此,TSP法可作為隧道超前地質預報的主控預報方法。

2、由于物探方法的多解性及間接性（通過圍巖的物性參數來推測圍巖的結構）的影響，物探方法預報只能對掌子面前方的物探異常進行定性和半定量～定量解釋。為了使物探地質解譯更準確，需要用少量的超前水平鉆探（含加深炮眼探測）進行驗證或修正；3、目前TSP法還不能對溶洞的形態、含水體的含水量及水壓、煤層的瓦斯含量等進行正確判斷。

用TSP法進行隧道超前地質預報應注意的幾個要點1、

4、由于圍巖地層的存在各向異性和掌子面前方不良地質體的位置不同，根據TSP法的探測原理，為了準確預報掌子面前方所有不良地質體需要在隧道左右邊墻分別布置一個接受器。有些預報單位為了減小成本只布置一個接收器，這是不滿足要求的，需堅決杜絕的。5、在地震彈性波法（TSP）探測時需要利用三分量接收器接收從不良地質體反射回來的彈性波（P波-縱波、SH波-橫波、SV波-橫波），由于彈性波在軟弱介質中傳播時其能量會嚴重衰減，特別是橫波衰減更嚴重（在水中不能傳播），因此要求在埋設接收器導管時用環氧樹脂或錨固劑（實驗證明是滿足要求的）進行耦合，決不能采用黃油進行耦合，只有這樣才能保證P波-縱波、SH波-橫波、SV波-橫波的正常接收。如果用少量環氧樹脂或錨固劑進行耦合，或者直接用黃油進行耦合達到接收器道管的回收利用是應堅決杜絕的。下面我用圖-3～圖-5來說明這樣要求的原因

圖-3縱波、橫波傳播示意圖

P-WAVES-WAVEPROPAGATIONOFP-ANDS-WAVESdirectionofwavepropagationP=compressionalwave

directionofparticlemotion

SVSHS=shearwave

directionofparticlemotion圖-3縱波、橫波傳播示意圖

P-WAVES-WAV圖-4三分量接收器導管圖-4三分量接收器導管圖-5三分量接收器導管的耦合

steeltube3圖-5三分量接收器導管的耦合

steeltube32、TSP的應用效果

⑴小型溶洞預報實例隧道地質情況:

某鐵路隧道全長2066m，本次預報里程范圍內隧道埋深40～109m，由二疊系茅口棲霞組灰巖組成，屬堅硬巖類，裂隙較發育，巖體為中厚層狀結構，巖體較完整。地下水位于洞身以下，該段隧道主要位于垂直滲流帶內，巖溶以垂直向巖溶裂隙、溶槽、溶溝發育為主，少量水平向巖溶裂隙，地下水以季節性股狀及淋雨狀出露。預報結論:本次預報時檢波器里程為K19+327,掌子面（即隧道開挖工作面）里程為K19+266，預報發現在檢波器前方65m附近存在一個低速異常區域（見圖6中藍色顯示），另外結合二維成果圖（見圖7）中的K19+259處楊氏模量數值突然降低（代表圍巖強度降低），泊松比數值突然升高（代表圍巖流塑性增加）綜合分析：推測在K19+259～K19+251段巖溶強烈發育，存在溶洞。紅色代表掃描的速度值高速區域藍色代表掃描的速度值低速區域圖6SV波速度掃描圖像圖7某鐵路隧道TSP反射層位及物理力學參數二維成果圖開挖遇到溶洞的位置2、TSP的應用效果

⑴小型溶洞預報實例紅色代表掃描的速度值開挖驗證情況:隧道開挖掌子面到達K19+259時，在掌子面上出現一個小型溶洞，內部充填物為塊石土。后經揭示發現該溶洞占據了整個掌子面，沿隧道軸向發育長度為3～5m。掌子面開挖遇到溶洞的照片見圖8所示。圖8K19+259處揭示的巖溶照片開挖驗證情況:圖8K19+259處揭示的巖溶照片⑵大型溶洞預報實例開挖遇溶洞位置開挖遇溶洞位置圖10SH波深度偏移圖像圖9P波深度偏移圖像圖11SV波深度偏移圖像開挖遇溶洞位置圖12**隧道TSP二維成果圖隧道地質情況:

某鐵路隧道全長3086m，本次預報里程范圍內隧道埋深220～250m，本次預報里程范圍內圍巖為灰巖，設計圍巖級別為Ⅳ級。⑵大型溶洞預報實例開挖遇溶洞位置開挖遇溶洞位置圖10SH預報結論:

本次預報時檢波器處里程為K92+584.5，在深度偏移圖上我們發現橫波掃描圖像中都存在異常，在檢波器前方123m以后發現縱波能正常通過，橫波在123m以后發現衰減很厲害，甚至顯示橫波未能通過。在二維成果圖上的反射界面反而反映不明顯，但是因為前邊提到橫波的衰減問題，在二維成果圖中靠近后半部分我們未能發現有橫波反射信號（二維成果圖中定義P波用三角表示，SH波用圓圈表示，SV波用方塊表示），而只剩下縱波的反射界面。綜合以上情況綜合分析，預報推測在檢波器前方123m（即K92+461處）的地方存在無充填大型溶洞。開挖驗證情況及小結:

隧道開挖在K92+461～K92+440段發現一個大型溶洞，該溶洞為一個干溶洞，內部沒有水，也沒有任何充填物，沿線路方向的長度為21m，最大高度約10m，寬度約8m。

結合開挖后遇到的溶洞情況分析，我們分析認為：因為橫波是剪切波，所以當大型溶洞為空或充填水時，則會有圖9～圖11所顯示的情況發生，橫波衰減厲害甚至顯示“通不過”；該溶洞若是被泥夾石充填，則橫波衰減應該沒有空溶洞或充填水的這種溶洞衰減厲害。預報結論:⑶斷層及含水體實例圖12

TSP2D成果圖隧道地質情況:某隧道平導全長為14315m，預報區存在次級斷層—燕子窩斷層，圍巖級別為V級。預報結論:

PDK111+846～+880為斷層破碎帶及影響帶，其斷層核心帶位于PDK111+860～+867，核心帶圍巖力學性質很差，且富水，全施工時加強支護，防止坍塌和突水。開挖驗證情況:開挖至PDK110＋848處圍巖變差，PDK110＋861處時發現左側拱部涌水，并伴隨拱部大量坍塌，隨著開挖不斷前進，涌水量不斷增大，平均涌水量約950m3/h，最大12180m3/h。此現象一直到PDK110＋865結束，說明我們的預報結論準確的。⑶斷層及含水體實例圖12TSP2D成果圖⑷暗河實例圖13**隧道TSP二維成果圖開挖驗證情況:開挖揭示大型暗河,其位置示意圖見圖14。該例說明:TSP法雖能預報暗河,但對具有復雜形態的暗河或大型不規則溶洞是不能預報它們的具體形態和三維空間位置。預報結論:1、DK922+670～+606段：圍巖破碎，巖溶強烈發育，存在中大型溶洞（或暗河）;2、DK922+606～+568段：圍巖較破碎，巖溶弱發育。圖14**隧道暗河位置示意圖二維成果⑷暗河實例圖13**隧道TSP二維成果圖開挖驗證情況:圖二、電磁波反射法

1、電磁波反射法的原理電磁波反射法超前地質預報主要采用地質雷達法探測。

二、電磁波反射法

1、電磁波反射法的原理

在地質雷達數據采集過程中，由地質雷達的發射天線向被探測體內發射高頻電磁波，當高頻電磁波傳至被探測體內兩種不同介質的分界面（如：界面、空洞、不密實帶等）時，由于兩種介質的介電常數不同而使電磁波發生反射，反射波的傳播遵循反射定律，反射波返回被檢測體的表面，并由地質雷達的接收天線所接收，形成雷達圖像。雷達圖像包含了被檢測體的豐富信息，根據雷達圖像特征對被探測體進行定性判釋，再根據下式可對被探測體的異常部位作定量解釋。H=V*T/2

由于地質雷達法具有異常圖像直觀、工作效率及分辨率高等優點，該方法可應用在隧道超前地質預報中的短距離(15～30m)預報。工作原理示意圖見圖15-1所示。圖15-1地質雷達工作原理示意圖由于地質雷達法具有異常圖像直觀、工作效率及分辨率圖15-2地質雷達測線布置示意圖和SIR3000現場探測照片

圖15-2地質雷達測線布置示意圖和SIR3000現場探測照片用地質雷達法進行隧道超前地質預報應注意的幾個要點

1、雖然地質雷達法具有高分辨率、圖象直觀、預報時間較短等特點，但地質結構復雜地段往往存在水，且掌子面處多破碎，掉塊嚴重，很難把掌子面處理平整，因此地質雷達很難在這些地方取得有效資料，因此大大降低了地質雷達在隧道超前地質預報中適用性。2、由于金屬對雷達波具有很強的反射作用，因此在施測時需要把含有金屬材料的設備遷移到遠離掌子面的地方。

有些預報單位未認識到上述影響和要求,未按要求執行，結果是所獲得的數據信息信噪比低、干擾大，嚴重影響了預報結果。用地質雷達法進行隧道超前地質預報應注意的幾個要點12、電磁波反射法的應用效果

⑴完整圍巖的地質雷達圖象

左圖為在完整圍巖上采集的地質雷達數據，可見電磁波反射波信號較平靜，無明顯反射信號，能量亦呈正常衰減趨勢。圖16完整圍巖的地質雷達法圖象2、電磁波反射法的應用效果

⑴完整圍巖的地質雷達圖象⑵溶蝕破碎帶的地質雷達圖象左圖中有明顯的電磁波反射信號，反射信號同相軸較連續，并且反射的電磁波信號較強，分析認為在掌子面后面5～10米深度范圍內存在不良地質體，結合現場的圍巖巖性為灰巖情況綜合分析認為掌子面前方為溶蝕破碎帶(經開挖驗證結論準確)。圖17溶蝕破碎帶的地質雷達法圖象

⑵溶蝕破碎帶的地質雷達圖象左圖中有明顯⑶溶洞的地質雷達圖象

左圖中有明顯的電磁波反射信號，在7～19米范圍內由近似拋物線的反射波軸頂點包羅的區域為粘土充填型溶洞范圍(經開挖驗證結論準確)。圖18-1粘土充填型溶洞的地質雷達法圖象

⑶溶洞的地質雷達圖象圖18-1粘土充填⑶溶洞的地質雷達圖象

左圖中有明顯的非常強的電磁波反射信號，在9～29米范圍內形成非常強的能量團塊,為充水型溶洞范圍(經開挖驗證結論準確)。圖18-2充水型溶洞的地質雷達法圖象

⑶溶洞的地質雷達圖象圖18-2充水型溶三、紅外探測法

1、紅外探測法的原理

地質體(如含水體)每時每刻都在向外部發射紅外能量，并形成紅外輻射場。地質體由內向外發射紅外輻射時，必然會把地質體內部的信息以紅外電磁場的形式傳遞出來。紅外探測法就是通過接收和分析紅外輻射信號進行超前地質預報的一種物探方法。

三、紅外探測法

野外施測時采用：在掌子面后方60米處，朝掌子面方向每隔5m對隧道周邊探測一次,每次探測順序依次為左邊墻、左拱腰、拱頂、右拱腰、右邊墻和隧底中線，共探測12個斷面，這樣沿隧道軸線方向共形成6條探測曲線，分別為左邊墻探測曲線、左拱腰探測曲線、拱頂探測曲線、右拱腰探測曲線、右邊墻探測曲線和隧底中線探測曲線。依據探測數據繪制沿隧道軸向的探測曲線，如果開挖工作面前方存在儲水構造，在靠近開挖工作面一端曲線會出現明顯下降或上升。

圖19-1中國HW-304現場探測照片圖19-1中國HW-304現場探測照片2、紅外探測法的應用效果從圖19-2的探測所得的場值數據表明：最大值與最小值之差大于安全值10μW/cm2，且臨近掌子面處曲線有明顯異常，呈上升趨勢，因此推斷掌子面前方30米范圍內圍巖含水量較大，存在涌水的可能性極大。后經鉆探驗證掌子面前方確實存在含水體，且從鉆孔噴出距離達3m。

通過