几种超前地质预报技术在复杂地质隧道的综合应用

 引言
　　 近年来，随着我国隧道建设的大力发展，各类突发地质灾害造成的安全事故十分频繁。若能对隧道掌子面前方的地质条件及水文地质条件，如掘进前方是否有岩溶、断层破碎带、富水区域等不良构造进行准确预测，且根据预测结果合理地安排掘进进尺并修正施工方案，采取必要的防范措施，则可避免险情发生。目前，关于超前地质预报在隧道建设中的应用已有相应的研究。李乃旺等[1]应用高密度电阻率法，对宁淮高速公路南京老山隧道进行了超前探测，得到了隧道和断层破碎带相交处为浅部裂隙岩溶含水带中的优良导水带, 该处涌水的可能性很大, 其推断结果在施工中得到证实；余左清等[2] 应用高密度电法对戌街隧道进行了超前探测，结果表明该方法简单易行, 准确率高, 其结果与开挖后揭露的地质情况吻合较好；尹培林[3]应用tst方法，对桃园隧道进行了勘测，结果表明tst 技术采用空间观测系统有效地提高了速度分析精度和构造定位精度, 应用二维滤波技术有效地消除了面波和侧向回波, 保证了预报结果的真实可靠；高辉[4]等应用tsp技术对雁门关特长隧道进行了预报，得出该方法能够有效地防止工程事故的发生，加快工程进度，同时也能减少工程造价。
　　 针对目前的研究现状，还很少有综合tsp，高密度直流电法和超前钻孔法这几种方法对复杂地质条件下隧道掌子面前方岩体进行超前探测研究的。因此，本文将以广乐高速公路长基岭隧道为工程实例（该隧道所处的地层条件极其复杂，断裂带、岩溶、节理密集带、地下水等不良地质现象分布极其发育），通过综合应用tsp、高密度直流电法和超前钻孔法对掌子面前方岩体进行超前预报，探明了相应的不良地质现象的位置和规模，为施工前采取必要的安全防范措施提供了准确详实的科学依据。wWw.11665.COM此外，通过几种方法的综合，可以解决单一超前地质预报方法的缺陷，优缺点互补，得到更为准确的结果。
　　
　　1 tsp法的原理及测线布置
　　1.1 tsp法的原理
　　 tsp（tunnel seismic prediction）是瑞士amberg测量技术公司研制开发的一套隧道地震超前预报系统，采用地震方法对隧道地质情况进行探测，属多波多分量高分辨率地震反射波探测技术（图1）。与常规地震反射波探测技术不同之处，在于该系统是专门为长距离隧道施工地质超前探测而设计。该技术主要是在隧道的左边墙或右边墙上布置一定数量的炮孔，通过小药量激发产生地震波（弹性波），地震波在岩石中以球面波形式传播，地震波遇到岩石波阻抗差异界面（例如裂隙带、断层或岩层变化等），有一部分信号会发生反射，反射信号将被布置在隧道左右边墙上的2个高灵敏度的三分量加速度地震传感器（检波器）所接收并记录下来tsp系统利用地震波在不均匀地质构造中产生的反射波特性来准确预报隧道施工前方几百米范围内的地质条件和岩石特性变化。
　　
　　
　　
　　图1 tsp超前预报原理示意图
　　
　　1.2 tsp法的测线布置
　　测线布置如图2所示，在掌子面后方的边墙上依次布置爆破孔24个，孔间距1.5m，两个接收孔分别在布置在两侧边墙，均距离第一个爆破孔19m。
　　
　　
　　
　　图2 tsp探测系统布置示意图
　　
　　1.3 tsp法的数据处理
　　 采集的数据采用tspwin light2.1专用软件进行处理。处理时，首先正确输入隧道及炮点和接收点的几何参数。剔除质量差的记录道。基本处理流程包括11个主要步骤，即：数据设置→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波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。
　　
　　2 高密度直流电法的原理及测线布置
　　2.1 高密度直流电法的原理
　　 电法勘探是以研究地壳中各种岩石、矿石电学性质（导电性、介电性、导磁性、激电性）之间的差异为基础，利用电场或电磁场（天然或人工）空间和时间分布规律来解决地质构造的一类地球勘探方法。该方法属于全空间电法勘探，供电电极a相对无穷远电极b可以看作为点电源，均匀介质中它所形成的电场可近似看作一个球体，如图3所示。根据电场球壳原理，任意等半径球面上的电位是相等的，两个等位面上的点m、n之间形成电位差δumn，利用发射电流可计算出mn球环上的视电阻率。通过在巷道迎头后方布置电极，从而可探测出迎头前方的异常情况，其工作原理如图4所示。为了能够正确预报掌子面前方地质构造，采用三个供电电极交替供电分别测量的方式，利用几何交汇的原理（如图5所示），从而只探测掌子面前方的潜在危险部位，此即三级法超前探测。
　　2.2 高密度电法的测线布置
　　长基岭隧道进口左线供电点a1布置在距掌子面14m处，a2和a3电极布置在a1电极后，各供电电极间距为4m，电极布置如图5。测量电极mn向掌子面后方移动，每次移动间距为4m。mn间的距离为4m。通过移动测量电极mn，采集隧道周围岩石的视电阻率值，即可得到掌子面前方视电阻率[5]相关比值等值线图。
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　　1.3 tsp法的数据处理
　　 采集的数据采用tspwin light2.1专用软件进行处理。处理时，首先正确输入隧道及炮点和接收点的几何参数。剔除质量差的记录道。基本处理流程包括11个主要步骤，即：数据设置→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波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。