超前地质预报技术体系

超前地质预报技术体系超前地质预报技术体系前言前言广义的超前地质预报技术，即综合超前广义的超前地质预报技术，即综合超前地质预报技术。它包括隧道隧洞所在地地质预报技术。它包括隧道隧洞所在地区地质分析与宏观预报、隧道隧洞的洞区地质分析与宏观预报、隧道隧洞的洞身不良地质体超前预报、超前钻探和施身不良地质体超前预报、超前钻探和施工地质灾害临近警报四大部分。而隧道工地质灾害临近警报四大部分。而隧道隧洞的洞身不良地质体超前地质预报有隧洞的洞身不良地质体超前地质预报有分为长期超前地质预报、短期超前地质分为长期超前地质预报、短期超前地质预报两种预报形式和预报步骤。预报两种预报形式和预报步骤。由于涵盖内容太多，本文只能简介如下。由于涵盖内容太多，本文只能简介如下。一、隧道隧洞所在地区一、隧道隧洞所在地区地质分析与宏观预报地质分析与宏观预报隧道隧洞所在地区不良地质宏观预报，是以各隧道隧洞所在地区不良地质宏观预报，是以各种区域地质资料分析和深入的地面地质调查为种区域地质资料分析和深入的地面地质调查为基础，通过隧道隧洞不良地质分析方法，宏观基础，通过隧道隧洞不良地质分析方法，宏观预报洞体施工可能遇到的不良地质类型、规模、预报洞体施工可能遇到的不良地质类型、规模、大约位置和方向，宏观预报施工地质灾害的类大约位置和方向，宏观预报施工地质灾害的类型和发生的可能性。型和发生的可能性。只有在宏观预报的原则指导下，才能更准确、只有在宏观预报的原则指导下，才能更准确、更有效地实施洞体不良体地质超前预报和施工更有效地实施洞体不良体地质超前预报和施工地质灾害监测、判断及临近警报等后续预报工地质灾害监测、判断及临近警报等后续预报工作。所以，宏观预报是施工地质灾害超前预报作。所以，宏观预报是施工地质灾害超前预报不可或缺的、第一道工序。不可或缺的、第一道工序。特别是对于特别是对于TSPTSP探测来说，只有通过隧道探测来说，只有通过隧道隧洞所在地区主要洞体不良地质宏观预隧洞所在地区主要洞体不良地质宏观预报，才能更准确地布设炮眼的位置，才报，才能更准确地布设炮眼的位置，才能在能在TSPTSP解译阶段选择正确的搜索角和调解译阶段选择正确的搜索角和调谐角。所以，它是提高谐角。所以，它是提高TSPTSP预报精度的关预报精度的关键技术之一。键技术之一。（一）区域地质资料分析区域地质分析是宏观预报的基础之一。区域地质资料，主要包括（1）隧道隧洞所在地区大地构造环境、构造体系、构造复合与构造演化；（2）沉积建造环境、建造特征、建造演化；（3）岩浆侵入、喷溢的地质环境、岩浆活动的特征。还包括它们与区域地壳运动的关系，等等。上述资料主要从隧洞隧洞所在地区的各种比例尺区域地质图、区域构造体系图及其说明书中获取。区域地质分析，则是应用大地构造学、构造地质学、特别是地质力学的理论，应用沉积岩石学和沉积建造理论，应用岩浆岩石学和岩浆建造理论分析所收集的区域地质资料，初步了解隧道隧洞所在地区：（1）主要构造方位、力学性质和构造多期活动特征及其不同方位构造对隧道隧洞围岩稳定性的影响程度；（2）主要地层类型（如煤系地层、灰岩、白云岩等可溶岩地层等等）特征及其隧道隧洞围岩稳定性的影响程度；（3）主要岩浆岩的类型（如侵入岩、喷出岩）特征、空间分布特征及其隧道隧洞围岩稳定性的影响程度。（二）深入的隧道隧洞地面（二）深入的隧道隧洞地面地质调查技术地质调查技术它是隧道隧洞不良地质宏观预报的更重要它是隧道隧洞不良地质宏观预报的更重要的基础。主要包括：的基础。主要包括：地层地质调查、地质构造调查、岩浆岩侵地层地质调查、地质构造调查、岩浆岩侵入体调查、岩溶地质调查、煤系地层调查入体调查、岩溶地质调查、煤系地层调查和水文地质调查等等技术。和水文地质调查等等技术。（三）隧道隧洞区域不良地质（三）隧道隧洞区域不良地质分析技术分析技术它是隧道隧洞所在地区不良地质宏观预报的依据。因为：它是隧道隧洞所在地区不良地质宏观预报的依据。因为：大多数隧道隧洞不良地质体本身就是区域地层、地质构大多数隧道隧洞不良地质体本身就是区域地层、地质构造或岩溶地质体的一部分。造或岩溶地质体的一部分。主要包括：地层层序和特殊岩层分析，构造体系、构造主要包括：地层层序和特殊岩层分析，构造体系、构造型式和构造分布规律分析，地应力状态分析，岩浆岩侵型式和构造分布规律分析，地应力状态分析，岩浆岩侵入体成因、产状分析，溶洞、暗河、岩溶陷落柱和岩溶入体成因、产状分析，溶洞、暗河、岩溶陷落柱和岩溶淤泥带成生条件和展布规律分析，煤系地层中的煤层、淤泥带成生条件和展布规律分析，煤系地层中的煤层、采空区和瓦斯地质分析等等。采空区和瓦斯地质分析等等。二、隧道隧洞的洞身不良二、隧道隧洞的洞身不良地质体超前预报技术地质体超前预报技术隧道隧洞施工地质灾害的发生，与不良地质体隧道隧洞施工地质灾害的发生，与不良地质体的存在和施工辅助工法使用不当密切相关，这的存在和施工辅助工法使用不当密切相关，这其中首先是不良地质体的存在。所以，作为超其中首先是不良地质体的存在。所以，作为超前预报技术体系，首先就是进行隧道隧洞洞身前预报技术体系，首先就是进行隧道隧洞洞身不良地质体的超前预报。不良地质体的超前预报。隧道隧洞洞身不良地质体超前地质预报依据预隧道隧洞洞身不良地质体超前地质预报依据预报距离，分为长期（长距离报距离，分为长期（长距离下同）超前地质下同）超前地质预报、短期（短距离预报、短期（短距离下同）超前地质预报、下同）超前地质预报、两种预报形式和预报步骤。两种预报形式和预报步骤。（一）长期超前地质预报（一）长期超前地质预报长期超前地质预报的预报距离为掌子面前方长期超前地质预报的预报距离为掌子面前方100100米以上。米以上。对于隧道隧洞不良地质体的长期超前地质预报对于隧道隧洞不良地质体的长期超前地质预报来说，国内外主要采用来说，国内外主要采用TSPTSP（隧道地震勘探（隧道地震勘探下同）或浅层地震仪等仪器探测方法来进行。下同）或浅层地震仪等仪器探测方法来进行。石家庄铁道学院桥隧施工地质技术研究所综合石家庄铁道学院桥隧施工地质技术研究所综合国内外科研成果，经过国内外科研成果，经过2020多年的深入研究，分多年的深入研究，分别研制出三种长期超前地质预报技术，并研制别研制出三种长期超前地质预报技术，并研制出将三种预报技术紧密结合、可以相互验证的出将三种预报技术紧密结合、可以相互验证的高精度、高质量的综合长期超前地质预报新技高精度、高质量的综合长期超前地质预报新技术。术。1 1、TSPTSP探测解译技术探测解译技术（1）概况TSP（TunnelSeismicPrediction，隧道地震勘探）设备是由瑞士安伯格公司开发、生产的，是当前国内外最先进的隧道隧洞长期超前地质预报设备，也是当前超前地质预报技术中的最重要手段。它与其它超前地质预报的设备相比，最大优点是：探测距离远（可达隧道隧洞掌子面前方300500米,有效预报距离100150米），分辨率高（最高分辨率为1米），抗干扰能力强（基本不受干扰），影响施工很少（钻孔和测试在侧壁进行，洞内探测时间仅用45分钟）。该设备主要用于超前预报隧道掌子面前方不良地质的性质、位置和规模，最大探测距离为掌子面前方300500m，设备限定的有效预报距离为掌子面前方100m，最高分辨率为1m地质体。TSP探测解译的关键技术是成果图的解译技术，不同解译水平的人员，预报的精度可以相差很大。对于TSP来说，在解译数据处理阶段的搜索角和解译事例输出阶段的走向调谐角和倾向调谐角的正确选择，和在成果解译阶段如何依据不良地质体的成因特征确定不良地质体的图像标志，如何将设备限定的掌子面前方100m的有效预报距离提高到150m甚至更远、以及既能预报不良地质的性质、位置和规模还能利用地质力学的某些理论预报断层破碎带的围岩级别（类别）等等技术是关键的解译技术。目 前，TSP共 开 发 出 TSP-201,TSP-202和TSP-203共三个系列，其中TSP-202和TSP-203在国内外最为普及。TSP-202和TSP-203的最主要区别在于成果的解译手段和精度：TSP-202，为人工解译型，又称“专家型”。在基本解译原理的指导下，它必须在解译人员具有扎实的地质学知识和基本功的前提下，依据各种不良地质体的成因特征和标志，才能对成果图反映的不良地质体的性质、类型，位置和规模进行解译；一般地说，解译效果较好，预报的精度也较高。由于它的解译技术要求高，较适合解译水平较高的技术人员使用；所以，又称为“专家型”。TSP-203，为智能解译型，又称“专家型”。它首先通过设备软件求得各种不良地质体的不同的物理参数，然后通过解译人员对各种不良地质体相对可能具有的物理参数之理解，对成果图反映的不良地质体的性质、类型，位置和规模进行解译；由于物理参数不可能完全、准确地反映不良地质体的性质、类型；所以，一般地说，解译效果一般，预报的精度稍低。但它具有解译技术要求低的优点（类似智能型相机），所以较适合解译水平一般的技术人员使用；因此，又称“普及型”。TSP-202与TSP-203预报精度的比较，已被山西“雁们关隧道”中外学者分别采用TSP-202和TSP-203的超前地质预报的实践所证实。在瑞士、英国、法国和日本等发达国家的隧道隧洞施工中，已普遍采用TSP进行超前地质预报工作，特别是TBM机械化施工，TSP已成为TBM的“孪生弟兄”，据国外资料统计，它可为隧道隧洞施工增收节支总经费的20%。（2）TSP的基本原理：首先，在隧道隧洞内，人工制造一系列有规则排列的轻微震源；震源发出的地震波遇到地层界面、节理面、特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、岩溶淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波，它的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质以及产状密切相关，并通过不同数据表现出来；通过设备设置的震源反射波的数据采集系统（传感器和记录仪），将这递增数据经微机处理后储存起来。（图1）。然后，将数据输入带有特制软件的电脑，经过电脑进行复杂数学计算后，最后形成反射波（纵波）波形图(图3)、反映相关界面或地质体反射能量的影像图（图4）和隧道平面、剖面图（图5），供工程技术人员解译。图1 TSP主要设备图2 TSP的基本原理TSP探测过程见动画片图3 TSP202曲线波形图 TSP-203曲线波形图图4 TSP-202影像点能量图 TSP-203影像点能量图 TSP-203 2D与3D成果图图5 TSP隧道断层平面图（3）TSP能解决的主要技术问题预报掌子面前方的断层破碎带、软岩、岩溶陷落柱等不良地质体的性质、位置和规模；预报涌水量大于5米3/h以上的富水地质体和老窑、老崆等采空区的存在、位置和规模；预报煤系地层的边界和其中的煤层、富水砂岩；粗略地预报围岩级别（类别）；定性地预报发生塌方、突泥突水等施工地质灾害的危险性。（4）TSP的主要技术指标探测距离一般为掌子面前方300500米，最大可达1500米；有效预报距离为掌子面前方100150米。最高分辨率为1米地质体；预报不良地质体位置的精度可达90%以上；预报不良地质体规模的精度可达85%以上。2、断层参数预测法预报隧道隧洞断层技术这是作者独家研制的、一种利用断层影响带内的特殊节理（11节理）和其集中带有规律分布的特点,经过大量断层影响带系统编录得出的经验公式（LiuZhigang公式）超前预报隧洞断层破碎带的位置、规模的新技术。该技术的熟练应用，可以“肉眼看出100米”。关键技术是11节理及其集中带之始见点的鉴别和确认的能力。长梁山隧道断层节理分布图 Liu Zhigang公式：断层上盘公式之一B37.7379N4.8501B17.5536N2.8272B20.1843N2.0229断层下盘公式之一B34.4974N0.8071B15.8532N1.6853B18.6442N0.8782断层上盘公式之二B34.9943NB16.2157NB18.7786N断层下盘公式之二B34.3692NB14.8677NB19.5051N断层上盘公式之三B碎：B：B：B0.026：0.4634：0.5366：1断层下盘公式之三B碎：B：B：B0.026：0.4326：0.5674：13、地面地质体投射法及其超前预报技术这是在地表准确鉴别不良地质体的性质、位置、规模和岩体质量，和精确测量不良地质体产状的基础上，应用地面地质界面和地质体透射公式进行超前地质预报的技术。关键技术是在地表准确鉴别不良地质体的性质、位置、规模和岩体质量的野外工作基本功。地表地质界面和地质体投射公式：在水平比例尺与垂直比例尺相同条件下，投射角与真倾角转化公式：tan=tansin在水平比例尺为1：5000、垂直比例尺为1：2000条件下，投射角与投射角的转化公式：tan=tan5000/2000地表地质体投射公式：l=Lh/sinsin4、综合长期超前地质预报新技术由于物探成果的多解性，解译技术再高的解译人员，也可能出现判断上的失误。在长期超前地质预报的实见中，若采用两种或两种以上的长期预报的方法和技术手段，取长补短、相互验证，实施综合长期超前地质预报，就可以变多解为单解，减少判断失误，提高预报效果。（1）综合长期超前预报能够解决的技术问题能够探测和解译掌子面前方存在的断层、特殊软岩，煤系地层中的煤层、富水砂岩和煤系地层与其他岩层的界线。还可以探测和解译掌子面前方存在的溶洞、暗河、岩溶陷落柱和淤泥带等不良地质体。主要是查明上述不良地质的位置和规模，也可以概略地判断不良地质体的围岩级别（围岩级别的准确判断，尚须跟踪地质工作中的围岩评价才能真正做到）。（2）综合长期超前预报可以达到的技术指标 有效预报距离可达掌子面前方200300米，最高分辨率为1米地质体。对不良地质性质的判断，精度一般可达到基本正确。对不良地质位置的判断，精度一般可达以上90%以上。对不良地质规模的判断，精度一般可达8590%以上。5、长期超前地质预报技术的适用范围 长期超前地质预报应用于隧道隧洞贯通前的全过程，在地质复杂标段更是十分重要。(二)短期超前地质预报技术短期超前地质预报是在长期超前地质预报的基础上进行的，预报距离为掌子面前方1530米。对于短期超前地质预报来说，国内外主要采用地质雷达探测、红外线和声波探测等仪器探测方法和掌子面编录预测法（地质素描法）。我所经过多年的探索，还研制出不良地质前兆预测法新技术。1、地质雷达探测法 地质雷达属于电磁波物探技术。电磁波通过天线向地下发射，遇到不同阻抗介面时，将产生反射波和透射波。接收机利用分时采样原理和数据组合方式，把天线接收的信号转化为数字信号，主机系统再将数字信号转化为模拟信号或彩色线迹信号，并以时间剖面的形式显示出来，供解译人员分析。2、掌子面编录预测法又称地质素描法，属于短期超前地质预报的一种方法和技术手段。具体还包括：岩层岩性和层位预测法和地质体延伸预测法两种具体方法。（1）岩层层位和岩性预测法其基本原理是：在掌子面和隧道隧洞两壁出露的岩层与地表某段岩层证为同一和确认标志层的前提下，用地表岩层的层序预报掌子面前方将要出现的岩层。关键技术是证为同一和确认标志层。（2）地质体延伸预测法基本原理是：在长期超前地质预报得出的不良地质体厚度的基础上，依据掌子面以揭露的不良地质体的产状和单壁始见的位置，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延伸和消失的位置。关键技术是正确的三角函数运算。3.不良地质前兆预测法其基本原理是：在隧道隧洞掘进过程中，在出现断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱和洞穴淤泥带之前，一般都会出现各自的明显或不明显的前兆标志；这些标志的出现，常常预示前述不良地质体已经临近了。因此，不良地质前兆预测法，一方面有助于掌子面前方不良地质体的性质的鉴别，更有助于对不良地质体临近的判断。4、短期超前地质预报的主要技术指标由于短期预报是在长期预报的基础上进行的，所以，预报的精度一般要超过长期超前地质预报，特别是对不良地质性质的预报更是如此。具体地说：预报不良地质体性质基本正确，预报位置的精度可达95%以上，预报规模的精度可达90%以上。还可以较准确地预报围岩级别。5、短期超前地质预报技术的适用范围短期超前地质预报技术主要适用于地质复杂标段，一般不适合在全隧道隧洞进行。三、超前钻探三、超前钻探(一)概述超前钻探是超前地质预报技术体系主要组成部分，占有重要的地位，具有不可或缺、不可替代的作用。特别是在岩溶隧道隧洞的超前地质预报中，更起到突出的作用。超前钻探一般在隧道隧洞洞身长期、短期超前地质预报不得基础上进行，侧重长期、短期超前地质预报已经基本认定的主要不良地质区段；除非特殊情况，一般不宜全隧道隧洞连续进行。总体上，超前钻探分为长距离（80米）、中距离（4060米）和短距离（1530米）三种形式；分为取芯和不取芯两种类型。（二）技术要求超前钻探的布孔数量，视不良地质的性质和可能发生施工地质灾害的严重程度来决定。对于较大的断层破碎带，布置1孔至多23孔即可达到目的；对于溶洞、暗河或岩溶淤泥带等可能突水区段，则以布置5孔为宜。布孔的位置，则主要依据长期、短期超前地质预报的结论来确定。超前钻探既对隧道隧洞洞身长期、短期超前地质预报进行验证，又为施工地质灾害临近警报提供信息。四、施工地质灾害临近警报技术即隧道隧洞施工地质灾害监测、判断和临近警报技术。它是在隧道隧洞所在地区不良地质宏观预报和隧道隧洞洞体不良地质体长期、短期超前预报的基础上进行的，也是广义超前地质预报的第三道工序。主要包括：施工地质灾害的环境监测技术，施工地质灾害发生可能性的判断技术。(一)施工地质灾害的环境监测技术这是施工地质灾害警报技术的基础工作也是第一步的工作。主要包括：不良地质体性质的鉴定和区分技术，地下水涌水量监测技术，煤与瓦斯突出的环境监测技术，岩爆发生的环境监测技术。1、塌方地质体性质鉴定和区分技术主要包括：断层破碎带和岩溶陷落柱等塌方不良地质体性质的鉴定和区分技术，溶洞、暗河、稠性和稀性岩溶淤泥带等突泥突水不良地质体性质的鉴定和区分技术。2、涌水量的监测技术 涌水量监测的方法，主要有仪器测量法和简易涌水量监测法。简易涌水量监测法是利用超前钻孔的地下水喷射距来预报涌水或突水级别的方法。3、煤与瓦斯突出的监测技术 主要是煤与瓦斯突出产生的基本地质条件的分析、研究和观测。主要有：(1)高地应力地区；(2)高量、高压瓦斯煤层；(3)煤包、压冲逆断层下盘、封闭的背斜核部、小断层交汇处等特殊构造部位的预测预报；(4)构造煤的存在4、岩爆的监测技术 主要是分析研究和观测岩爆产生的基本地质条件。主要有：(1)高地应力地区，特别是大小水平地应力比值1.5的地区；(2)200米700米埋深的隧洞；(3)坚硬、脆性的岩石，完整或基本完整但表面参差不齐的岩体和干燥的围岩；(4)最大主压应力轴向与隧洞轴向垂直或大角度相交。(二)施工地质灾害能否发生的判断技术这是施工地质灾害警报技术中的最关键技术，也是第二步的工作。主要包括：塌方、突泥突水、煤与瓦斯突出和岩爆等等重大施工地质灾害发生可能性的一系列判断技术。1、断层破碎带塌方可能性的判断 断层上下盘岩性和岩石力学性质断层力学性质断层复合与复合特征断层破碎带的厚度断层破碎带的物质组成和胶结程度断层破碎带的围岩结构断层破碎带的产状及其隧洞的空间关系地下水和地应力的影响2、岩溶陷落柱塌方可能性的判断岩溶陷落柱的规模大小岩溶陷落柱的干、湿性岩溶陷落柱的含泥量和物质组成岩溶陷落柱边缘的地下水特征3、突泥突水可能性的判断(1)距隧道底1米的独孔喷射距5米，相当涌水量小于100米3/小时，为大、中、小型涌水；(2)喷射距=5米9米，相当涌水量为100300米3/小时，为小型突水；(3)喷射距=9米12米，相当涌水量为300400米3/小时，为中型突水；(4)喷射距12米，相当涌水量大于400米3/小时，为大型、特大型涌水。4、煤与瓦斯突出可能发生的判断技术 主要是煤与瓦斯突出可能发生的各种前兆的及早、准确警报。5、岩爆发生可能性的判断 在具备上述四大基本围岩环境的前提下，小型岩爆的发生即是大型岩爆即将发生的可靠前兆。（三）施工地质灾害临近警报达到的技术指标在施工单位的积极配合下（主要是共同协商不良地质施工的辅助工法），可以基本保证项目所研究和应用的地质复杂隧道不发生塌方、突泥、突水、煤与瓦斯突出和岩爆等重大施工地质灾害。结语结语多年来，我所一直从事隧道隧洞施工地质灾害的超前地质预报科研工作。开展全面施工地质工作的工程有：朔黄铁路长梁山隧道、株六复线新倮纳隧道、公伯峡水电站右岸导流洞和渝怀铁路歌乐山隧道；部分开展TSP探测的工程还有：株六复线新花赖隧道、内昆铁路朱嘎隧道、西南铁路桃花铺号、号隧道、渝怀铁路武隆隧道、山西雁门关公路隧道和重庆驼家山公路隧道等等。科研成果在我国很多铁路、公路隧道和水电系统的隧洞施工中得到广泛推广应用。当然，我们还需要向国内外同行好好学习，对已经取得的科研成果还需要进一步完善。