声波探测地质超前预报技术

8　隧道地质超前预报

本章导读：

介绍隧道地质超前预报的概念及国内外研究现状、隧道地质超前预报常用的方法，对各种预报方法的原理和资料处理等进行了阐述，重点介绍了TSP在隧道工程的应用。

●基本要求　了解隧道地质超前预报的概念和目前常用的地质超前预报方法和原理，掌握TSP和地质雷达超前预报数据采集及报告编制。

●重点　TSP地质超前预报系统和地质雷达现场操作，地质超前预报的报告编写。

●难点　TSP地质超前预报系统信号采集与分析软件的使用。

8．1　概　述

隧道洞身地质超前预报分为长期（长距离）和短期（短距离）两类，它们各有不同的预报距离，承担不同的任务，也有不同的工作方法。长期（长距离）地质超前预报的预报距离，可达掌子面前方100～150 m，其主要任务是基本查明掌子面前方100～150 m范围内的不良地质体的性质、位置和影响隧道的长度，并根据各类不良地质体的性质、影响范围和理论上对隧道围岩稳定性的影响程度，结合地下水特征、地应力特征，以及隧道宽度等因素，粗略地确定预报范围内的围岩级别。长期（长距离）地质超前预报是在已有的地面地质勘察的基础上，并结合已开挖段洞体的工程地质特征进行的。其预报方法主要有地质前兆定量预测法和地球物理探测方法两种。

地质前兆定量预测法是预报断层等及与其相关的不良地质体（溶洞、暗河、淤泥带等）的地质学方法。断层形成的力学机制和地应力能量释放形式的基本理论表明：断层断距和断层破碎带的宽度（统称断层规模）必然与断层影响带和其所有组分的宽度、强度有本质上的联系，这决定了所有断层的存在是有一定规律可循，这也就为地质超前预报工作提供了地质上的理论支持。

理论和实践表明：在断层影响带中，有一组特殊的节理，称为11节理（见图8．1）。它的产状与断层产状一致或相近。它的分布范围很宽，其始见点离断层很远。它常常集中成带分布，一般可出现3～4个集中带，各带的节理强度和密度不同，总的趋势是向着断层方向增加。其第Ⅰ带和第Ⅲ带始见点到达主断层面F5的法向距离（BⅠ—F5和BⅢ—F5），以及第Ⅰ带和第Ⅲ带始见点之间的法向距离（BⅠ—BⅢ）均与断层地层断距（N）有一定的数学联系；其第Ⅰ带和第Ⅲ带始见点到达主断层面的单壁隧道宽度（B′Ⅰ－F5和B′Ⅲ－F5），以及第Ⅰ带和第Ⅲ带始见点之间的单壁隧道宽度（B′Ⅰ～Ⅲ）与断层破碎带的单壁隧道宽度（B′F5）也有固定比例关系；它们作为断层影响带内的几个参数，可以用数学公式来表达彼此之间的函数关系。上述断层影响带中的11节理分布特征，及这种特征基本不受地域和岩石、岩层组成影响的优点，是应用地质前兆定量预测法预报隧道断层的理论基础。由于隧道中的大多数不良地质体（溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等）与断层破碎带有密切的关系，所以，预报了断层破碎带，依据地质学原理，就可以推断其他不良地质体的位置和规模。

图8．1　某隧道F5断层上盘11节理分布

目前，长期超前预报方法中的地球物理探测方法主要有地震反射波法、地下全空间瞬变电磁法等。

短期地质超前预报是在长期地质预报基础上进行的一种更精确的预报技术，可分为地质前兆预测法和地球物理探测法。其中地质前兆预报法主要是利用不良地质体出露特征进行预报和推测；地球物理方法主要有地质雷达、声波探测、红外探测技术等。

8．1．1　地质超前预报在国内外研究现状

岩体成因及构造运动的复杂性使准确的定量地质预报成为国内外隧道施工地质的技术难题。尽管预报方法、手段很多，各有特点，但都存在一定局限性。

（1）隧道地质超前预报技术在国外的研究应用情况

在隧道施工技术比较发达的国家，如瑞士、日本等，在进行隧道（特别是铁路、公路隧道）修建过程中，隧道施工地质工作，特别是其中的地质超前预报工作，被认为是一项十分重要、不可缺少的工序。重视隧道施工地质工作已成为广大工程技术人员的共识。

1972年，在美国芝加哥首次召开快速掘进与隧道工程会议至今，隧道施工地质超前预报工作一直都受到重视。准确预报掌子面前方地质条件已成为隧道建设的迫切要求。20世纪80年代以来，世界各国都将这类问题列为重点研究课题。日本列题研究掌子面前方地质预报；澳大利亚研究隧道施工前方地层状况预报；德国研究掌子面附近地层动态的详细调查；法国则把不降低掘进速度的勘探方法作为重点研究课题。

但是，目前在隧道地质超前预报方面的研究，国外也没有形成统一的系统化的理论，准确的定量预报也是国外隧道施工的技术难题。在国外，地质超前预报，特别是长距离地质超前预报，主要依赖物探仪器，如TSP、地质雷达和瑞雷波探测仪和超前地质钻探等。

（2）隧道地质超前预报技术在国内的研究应用情况

20世纪70年代建设成昆线期间曾成立过一个施工地质超前预报组，研究施工过程中掌子面前方地质条件的预报方法和预报技术问题。

大秦线军都山隧道施工过程中，中科院地质研究所与中铁隧道集团从1985年始，合作进行了比较系统的短距离的超前预报研究，主要采用以隧道地质素描为主，配合地面、地下地质构造相关性调查，超前钻孔钻速测试，声波测试的方法，并于1987年始，将隧道施工地质超前预报正式纳入施工程序。军都山隧道的地质超前预报经过后期实践的检验，取得了良好的效果，预报准确率达到71．5%。

1996—1998年，铁道部第一勘测设计院西安分院在秦岭特长隧道开展了施工地质综合测试工作及超前预报工作，并将地质工作贯穿隧道建设全过程。

1999—2000年，石家庄铁道大学桥隧施工地质技术研究所与中铁十四局合作，在株六复线新倮纳隧道正式开展了全面施工地质工作。该隧道属于典型的“烂洞子”隧道，不良地质灾害很多，但由于全面开展了隧道施工地质工作，系统地实施了地质超前预报工作，不良地质灾害预报精度达80%，不良地质规模预报精度达75%。

2008年，铁道部根据地质预报的前期成果和物探仪器的发展，编制了“铁路隧道超前地质预报技术指南［铁建设（2008）105］”并于2008年8月1日起实施。目前铁路隧道地质超前预报均按此指南实施，这是国内第一部专门关于超前地质预报的标准，体现了国内在超前地质预报方面的发展水平，填补了国内在该领域无规范、无规程可依的空白。

近年来，随着与国外隧道工程技术交流与合作的广泛开展，我国的隧道工程技术人员开始逐渐认识到地质工作特别是隧道地质超前预报工作在隧道施工中的重要作用，并为此做了积极的，卓有成效的探索。

纵观近年来国内隧道施工的实践表明：地质灾害的发生与地质条件有联系，但绝不是必然的联系。就目前的技术条件，只要作好施工期间的地质超前预报工作，并结合恰当的不良地质辅助工法，在复杂地质条件的隧道也可以做到不发生地质灾害，至少可以保证不发生大的地质灾害；相反，地质条件并不复杂的隧道，如果不做施工期间的地质超前预报工作或是做得不到位，并且当有不良地质条件时不能有必要的施工辅助工法与之相配合，也会造成地质灾害的发生，甚至是大的地质灾害的发生。

8．1．2　隧道地质超前预报工作的重要性和迫切性

（1）大量复杂地质条件下隧道工程的安全、快速施工迫切需要地质超前预报

随着经济和社会的发展，我国铁路、公路、水电建设的重心将向四川、云南、贵州、西藏等西部多山省区转移，这样不可避免地要修建大量的山岭隧道，包括各种长大、复杂地质条件的山岭隧道。因此，快速、安全施工将是隧道修建的主攻方向。

要保证隧道施工的顺利进行，关键是要消除和降低隧道施工中地质灾害的影响。而要降低地质灾害影响的关键是对不良地质的准确掌握，制订对应的处理方案，视地质情况再适时调整。在所有不良地质体中，断层破碎带是施工中最常见的不良地质。由断层及断层破碎带引起的隧道塌方占塌方总数的90%以上，赋存于断层及破碎带中的地下水更是隧道突泥突水等地质灾害的最主要源头。

隧道施工对地质条件的变化非常敏感，如果能对隧道开挖面前方不良地质体的性质和规模进行准确定位和评价，可有效地防止隧道地质灾害的发生。

不良地质对隧道施工的影响是巨大的。所以当前进行隧道地质灾害超前预报技术的研究具有重要意义。准确而有效的确定不良地质体的性质、规模和位置，不仅可以减少隧道灾害的发生、加快施工进度，而且可以节约大量成本，具有巨大的经济效益和广泛的社会效益。

（2）勘察的阶段性迫切需要地质超前预报

由于勘察的阶段性和勘察的精度所限，目前设计阶段的地质勘察工作不可能把施工中所有可能的地质情况都搞清楚，施工地质勘察（主要是地质超前预报）是地下工程勘察中必不可少的阶段。

施工实践显示：在设计院提交给施工单位的隧道地质平面图和纵断面图中，有相当数量的隧道，设计的围岩地质条件，特别是断层及其破碎带和与之相关的围岩级别与施工实际情况比较，常常相差甚远，由此造成的施工变更屡见不鲜，有的工程变更量甚至达到工程总量的70%。如×××隧道，设计中无一条断层，但施工中陆续出现了十几条大断层，多次造成塌方，严重影响了施工。再如×××隧道，在已开挖的1 200 m区段内，就新发现了破碎带（断层角砾带）厚度大于5 m，足以造成塌方的较大断层5条，涉及隧道长度达100多米；其中，隧道DⅡK175＋920～945段，集中出现了4条规模较大的富水断层，断层破碎带中的炭质泥岩已全部泥化，只能按Ⅴ级支护、衬砌紧跟方法才能通过；然而，设计图中仅出现一条破碎带很窄的F6断层，围岩级别也设计为Ⅳ级。有的将断层位置搞错、甚至地层倾向搞反。如，×××隧道，F4断层的位置与实际位置相差百余米，实际地层倾向恰好与设计相反。再如×××隧道，F12断层及F51断层位置也分别与实际相差137 m和50 m。有的在原本很完整的岩层中，人为地、错误地设计出很多断层。以××隧道进口为例，原设计图纸上出现100 m左右的由断层破碎带组成的Ⅴ级围岩，实际发现的只是涌水量较大的、完整的、呈中薄层状、陡倾的大理岩层，其围岩级别最高也就是Ⅳ级。因勘察不当造成重大不良地质灾害体的遗漏的案例也不在少数。

8．1．3　隧道地质超前预报工作的任务

隧道地质超前预报工作的主要任务可概括为以下3个方面：

（1）进一步掌握掌子面前方围岩级别的分布情况

在设计勘察所掌握隧道地质情况的基础上，根据已开挖段岩体的工程地质特征，利用地质理论方法和各种物探手段，甚至包括钻探手段，准确查明工作面前方100～150 m范围内的岩体的工程地质特征（有利和不利的方面）。这有利于施工工期的安排和施工物资的准备，特别是对可能引发重大地质灾害的不良地质体的出现，使施工决策者对下一步的施工作好思想准备，防患于未然。

（2）准确辨认可能造成塌方、突水突泥等重大地质灾害的不良地质体并提出防治对策

隧道施工中，塌方、突泥突水、煤与瓦斯突出等地质灾害的发生，与施工中没有成熟的施工地质人员参与、缺少施工地质这道工序有关。也就是说，如果有成熟的施工地质技术人员对隧道开挖中出现的各种不良地质现象（地质体）给以准确的识别，对不良地质体的规模、涉及隧道的长度及对应的围岩级别给予准确的判定，在对隧道所属地区地应力状态有一定了解的基础上，能提出与之相匹配的施工支护方案，或在对地质灾害有效监测的基础上提出有效的防治措施。而且这些支护方案、防治措施为施工决策人所采纳，各类地质灾害是可以避免或消除的，至少可以减少重大施工地质灾害的发生。

（3）隧道围岩级别的准确鉴别并提出与之相匹配的施工方案

这项工作是伴随隧道掘进不间断进行的。它是通过对隧道洞体围岩工程地质特征（包括软硬岩划分、受地质构造影响程度、节理发育状况、有无软弱夹层和夹层的地质状态）、围岩结构及完整状态、地下水和地应力情况，以及毛洞初步开挖后的稳定状态等资料的观测、整理、综合分析，依据隧道围岩级别的划分标准，准确判定围岩级别。

它的目标是在原设计的基础上，进一步准确判定观测段的围岩级别，提出相匹配的施工方案。

8．2　隧道地质超前预报的方法

隧道地质超前预报的主要方法有：地质方法、地球物理方法、钻探方法。

8．2．1　地质方法

地质法是地质超前预报最基本的方法，不管物探法还是钻孔探测法，都是地质分析方法向前方延伸的手段。同时对物探和钻孔超前探测资料的解释和应用，都离不开施工过程中观测和收集的地质资料，缺少了这一基础环节，采用任何超前探测方法都很难取得好的效果。

在实施地质方法的过程中，使用的方法主要有：地质投影法、地层层序法、工程地质类比法和地质编录法。

（1）地质投影法

主要是利用地表和地下地层、地质构造的相关性，同时结合已开挖掌子面的地质特征，对原设计纵剖面图的修正编制。它也是隧道（洞）工程预报中最主要的图件之一，与工程区的地形地质图相辅相成，涵盖的内容丰富、直观，对施工具有重要的指导意义，亦是地下工程宏观分析预测基础图件。

（2）地层层序法

地层层序是确定地质历史的根据和地质构造的基础，掌握了隧道（洞）地表的地层层序，岩性组合及特殊的岩层（标志层）。在隧道施工中当遇到某一时代的地层时，按地层层序上下迭置关系和岩性组合特征、厚度，结合施工中揭露的地层产状关系，就能预测相关地层在隧道前方出现的位置，以及可能遇到的岩溶含水层和构造带等不良地质体。

若前期地质勘察有地层柱状图，且经复查基本属实时，可不另行实测地质剖面建立地层层序；若工程区地层、构造复杂，原勘察成果不能满足要求时，应补测全部或某一段地层剖面，重新建立地层层序，为地层、岩性和地质构造的预测、修改补充提供地质依据。

（3）工程地质类比法

地下工程尽管所处地质环境各不相同，但构成各工程的地质因素和工程地质问题还是有诸多共同之处。地质类比法就是依据工程地质学分析方法按不良地质作用地质灾害形成的工程地质条件，水文地质条件和其他条件的共性之处进行类比，对诸如塌方、突水、突泥、岩爆、瓦斯等类型的定性判断。并根据工程地质条件对可能出现的破坏模式，以及已出现的变形迹象，对洞室、掌子面、边墙、拱顶的稳定状态做出判断，并对其发展趋势做出评估。

地下工程建设中，地质类比法是极为重要的方法之一，它的基础资料是地勘部门、设计单位提交的工程地质平面图、工程地质纵剖面图以及相应的物探成果（主要是地面地震、电磁法）、钻探资料等，对这些资料都应该系统地分析，在此基础上应用地质类比法，对隧道开挖中可能出现的突水、突泥、塌方、岩爆等做出较为确切的宏观预测。

（4）地质编录法

地质编录是施工地质最基本的工作方法，也是地质综合分析技术取得第一手资料的重要手段，它既反映开挖段的地质变化特征，又预示着未开挖段一定范围的地质问题。因为不论何种不良地质灾害的发生和发展，它总是有其特殊前兆特征。通过地质编录掌握了这些变化规律和地质特征，则是地质综合分析和对物探资料解释的依据，同时也是编写工程基础资料的证据。

8．2．2　地球物理勘探方法

常用的地球物理勘探方法有：弹性波反射法、电磁波反射法、红外探测、高分辨直流电法等。其中，弹性波反射系列的方法，已投入应用的如地震反射负视速度法（隧道垂直地震剖面VSP）、陆地声纳法（极小偏移距超宽频带弹性波反射单道连续剖面）、水平声波法、TSP、美国提出的TRT等，它们或在隧道边墙钻孔设检波器和用炸药爆炸激振，接收反射波来探查，或在掌子面上用锤击激振并设检波器接收反射波（陆地声纳法），在探查断层、破碎带、岩脉等方面，都基本上能作为可投入实用的方法。

物理探测技术是地质综合分析中极为重要的手段之一，它的优点是快捷、直观，探测的距离大，对施工干扰相对小，可以多种方法组合应用。但由于物探是利用岩石的物理性质进行地质判断的间接方法，且不同方法受限于不同场地和地质条件，每种方法都有各自的使用条件和局限性。

8．2．3　超前探孔法——钻探法

超前探孔是地质综合分析最直接的手段，它通过钻探取心编录，对掌子面前方探孔揭露出的地层岩性、构造、含水性、岩溶洞穴等的位置、规模能做出较准确的判断。

钻孔布孔位置带有一些偶然性，不能保证每孔都能达到预测目的（如溶洞等），同时钻孔成本高、对施工干扰大，不宜广泛采用。但是，在特殊复杂地质洞段，特别是物探揭示掌子面前方某一深度内存在重大异常时必须进行超前探孔，并合理纳入预报措施及施工组织中。

8．3　地震反射波法地质超前预报技术

利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法叫地震勘探。地震勘探始于19世纪中叶，1845年R．马利特曾用人工激发的地震波来弹性波在地壳中的传播速度，这可以说是地震勘探方法的萌芽。反射法地震勘探是地震勘探的一种方法，最早起源于1913年前后R．费森登的工作，但当时的技术尚未达到能够实际应用的水平。1921年，J．C．卡彻将反射法地震勘探投入实际应用，在美国俄克拉荷马州首次记录到人工地震产生的清晰的反射波。1930年，通过反射法地震勘探工作，在该地区发现了3个油田。从此，反射法进入了工业应用的阶段。中国于1951年开始进行地震勘探，并将其应用于石油和天然气资源勘查、煤田勘查、工程地质勘查及某些金属矿的勘查。

我国隧道地震波超前预报技术的研究起始于20世纪的90年代，铁道部第一勘测设计院物探队提出“负视速度方法”。我国铁道部第一勘测设计院是较早研究隧道地震超前预报的单位，他们在1992年7月，利用地震反射波方法对云台山隧道进行隧道超前预报，预报成果与开挖后的隧道左壁“破碎带”和“断层”的位置基本一致。从20世纪90年代初开始，我国物探技术人员一直没有停止对隧道地震超前预报技术的深入研究。曾昭璜（1994）研究利用多波进行反演的“负视速度法”，这种方法利用来自掌子面前方的纵波、横波、转换波的反射震相在隧道垂直地震剖面上所产生的负视速度同相轴来反演反射界面的空间位置与产状。北方交通大学的陈立成等人（1994）从全波震相分析理论和技术的角度研究隧道前方界面多波层析成像问题，进行隧道超前预报。他们的研究成果在颉河隧道、老爷岭隧道地质预报的数据处理和推断解释中应用，取得预期的效果。1995年铁路系统引进瑞士安伯格公司推出的TSP202。后来，安伯格公司又陆续推出TSP203、TSP203＋、TSP200等系列产品，并在我国地质下工程行业广泛应用。随着我国基本建设规模的扩大，隧道工程应用的增多，对隧道地质超前预报技术提出迫切要求。北京水电物探研究所2003年研究隧道地震波预报技术，于2005年推出第一款隧道地质超前预报仪器——TGP12，又于第二年推出TGP206型隧道地质超前预报系统。

隧道地震反射法在隧道地质超前预报中的广泛运用，推动了我国隧道地质超前预报水平的提高。下面以安伯格公司的TSP产品为例说明地震反射波法地质预报技术。

8．3．1　TSP超前预报系统的原理

1）理论基础

由微型爆破引发的地震信号分别沿不同的途径，以直达波和反射波的形式到达传感器，与直达波相比，反射波需要的传播时间较长。TSP地震波的反射界面实际上是指地质界面，主要包括大型节理面、断层破碎带界面、岩性变化界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等。这些不良地质界面的存在对于隧道施工能否正常进行往往起着决定性的作用，因此准确地预测其规模、位置具有重要的意义。TSP系统由测得的从震源直接到达传感器的纵波传播时间换算成地震波传播速度：

式中 X1——震源孔到传感器的距离，m；

T1——直达波的传播时间。

在已知地震波的传播速度情况下，就可以通过测得的反射波传播时间推导出反射界面与接收传感器的距离，其理论公式为：

式中 T2——反射波传播时间；

X2——震源孔与反射界面的距离；X3——传感器与反射界面的距离。地震反射波的振幅与反射界面的反射系数有关。在简单情况下，当平面简谐波垂直入射到平面反射面上时（见图8．2），其上的反射波振幅和透射波振幅分别为：

式中 A i——入射波振幅；

A r，At——反射波和透射波振幅；

v1，v2——反射界面两侧介质的速度；

ρ1，ρ2——反射界面两侧介质的密度；

γ——界面的反射系数。

假设ρ1≈ρ2，v1＝5 000 m/s，v2＝4 000 m/s，X1＝50 m，X2＝100 m，X3＝150 m。由上式得出γ＝－11%。也就是说89%的入射波经过界面后继续向前传播，只有11%的入射波反射回来。反射系数前面的负号表示入射波与反射波之间有180°的相位差，产生相位差的条件是地震波在传播过程中遇到由硬变软的岩石界面。

图8．2　地震波的垂直入射

将其他数据代入，得到反射波与入射波振幅的比值为0．222，表明反射波的振幅只有入射波振幅的22%。由于TSP203探测系统中采用了高灵敏度的、具有良好三维动态响应特性的传感器和24位的A/D转换器，可以保证该探测系统具有很宽的地震波的记录范围，这正是TSP探测系统能够在很大范围内预报地质条件变化的根本原因。

由图8．2可知，当入射波振幅A i一定时，反射波振幅A r与反射系数γ成正比；而反射系数与反射界面两侧介质的波阻抗（Pr）有关，且主要由界面两侧介质的波阻抗差决定。波阻抗差的绝对值越大，则反射波振幅A r就越大。当介质Ⅱ的波阻抗大于介质Ⅰ的波阻抗，即地震波从较为疏松的介质传播到较为致密的介质时，反射系数γ＞0，此时，反射波振幅和入射波振幅的符号相同，反射波和入射波具有相同的极性；反之，如果地震波从较为致密的介质传播到较为疏松的介质，此时反射系数γ＜0，则反射波振幅和入射波振幅符号相反，因此反射波和入射波的极性是相反的。从而可清楚地判断地质体性质的变化。

2）TSP探测的基本原理

反射界面及不良地质体规模的确定，其原理（图8．3）为：在点A1、A2、A3等位置激发震源。α为不良地质体的俯角，即真倾角；β为不良地质体的走向与隧道前进方向的夹角；γ为空间角，即隧道轴线与不良地质体界面的夹角。产生的地震波遇到不良地质体界面（波阻抗面），发生发射而被Q1位置的传感器接收。在计算时，利用波的可逆性，可以认为Q1位置发出的地震波经过不良地质界面反射而传到A1、A2、A3等点，即可认为波是从像点IP（Q1）发出而直接传到A1、A2、A3等点的。此时的Q1和IP（Q1）是关于不良地质界面（波阻抗面）对称的。因Q1、A1、A2、A3各点的空间坐标已知，由联立方程可得像点IP（Q1）的空间坐标，再由Q1和IP（Q1）的空间坐标求出两点所在直线的空间方程。由于不良地质界面是线段Q1、IP（Q1）的中垂面，所以可以求出该不良地质界面相对于坐标原点Q1的空间方程，进一步可以求出不良地质界面与隧道轴线的交点和隧道轴线与不良地质界面的交角。通过求出的不良地质体两个反射面在隧道中轴线上的坐标S1和S2，从而求出不良地质体的规模：

图8．3　TSP探测原理图

3）岩石力学参数的获得

通过测得的纵波波速v p和横波波速v s，利用针对变质岩、火山岩、侵入岩和沉积岩四类岩石类型所使用不同的经验公式，TSP软件可以获得岩石密度ρ，然后根据下列公式求出各个动态参数（《TSPWin1．1版数据处理及计算软件手册版本1．0》）。

动态弹性模量：

泊松比：

体积模量：

拉梅常数：

剪切模量：

静态弹性模量可由经验公式计算。

TSP探测结束后，探测数据可用相应TSPwin软件处理，数据经过处理后，关于此隧道的一些地质结构将会通过随后的评估子程序以图表的形式呈现出来。

评估结果包括预报范围内反射界面的二维或三维图形显示，同时以图表的形式描述该区域内岩石性质的变化情况。尤其重要的是那些没有反射事件的区域，在该区域，岩石的力学特性将没有或仅有极为细微的改变，因此，可维持已经采用的隧道开挖方式。

8．3．2　TSP203超前预报系统组成

TSP203超前预报系统组成见图8．4。

图8．4　TSP203系统主要组成

1）记录单元

记录单元的作用是对地震信号记录和信号质量控制。其基本组成为完成地震信号A/D转换的电子元件和一台便携式电脑，便携式电脑控制记录单元和地震数据记录、存储以及评估。此设备可以有12个采样接收通道，用户可设置4个接收器。

TSP203超前探测系统探测的可靠性主要取决于所接收到的信号质量。探测范围和探测精度与系统的动态响应范围和记录频带宽度有极大的关系。TSP203使用4位A/D转换器，其动态响应范围最小为120 dB，所接收到信号的频率范围为10～8 000 Hz。

记录设备的内置电源可以保证系统的安全操作时间为3～4 h（最长可达5～6 h），足够完成3次TSP探测。同时，这套设备使用了外接充电器对内置电池进行充电。

2）信号接收器（传感器）

信号接收器是用来接收地震信号的，它安置在一个特殊金属套管中，套管与岩石之间采用灌注水泥或者双组分环氧树脂牢固结合。接收单元由一个灵敏的三分量地震加速度检波器（X—Y—Z）组成，频带宽度为10～5 000 Hz，包含了所需的动态范围，能够将地震信号转换成电信号。TSP203的传感器总长为2m，分三段组合而成，但传感器的安装仍然非常简单和快速。

由于采用了三分量加速度传感器，因此，可以确保三维空间范围的全波记录，并能分辨出不同类型的地震波信号，如P波和S波。此外，这三个组件互相正交，由此可以计算出地震波的入射角。

接收器的设计适合不同性质的岩层，使用范围为软岩层到坚硬的花岗岩岩层。接收器套管的直径为43 mm，可以通过一台手持式钻机钻凿接收器安装孔。

接收单元具有防尘防水密封，可以保证接收系统在恶劣环境下正常工作。

3）附件和引爆设备

起爆器、触发器、信号电缆、角度量测器、角度校正器，长度为2 m的精密钢质套管和专用锚固剂等。如前所述，在安装传感器以前，必须把套管锚固在接收器安装孔上。接收单元安装后会通过接收电缆与记录单元相连。

引爆设备是由一个与触发盒相联的起爆器组成。触发器分别通过两根电缆线与电雷管相连，通过信号电缆线与记录单元的连接，以确保雷管触发时记录单元采集开始时间和雷管起爆时间的同步。

激发地震信号所需炸药（岩石乳化炸药），可通过胶带与电雷管捆绑在一起。雷管和炸药通过一填充竿送入到1．5 m深的震源孔底部，爆破前将震源孔注满水。

记录单元准备就绪允许起爆后，起爆盒上将有一绿灯显示，然后由爆破工自行决定引爆。这样可保证在爆破工和操作员没有直接对话的情况下，仍然具有较高的安全性。

8．3．3　数据采集过程

1）探测剖面和有关探测孔的布置

（1）探测剖面的确定

通常情况下，通过地质分析，可掌握岩体中主要结构面的优势方位，在地质条件简单时，可在隧道的左侧或者右侧壁上布置一系列的微型震源，进行单壁探测。当主要结构面的优势方位不清楚时，可在隧道壁左、右两侧各安装一个接收器，这样可提供一些附加信息。

对于地质状况非常复杂的情况，建议使用两个接收器、两侧爆破剖面探测。上述布置的好处是将所获得的地震数据加以对比和相互印证。

（2）接收孔和震源孔位置的确定

根据所测地质情况和隧道方位的关系确定探测布设图后，接收器和震源孔的位置必须明确。除了特殊情况外，标准探测剖面的布置应遵循以下操作步骤：

①估计进行TSP探测时隧道掌子面所在的位置。

②标定接收器孔的位置：接收器的位置离掌子面的距离大约为55 m，如果是两个接收器，则两个传感器应尽可能在垂直隧道轴的同一断面，否则应对其位置进行准确。

③标定震源孔的位置：对于第一接收器来说，第一个震源孔和接收器孔的距离应控制在15～20 m，在任何情况下都不允许小于15 m。出于实际操作方便的考虑，各炮眼间距大约为1．5 m，但如果所选择的探测剖面比较短，此距离可缩小，无论如何此距离都不允许超过2 m。探测时必须布置TSP探测所需的炮眼数，一般为24个，最少不得少于20个。

如果相对坐标系在隧道右侧壁，则主接收器和炮点的位置就应布置在右壁，否则就应布置在左壁。值得说明的是，接收器和所有炮眼应在同一条直线上，且该直线平行于隧道轴线，即，各个孔的位置在垂直方向不允许有较大的偏差。对于可控高差，必须进行测量并记录。

（3）震源孔和接收器孔参数

①传感器孔（图8．5）：

数量：1个或2个；

直径：43～45 mm/孔深2 m；

角度：用环氧树脂固结时，垂直隧道轴，向上倾斜5°～10°；用灰泥固结时，向下倾斜10°；

高度：离地面标高约1 m；

位置：距离掌子面大约55 m。

②震源孔：

数量：24个，根据实际情况，可适当减少，但不可少于20个；

图8．5　震源孔和接收器孔布置图

直径：38 mm（便于放置震源即可）/孔深1．5 m；

布置：沿轴径向，向下倾斜10°～20°（水封炮孔）；

高度：离地面标高约1 m；

位置：第一个震源孔距接收器15～20 m，炮孔间距1．5 m。

当传感器孔和震源孔全部钻好后，由测量人员提供每个孔口的三维坐标，同时用水平角度尺和钢尺测量每个孔的角度和深度，并记录下来。

（4）接收器套管的埋置

接收器套管的埋置关系到接收器所收集的地震波信息的准确性。有2种不同方法可以将接收器套管固定在岩体中。

①灌注灰泥：钻好接收器孔以后，应尽可能快地安装接收器套管。钻孔必须用一种特殊的双组分非收缩灰泥进行填充，灰泥由颗粒很细的砂浆组成。灌注时，可以用一种管壁很薄的PVC管和漏斗来填充。将接收器套管推进事先填充过灰泥的接收器孔中，多余的灰泥就会沿着管溢出。安装完毕后，注意校正套管方位。经过12～16 h的硬化，岩石与套管就可以牢固地结合。

②灌注环氧树脂：接收器套管使用的固结材料是环氧树脂，钻好接收器钻孔以后，应马上安装接收器套管。必须保证将足够多的环氧树脂药卷塞入到钻孔内。如果使用小型钻机，而且孔径小于45 mm，用3根环氧树脂药卷就足够了。如果使用大型钻机，每个孔要用4根环氧树脂药卷。

以上两种方法，在套管进位、锚固剂硬化之前，立即将套管旋转正向，同时，测量人员进行隧道几何参数的测量和记录。

以上4步准备工作可以与隧道施工平行作业，不占用隧道施工时间。

2）现场数据采集过程

所有的准备工作完成后，即可进行现场探测。为了尽可能少地占用施工时间和减少对探测工作的干扰，现场探测最好在工序交接班间隙进行。具体步骤如下：

①探测人员进洞后，主管探测人员选择仪器安置地点，并对周围环境进行检查，确保探测人员和探测仪器的安全。

②主管探测人员利用专用的清洁杆对套管内壁进行清洗，然后在其他人员的协助下进行传感器的安装。安装工作务必要十分认真仔细，传感器应分节安装，前一节传感器绝大部分进入套管后方进行传感器连接，两节传感器必须在同一直线上，轻微的弯曲都有可能造成连接处的不密贴，传感器连接处的插针、插孔和凸凹槽必须紧密配合，方可旋紧外套。同时，工作人员展开电缆线，进行系统连线工作。

③连接接收器与主机，并将计算机与主机单元连接，并进行复查。

④系统连接完毕后，主管探测人员打开测控电脑，打开TSP专用软件，输入相关几何参数后，打开存储单元开关，进入数据采集模式，检查噪音情况。如一切正常，可进行数据采集。

⑤仪器操作人员测试仪器的同时，爆破人员在距传感器最近的炮眼内装药（药量20～30 g，具体由岩石和岩体结构特征而定），炮眼装药后用水封堵，封堵时要慢速倒水，防止将雷管和炸药冲开。

⑥起爆线连接好后，并确认所有人员撤离到安全位置，起爆人员放炮采集数据，观察波形和信号最大值（信号最大值在5 000 mV内尽可能大），根据信号最大值对药量进行调整。一般随炮眼和传感器之间距离的增大，药量可适当加大。及时检查数据采集情况，在几何参数中输入传感器和炮眼参数，可看到采集信号。理论上来讲，传感器接收信号的初至时间与炮眼和传感器距离二者成线性关系，如果线性关系不明显，应排除雷管非正常延期的影响。

对震源孔的起爆顺序没有特别的要求，只要记录下每次爆破时爆破孔的序号即可。为了避免出错，建议起爆和记录逐孔有次序进行（升序或降序），也就是说爆破和记录的孔位与接收器的距离是递增或递减的。

⑦传感器所有工作通道数据全部上传后，可显示出地震数据的轨迹特性，数据控制是通过检验显示的地震轨迹的特性来完成。移动光标到任一信号点，相应的时间将显示在下面的标题栏上，将光标移动到直达波初至点上，可以确定直达波P波的通行时间。通过逐一对距离接收器位置（开始端）由近至远的震源点进行爆破发射，所测得的通行时间提供了一个很有效的数据控制方法，以检测所记录的地震数据是否有效。

⑧完成所有的记录后，点击主菜单上的“文件”并选择“退出”TSPwin程序。

⑨在以上探测过程中，所有几何参数和其他相关住处一定要记录下来，不得事后靠回忆来填写。

⑩数据采集完毕，在探测现场进行仪器组件整理。整理过程需要遵循如下步骤：

关掉记录单元和笔记本电脑；断开触发器装置（电缆和装置）；断开（接收器）电缆；小心地从套管中取出接收器，旋开三个组件并装载到接收器盒内；如果需要，可以检查和清点系统其他组件。

以上操作一般需要45～60 min。

3）现场探测时信号质量控制

每个数据采集后，应进行数据检查，信号比较好的地震数据被记录下来，因为地震法预报在很大的程度上取决于原始数据的质量，以下列出了数据质量控制的一些原则：

（1）信号电平

为了避免放大器的非线性和过载失真，第一震源孔的信号电平应该低于所有信号轨迹的80%，如果第一震源孔的装药量过高，建议将最近的3个震源孔的装药量减少。如果由于某些原因，如装药量已提前装好，则应检查第二震源孔信号的情况，如果没有失真，可以继续记录，在后续的处理中，删除第一震源孔记录即可。

（2）信号特征

TSP地震法地质预报的原理是基于处理反射信号。从发射点发出的信号必须是一个尖脉冲信号（即峰信号），而且接收器单元必须不失真地将其记录下来。

完成第一个震源孔的爆破并记录数据后，可以根据直达波的波形检查信号质量，直达波首先到达，其信号也是最强的。接收器指向震源孔的分量（通常是1X或2X指向掌子面），能清晰显示一串波列，包括一个正振幅和一个更强的负振幅。该波列的特征形状应该不随震源孔距离接收器位置的改变而变化。随着发射孔与接收器之间距离的增加，信号振幅会明显减弱，而且脉冲带宽会有所增加，这是因为地震波是以球面的形式进行传播，同时高频信号在岩石中传播信号会衰减吸收。

如果最先到达的波形具有震动性，这说明接收器套管和岩层之间没有足够的粘结或者是套管内部不干净。在这种情况下，应重新记录2次或3次发射，若信号形状还没有得到改善，应清洗接收器套管，将接收器重新插入接收器套管。若效果依然不佳，则应在新的位置重新安装接收器套管并重复所有的。

4）现场探测时安全注意事项

①TSP探测人员应严格执行隧道施工安全操作有关规定。

②TSP探测组每次进入隧道探测前，应得到施工单位主管工程师认可。

③每次探测之前，探测人员应掌握掌子面施工进展情况，TSP探测安排在掌子面爆破且清理完危石后进行；危石未清理结束，严禁TSP探测作业。

④探测钻孔、装药等各工序严禁与掌子面装药、起爆等工序同时作业。

⑤现场探测时严禁无关人员围观，特别是震源作业区，应设置警戒线。

5）数据采集过程中的关键技术

（1）接收器的放置问题

接收器是把波的振动信号转换为电信号的装置，能否接收到信号，接收信号质量的好坏与接收器直接相关。放置接收器时我们应最大可能的力求使波在最短的时间内传至接收器，所以当应用地质力学和构造地质的理论能确定掌子面前方主要构造破碎带和不良地质体的主要产状时，可用一个接收器接收，此时应把接收器放在隧道的前进方向和构造线的走向夹角成钝角（本质上是空间角而非平面角）的一侧。因这样会使接收器在最短的时间内接收到最多的有用信息。如果不能用地质力学的理论推测出前方不良地质体的产状，则应在两侧分别放置一个接收器才能能接收到较好的信号。

（2）震源炸药的选择和填装问题

在TSP探测中，炸药是人工激发地震信号的来源。震源炸药的选择应保证炸药有较高的爆速和与待测的岩石介质有相匹配的波阻抗，同时，炸药的用量应严格控制以避免产生不必要的噪声信号和对高频信号的抑制，应力求获得强有力脉冲信号。

填装炸药力求与钻孔紧密接触，必要时向孔内注水，一则保证炸药密实，二则保证炸药与钻孔有良好的耦合，减少能量的损耗。

（3）线圈的放置问题

数据的采集过程就是把机械的波动信号转换为电压信号的过程，所以波动信号的改变意味着电压信号的改变。如果采集数据时传输电缆仍缠在线圈上则会由于线圈的感抗作用产生较大阻抗，使电压信号发生变化而在成图和地质解释时误认为是地质条件的变化，故采集数据时应把线圈放开，避免产生较大的阻抗电压。

（4）雷管性能的选择问题

在数据采集时，触发器的功能是保证炸药的引爆和主机的采集信息能同步，这里有个前提条件是炸药的引爆不需要时间，但实际并非如此。电雷管的工作原理是电流的热效应，据焦耳定律，达到一定的温度需要有一定的时间，这个时间就是比主机开始采集数据的滞后时间，这会造成主机采集数据与引爆的不同步，或者说是主机用于真正采集数据的时间减少，即相应的有效的探测距离低、数据的质量差。因此，在雷管的选用上应尽量选用瞬发电雷管，一则延期微小，二则延期误差小。

（5）接收器和震源的位置问题

接收器有效接收段的中点位置应与所有爆破点的中心位置在同一条直线上，其误差不应过大，而且此直线应与隧道的轴线平行。如该连线不是水平直线而是倾斜的，此时的成果图是以此直线为假定水平直线的平面图和剖面图，图中不良地质的产状，如倾角等，是相对隧道轴线的而非真实的，在这一点上用TSP方法和用其他地质方法相比较时应注意。如果隧道的轴线不是直线而是折线（指有坡度）此时应通过坐标Z值的改变加以调整，但沿整个爆破点断面的高差（Z值）不应多于3 m。

仪器的计算原理是：每一炮点到接收器的距离是确定的，每一炮点的直达波到达接收器的时间可以测出，这样就可以计算出岩体的平均波速，利用它和波到达波阻抗面的时间就可以计算出波阻抗面的位置和产状。如果实际炮点到接收器的距离与输入值有偏差，则会造成波速有误，进而造成计算出的波阻抗面位置和产状的错误。因此在布点时，力求实际位置与输入的坐标相一致。

（6）套管的埋设问题

套管是为了节省接收器但不降低接收器的接收效果而设置的，因此套管的埋设应力求与周围的介质紧密接触，且锚固剂的波阻抗应与岩石介质的波阻抗尽可能相近，这样就可预防套管不正当的震颤和降低波动能量在套管周围界面上的能量损失。为防止灌锚剂时钻孔底部出现未灌实的现象，锚固时应设排气管。

（7）对拒爆震源的处置问题

如果说引爆时仅仅是雷管起爆或只有一部分炸药起爆，那么可输入正确的爆破点序号重复引爆。如果数据质量不好，如振幅超限或是第一次转折后出现低频振荡数据，则应删除记录后重新采集。

（8）仪器参数的选择问题

不同的采样间隔和采样数目可影响仪器的探测距离、探测精度。当采用最大采样数目时，如采用较大的采样间隔可加大采样时间，也就相对增加探测距离，但此时的探测精度会降低，漏掉小的不良地质体。TSP探测时可选用40μs或80μs的间隔，如果岩石较软，则采用80μs的间隔。这样，一则节约时间，二则避免由于高频信号的衰减而产生过高精细数字化的浪费。

8．3．4　数据处理及解译过程

1）数据处理过程

在现场数据采集完成后，在室内对地震数据进行处理。TSPWin系统对于地震波数据的处理和计算共有11个主要步骤，并且是依次进行：

①建立数据：设置数据长度，在时间上把地震波数据控制在一个合适的长度，以便在满足探测目的的情况下减少计算时间和存储空间；然后进行部分数据充零，以清除一些系统干扰和其他噪声；最后计算平均振幅谱，它反映了地震波的主频特征，利用它可设置适当的带通滤波器参数。

②带通滤波：带通滤波的作用是删除有效频率范围以外的噪音信号，其主要以上一步确定的平均振幅波谱作为依据，运用巴特夭滋带通滤波器进行滤波，从而确定有效频率范围。

③初至拾取：目的是利用每道地震数据的纵波初至时间来确定地震波的纵波波速值。

④拾取处理：主要是通过变换和校直处理，确定横波的初至时间，从而确定横波的波速值，该值是个经验值。

⑤爆破能量平衡：作用是补偿每次爆破中弹性能量的损失。

⑥Q估算：以直达波决定衰减指数。

⑦反射波提取：通过拉冬变换和Q滤波提取出反射波。前者是为了倾斜过滤以提取反射波。后者是由信号带通内的高频率衰减而引起能量丢失，从而减弱了地震波的分辨率。在已知岩石质量因子Q时，丢失振幅逆向Q滤波可以部分恢复。

⑧P波和S波的分离：系统通过旋转坐标系统将记录的反射波分离成P，SH，SV波。

⑨速度分析：首先产生一种速度模式，然后计算通过该模式时的传递时间，再将地震波数据限制在解释的距离内，最后再从这些实验偏移中得到新模式。

⑩深度偏移：利用地震波从震源孔出发到潜在反射层再到接收器的传递时间，以最终两种位移—速度模式计算最终P、S波速值。

反射层提取：设置反射层的提取条件，分别提取出P，SH，SV波的反射界面，供技术人员进行地质解释。

2）数据解释过程

TSP地震数据解译过程是TSP超前预报系统有效工作的关键，也是地质超前预报过程中需要重点研究和掌握的核心部分。对TSP数据的准确解译，一方面要求解译人员深刻掌握地震勘探的原理，参照TSP203工作手册中有关原则进行解译，在实践中积累解释经验。另一方面，要求解译人员具有丰富的地质工作经验，掌握各类地质现象的特征以及这些地质现象在TSP图像中的表现形式。总之，对TSP图像的地质解释要以地质存在为基础，不能脱离地质实际。

在对TSP探测结果进行数据解译处理时，应该遵循以下几方面原则：

①正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。

②若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。

③v p/v s增加或泊松比突然增大，常常由于流体的存在而引起。

④若v p下降，则表明裂隙或孔隙度增加。

⑤反射振幅越高，反射系数和波阻抗的差别越大。

8．3．5　数据处理和解释过程中的关键技术

在理解TSP超前预报系统工作原理的基础上，研究如何提高探测精度，可以切实做到更好地为施工服务，并扩大TSP超前预报系统的应用范围。以下关键点应注意。

（1）数据处理阶段

①必须对所采数据的频率分布范围有所了解，绝不能仅仅依靠仪器利用统计方法得到的结论。当所采数据信噪比较高时，这个方法还可以；当现场噪音大时，这个方法就不适合了。

②信号的增益一定要小心，不能人为制造出地质结构面。

③对仪器自动拾取的结构面，应根据偏移剖面特征有所取舍；对没有被选取的关键结构面一定要人为选取，一切以地质存在为基础。

④对仪器所给出的有关力学参数，其值仅供参考。

（2）室内解释阶段

①尽可能把数据处理的每个步骤的参数设置，调整为最符合探测段地质条件的参数。

②根据开挖面到最近炮孔之间已经开挖的隧道地质情况与探测结果进行对比分析，作为开挖面前方地质体解释的基础和参考。

③在解释的时候，必须对本地区的地质条件和已开挖隧道的实际地质状况非常清楚地了解和掌握。

④在判断地质体的性质时，不能单纯地以某个岩性指标作为判据，必须综合各指标以及实际开挖面的岩性进行预报。

此外，对于解释的成果，通过在施工过程中采用跟踪地质超前预报技术不断对比分析，并积累经验。

8．3．6　TSP的预报能力问题

新仪器的出现使地质超前预报的水平有了长足的进展，使地质预报的水平从定性到达了基本的定量。但新仪器也有其局限性。就目前常用的地质超前预报仪器——TSP中就存在一些问题，列举如下。

1）TSP对围岩分极的能力

TSP作为一种地震反射波法是可以导出掌子面前方岩体的纵、横波速度值。其纵波的波速值是基于直达波初至时间和相应偏移距的基础上导出的。而横波的波速值是基于已开挖段岩体纵横波速比值的假定的基础上导出的，它并没有根据横波的初至导出（直达横波的初至因直达纵波和反射波的干扰而不能从图上识别，另外横波的激发需要特殊的条件）。在已开挖段横波速度值都不确切的基础上而导出的未开挖段的横波波速值的精度值得商榷。

在《铁路隧道设计规范》TB 10003—2005中，把岩（土）体特征和围岩的弹性纵波波速值作为围岩基本分级的依据。如表8．1所示，表中围岩的级别与波速值不是一一对应的，而是在波速上有重叠，这种作法充分考虑了采集波速值时影响因素的多样性和波速值与围岩级别的对应关系，是合理的。但在实际操作时，有些技术人员生搬硬套，把围岩的级别与波速值看成一一对应的，而没有关注最主要的岩土体结构特征。

总之，用TSP的波速值去预报掌子面前方围岩的级别仅供参考。准确的围岩分级须依据施工阶段隧道围岩级别判定卡的有关内容来判定。

表8．1　围岩的基本分级与围岩弹性纵波波速关系

2）TSP对水的直接探测能力

TSP对掌子面前方岩体的含水性的探测能力问题一直备受关注，有的地质专家兼物探仪器使用者认为“TSP可以探测出掌子面前方岩体的含水性”，且有成功的实例为证；而有的物探专家兼地质爱好者则从理论上认为“TSP能探测出掌子面前方岩体的含水性是不可能的”，其也有TSP探测失败的例子。笔者个人认为从地震波在岩体土体中的传播规律来看，在TSP成果图的图像上直观看出掌子面前方岩体的含水性值得怀疑，但TSP可探测掌子面前方的结构面或断层却是可能的，而地质专家利用结构面或断层的地质特征结合其他因素判断（或推测）出其含水性也却是可能的。

所以TSP能探测出掌子面前方的含水性，不是TSP的直接功劳，而是地质专家在TSP探测成果基础上依据地质理论的合理推测。

3）TSP的探测距离和探测精度问题

TSP的探测距离和震源的能量相关：小的药量尽管可以有较高的频率，但传播距离短；大的药量尽管在某一范围内可以提高震源的能量，但却降低了震源的频率，在实际探测中破碎围岩中大的药量会对初期支护造成破坏。另外，地震波能否有效传出去是受围岩条件限制的（能量和频率的损失）。理论和实践表明，TSP的探测距离在一定程度上是客观的，只有满足精度要求的距离才是有意义的。

同理，探测精度也由地震波的频率决定，没有高频率的地震波，TSP无论如何也探测不出小尺度的地质体。在极硬岩和极软岩中对地质体的分辨率要求一样高是不可能的。

8．4　红外探测地质超前预报技术

红外探测地质超前预报技术是一种广泛用于煤矿生产的成熟技术，它主要是利用地质体的不同红外辐射特征来判定煤矿井下是否存在突水、瓦斯突出构造等。从2001年圆梁山隧道运用红外探测进行地质超前预报以来，红外探测技术广泛运用于我国隧道工程施工地质超前预报当中。

8．4．1　红外探测（水）工作原理

红外探测是利用一种辐射能转换器，将接收到的红外辐射能转换为便于或观察的电能、热能等其他形式的能量，利用红外辐射特征与某些地质体特征的相关性，进而判定探测目标地质特征的一种方法。自然界中任何介质都因其分子的振动和转动每时每刻都在向外辐射红外电磁波，从而形成红外辐射场，而地质体向外辐射的红外电磁场必然会把地质体内的地质信息以场的变化的形式表现出来。

当隧道外围介质正常时，沿隧道走向，按一定间距分别对四壁逐点进行探测时，此时所获得的探测曲线是略有起伏且平行于坐标横轴的曲线，此探测曲线称为红外正常场。其物理意义是表示隧道外围没有灾害源。

当隧道外围某一空间存在灾害源时（含水裂隙、含水构造和含水体），灾害源自身的红外辐射场就要叠加在正常场上，使获得的探测曲线上某一段发生畸变，其畸变段称为红外异常场，由于到场源的距离不同，畸变后的场强亦不同。其物理意义是隧道外围存在灾害源。值得说明的是：由于地下水的来源不同，异常场可高于正常场也可低于正常场。

8．4．2　红外探测在隧道工程中能解决的问题

①由于灾害源和其相应灾害场的存在，通过探测曲线的变化可探测出掌子面前方灾害源的存在，如含水断层及其破碎带、含水或含泥的溶洞、含水的岩溶陷落柱等。

②红外探测能探测出隧道底部和拱顶以外范围的隐伏水体和含水构造，避免因卸压造成地下水突出，引发灾害。

③红外探测能探测隧道侧壁外围的含水构造，避免在施工期间和使用期间造成灾害事故。

8．4．3　现场工作方法

红外探测属非接触探测，探测时用红外探测仪自带的指示激光对准探测点，扣动扳机读数即可。具体过程如下：

①探测一般在放炮、清碴完毕后的测量放线时间进行。

②进入探测地段时，首先沿隧道一个侧壁，以5 m间距用粉笔或油漆标好探测顺序号，一直标到掌子面处。

③在掌子面处，首先对掌子面前方进行探测。测完掌子面后，返回时，每遇到一个标号，就站到隧道中央，用红外探测仪分别对标号所在断面的隧道左壁中线位置、顶部中线位置、右壁中线位置和底部中线位置进行探测，并记录所测值，然后进行下一测点断面的探测，直至所有标号所在的断面测完为止。

8．4．4　探测时的注意事项

①开始探测前，先自选一个目标重复探测几下，看探测的结果是否一致，当读数一致时，说明仪器运转正常。

②当发现探测值突然变化时，应重复探测，且应在该点外围多探测几个点，以确定该异常非人为异常。

③当洞外处于零下若干度，而隧道中温度又较高时，从很冷处把仪器拿到很暖处不得立即工作，应停留25 min。

④不同来路的水有不同的场强，为此，在探测过程中应该对已知水体进行探测，并记录在备注栏内，这样便于对未知水进行探测。

⑤扣动扳机读数后须松开食指，特别是使用平均读数档时更是如此，如不松开，则会得到错误的结果。

⑥探测时的起点位置、终点位置和中间所经过的隧道特征点都应记录在备注栏内，以备解释用。

⑦如果初期支护已施作且没干，则不宜对侧壁进行探测。

8．4．5　成果图的要求

①成果图的图头应写明隧道名称、使用技术方法和探测时间。

②红外探测曲线图是用直角坐标系表示不同位置场值的变化，纵坐标标明场强Trad、横坐标标明里程。

③探测曲线的尾端应绘在图的右方靠近掌子面处，并标明该处的里程。

④探测曲线的比例一般用1/1 000即可，过大或过小均不利于数据的解释。

8．4．6　红外探水与其他方法的配合

①当红外探测发现前方存在含水构造时，通过雷达或其他电法测出含水构造至掌子面的距离和含水构造影响隧道的宽度。

②确定含水构造距掌子面的距离和其宽度后用钻探方法给出前方含水构造的涌水量。由于涌水量与水源、水头压力、出水断面的大小有关，因而目前所有物探仪器均不能确定涌水量的大小。物探与钻探相结合可有效搞好地下水的超前预报，查出威胁隧道安全的隐蔽水体。

8．5　地下全空间瞬变电磁地质超前预报技术

8．5．1　基本原理

瞬变电磁法是利用不接地回线向地下发射一次脉冲电磁场，当发射回线中的电流突然断开后，地球介质中将激励起二次涡流场以维持在断开电流以前产生的磁场。二次涡流场的大小及衰减特性与周围介质的电性分布有关，在一次场的间歇观测二次场随时间的变化特征，经过处理后可以了解地下介质的电性、规模和产状等，从而达到探测目标体的目的。

瞬变电磁法探测地质体性质的关键技术一是采用合适的观测方式，二是丰富的解译经验。

8．5．2　地下全空间瞬变电磁法的观测方式

当地下观测在隧道中进行时，因空间很小，不可能采用大线框或大定源方式，只能采用小线框，而且只能采用偶极方式。具体在隧道中工作时，偶极方式可分为两种，具体如下：

（1）共面偶极方式

当观测沿隧道底板或侧帮进行时，应该用共面方式，即发射框和接收线圈处于同一个平面内，见图8．6。这种方式与地面的偶极方式类似，不同的是地下巷道观测必须采用特制专用发射电缆。

（2）共轴偶极方式

图8．6　隧道侧壁TEM探测装置方式

因为隧道掌子面范围小，既无法采用共面偶极方式，也无法采用中心方式。因此，一般采用一种不共面同轴偶极方式。如图8．7所示，发射线圈（Tx）和接收线圈（Rx）分别位于前后平行的二个平面内，二者相距一定的距离（要求＞5 m，实际中常采用10 m）并处于同一轴线上。观测时，接收线圈贴近掌子面，轴线指向探测方向。对于隧道工作面来说，探测时分别对准隧道正前方，正前偏左、偏右等不同方向，这样可获得前方一个扇形空间的信息。

图8．7　掌子面TEM超前探测装置方式、探测方式及探测范围

8．5．3　数据处理步骤

瞬变电磁法观测数据是各测点各个时窗（测道）的瞬变感应电压，需换算成视电阻率、视深度等参数，才能对资料进行下一步解释，主要步骤如下：

①滤波：在资料处理前首先要对采集到的数据进行滤波，消除噪声，对资料进行去伪存真。

②时深转换：瞬变电磁仪器野外观测到的是二次场电位随时间变化，为便于对资料的认识，需要将这些数据变换成电阻率随深度的变化。

③绘制参数图件：首先从全区采集的数据中选出每条测线的数据，绘制各测线视电阻率剖面图，即沿每条测线电性随深度的变化情况，然后依据测区已掌握的地质资料绘制出不同层位的视电阻率切片图和等深视电阻率切片图。

8．5．4　瞬变电磁用于地下全空间地质超前预报存在的问题

首先，隧道掌子面范围的实际情况既不同于半空间，也不是完全的全空间，因而数据处理结果在电阻率值和探测深度上都有一定的偏差，解释出的低阻异常区范围往往偏大。这种情况除了该方法本身的体效应外，全空间理论模型与实际环境的差异可能是一个重要原因。

其次，虽然接收线圈位于探测面前方的掌子面上，探测面后方的异常仍然会产生影响，所以对异常体的定向仍然存在不确定性。

第三，在装置上，为了减小互感的影响，发射线圈和接收线圈之间的距离需要大于5 m，这不但降低了有效信号的强度，也限制了该方法在空间较小的隧道的使用。所以，在硬件上改善仪器设备的性能，减小发射线圈与接收线圈之间的互感是提高该方法适用性的一个关键。

8．6　声波探测地质超前预报技术

8．6．1　声波探测地质预报技术原理

声波探测是通过探测声波在岩体内的传播特征，研究岩体性质和完整性的一种物探方法（与地震勘探相类似，也是以弹性波理论为基础的）。具体来说，就是用人工的方法在岩土介质中激发一定频率的弹性波，这种弹性波以各种波形在岩体内部传播并由接收仪器接收。当岩体完整、均一时，有正常的波速、波形等特征；当传播路径上遇到裂缝、夹泥、空洞等异常时，声波的波速、波形将发生变化；特别是当遇到空洞时，岩体与空气界面要产生反射和散射，使波的振幅减小。总之，岩体中缺陷的存在破坏岩体的连续性，使波的传播路径复杂化，引起波形畸变，所以声波在有缺陷的地质体中传播时，振幅减小，波速降低，波形发生畸变（有波形，但波形模糊或晃动或有锯齿），同时可能引起信号主频的变化。

8．6．2　现场布置方法

声波探测用于地质预报方面，常见的有反射波法和透射波法两种。其中，声波透射波法是充分利用加长炮孔或超前钻孔进行跨孔声波探测（除特殊需要，一般不适合单一目的的声波跨孔探测），获取掌子面前方岩体间的V p-L曲线，探测掌子面前方岩体中的软弱夹层、裂隙和断层的范围，特别是探测岩溶管道的存在与否及其展布范围，并对其成灾可能性进行超前预报。

现场探测具体步骤如下：

①在掌子面布置探测孔，见图8．8，探测孔一般向下倾斜10°，便于灌水耦合。利用其他钻孔而不能满足向下倾时，要利用止水塞止水，保证耦合效果。

②探测孔打好后，一定要清孔，必要时用套管保护，以防塌孔，造成探头被卡。

③测量各个孔口的相对坐标、孔深和孔的倾斜方向和角度。

④向探测孔内灌水，并开始探测，如图8．9所示。

图8．8　声波透射掌子面探孔布置图

图8．9　测试方法示意图

8．6．3　存在的问题

①声波探测时，振源频率高、能量低，而岩土体对高频信号的吸收作用大，因此传播距离较小，只适用于在小范围内的短期地质超前预报。

②跨孔声波探测技术需要较多的探测孔，除非对重要目标体进行预报外，一般不易专门进行声波探测。

8．7　地质雷达超前预报技术

地质雷达作为隧道超前预报方法之一，其原理己在第7章进行了简述。地质雷达在进行地质预报时，因为受掌子面范围和天线频率的限制，多用于近距离预报，预报长度一般为20～30 m。特别是当TSP预报前方有溶洞，暗河和特殊岩层等不良地质体时，若要验证和精确探测其规模、形态，利用地质雷达进行探测会取得更加理想的效果。

8．7．1　测线布置与天线选择

地质雷达在进行超前预报时，一般在隧道掌子面上布置3条水平横测线和1条纵测线，3条水平横测线根据隧道断面情况而定，一般在拱腰、墙腰和距隧道底部高1．5～2 m处各布置1条，纵向测线一般设置在隧道中心，另外根据隧道开挖时的地质情况，可适当增加测线。其布线示意图见图8．10。

目前隧道开挖地质超前预报距离一般要求在十几米到30 m左右，采用100 MHz天线较为适宜。图8．11为美国GSSI公司的100 MHz屏蔽天线。

图8．10　隧道掌子面测线布置示意图

图8．11　美国GSSI公司100 MHz天线

8．7．2　数据采集与现场工作

由于目前地质雷达系统多数天线多设计为贴地耦合式，建议天线尽量紧贴被测物体的表面，接触越好探测效果越理想，一般建议离开地面的距离控制在1/4波长以内，100兆天线建议距离被测物体表面的距离控制10 cm以内，天线最好能够紧贴其表面。图8．12为现场地质雷达超前预报工作照片。

由于隧道开挖掌子面通常凹凸不平整，天线无法在掌子面上快速移动，因此建议采用点测法进行超前探测，点距控制在10 cm，在适当的地方手动做标记。在非常平整的掌子面上可以结合手动点测方式和时间方式连续相结合的来进行探测。主机采集主要参数可设置为自动增益，增益点设为5，平滑降噪设为3，低通设为300 MHz，高通设为25 MHz，叠加选择为100。

图8．12　现场采集

8．7．3　资料处理与解释

地质雷达超前预报在掌子面现场采用手动触发方式点测取得探测结果一般情况下都比较理想，因而在后期室内资料处理和解释就相对比较简单，一般包括以下几个步骤：资料整理、图像显示、资料编辑、增益处理、一维频率滤波、高级滤波、图像输出、资料对比与地质解释。

资料整理：对现场所测资料进行整理，包括测量测网资料整理，野外记录表格的电子化录入工作，工作照片整理，备份野外探测数据。

图像显示：利用专门的处理软件打开数据，采用线扫描方式、波形加变面积方式、波形图等方式显示测量数据。

资料编辑：剔除强烈的干扰信息，把一条测线上相邻的几个数据剖面连接在一起组成长剖面数据文件。

增益处理：采取整体增益，对整个数据剖面的振幅信息进行放大，或者采用指数增益函数对某一个深度区间的振幅信息进行局部放大，便于数据显示。

一维频率滤波：如果在探测资料中出现了低频信号干扰，请采用频率滤波方法滤除低频干扰信号。通常情况下不做此处理。

高级滤波：在探测资料中如果出现多次波干扰信息，需要利用反褶积方法消除多次波干扰，恢复地下真正的地质构造剖面。

输出探测图像：并且对各幅探测图像进行比较，寻找差异，同时结合地质资料，进行地质推断和资料解释工作。给出地质剖面图。也需要结合各里程桩号地质雷达探测剖面信息，组成一幅隧道剖面图。

8．7．4　注意事项

雷达测试资料的解释是根据现场测试的雷达图像。根据电磁波的异常形态特征及电磁波的衰减情况对测试范围内的地质情况进行推断解释。一般来说反射波越强则前方地质情况与掌子面的差异就越大，根据掌子面的地质情况就可对掌子面前方的地质情况做出推断。另外，电磁波衰减对地质情况判断也极为重要，因为完整岩石对电磁波的吸收相对较小，衰减较慢；当围岩较破碎或含水量较大时对电磁波的吸收较强，衰减较快。解释过程中电磁波的传播速度主要根据岩石类型进行确定，在有已知地质断面的洞段则以现场标定的速度为准。

另外，数据采集还应注意以下事项：

①掌子面必须安全，没有掉块、塌落等不安全因素存在。

②掌子面附近尽量不要有金属物体存在。

③隧道掌子面的平整与否，对探测结果的准确性有一定影响。在实际操作中应特别注意天线的定点和贴壁，否则会使探测结果产生畸变。

8．8　石太客运专线南梁隧道地质超前预报应用实例

1）报告编制依据

本TSP地质超前预报的数据采集、成果分析符合《铁路隧道超前技术预报技术指南》铁建设［2008］105号有关规定；有关术语和技术标准符合《铁路隧道设计规程》（TB 10003—2005）、《工程岩体分级标准》（GB 50218—94）、《铁路工程物理勘探规程》（TB 10013—2004）、《铁路隧道施工技术规范》（TB 10204—2002）、《铁路工程水文地质勘察规程》（TB 10049—2004）等中的相关规定；其他相关信息参阅相关隧道勘察成果文件和隧道地质复查报告。

2）隧道区地质条件分析与TSP预报

（1）地质分析

石太客运专线南梁隧道围岩为奥陶系中统下马家沟组（O2x）。奥陶系下统亮甲山组（O1l），冶里组（O1y）。寒武系上统凤山组（ε3f），长山组（ε3c），崮山组（ε3g）。寒武系中统张夏组（ε2z），徐庄组（ε2x）。寒武系下统毛庄组（ε1mz）页岩。隧道洞身通过的地层岩性为寒武系灰岩为主，有个别闪长岩岩脉侵入。

隧道通过地层多为石灰岩和白云岩等硬质岩层，岩体完整～较完整。断层带和岩脉侵入体附近岩体较破碎，岩石为弱风化～微风化。断裂构造发育，节理裂隙走向以北东东向、北北西向和近东西向为主，多以剪节理性质的构造裂隙出露，局部地区节理密度较大，产状变化较大。

隧道围岩赋存裂隙水。裂隙水主要赋存于强～中等风化基岩及断裂破碎带中，局部地段地下水活动强烈，会加剧围岩失稳。

（2）TSP预报目标

根据隧道设计资料和已开挖段的岩性、构造、地下水等有关地质条件，本次TSP探测的主要目标是控制隧道围岩稳定性的破碎带（结构面密集带）分布位置及其工程地质特征。

3）已开挖段围岩的工程地质特征评价

①评价范围：DK63＋177～DK63＋297；

②围岩岩性特征：中厚层状、微风化石灰岩，地层产状近水平；

③围岩受构造的影响程度：轻微；

④结构面发育特征：构造节理较发育，优势方向为NE18°，节理面多闭合，少有充填；地层产状近水平，层间结合一般；

⑤岩体结构特征：整体巨块状结构；

⑥地下水特征：整体水量不大，局部有淋水；

⑦毛洞开挖后的稳定性：整体稳定，稍有掉块；

⑧围岩级别：Ⅱ级。

4）TSP现场采集参数

①探测日期：××××年××月××日；

②探测仪器：TSP203plus；

③掌子面位置：里程DK63＋297；

④接收器位置：太原方向右侧壁，里程DK63＋245；

⑤接收器数量：1个；

⑥设计炮点：24个，实际20个；

⑦采样间隔：62．5μs；

⑧记录时间长度：451．125 ms；

⑨采样数：7 218。

5）TSP探测结果的工程地质评价

（6）施工建议

探测段DK63＋297～DK63＋406范围内第1、3段为物探异常段，推测为构造节理密集带或破碎带，亦即富水段，有小型突水可能。

建议在开挖第1、3段时，在相应的掌子面布置6个加长炮孔（拱顶、左右拱腰、左右边墙底和中心），孔深6m，超前探测地下水的水压和水量变化。开挖时注意控制进尺，预留防突层4 m。

（7）附解译结果图（图8．13～图8．16）

图8．13　P波波速分布图

图8．14　P波反射层的混合偏移图

图8．15　围岩结构面俯视图和纵剖面图

图8．16　岩石参数变化情况图

本章小结

隧道地质超前预报是隧道施工过程中的重要工序，本章介绍了TSP超前预报系统、红外探测、地下全空间瞬变电磁、声波探测和地质雷达地质超前预报的原理、现场工作方法和资料处理等。最后结合TSP超前预报系统工程实例，介绍了报告编写的过程和相关内容。

思考题

8．1 隧道地质超前预报有哪几种方法？

8．2 查阅相关材料，超前预报中的物探方法除了本章所介绍的5种外，还有哪些方法？

8．3 TSP地质超前预报系统在数据采集过程中需注意哪些问题？