摘 要 概述了为避免在隧道施工中发生地质灾害，准确的超前地质预报是十分必要的；总结了超前地质预报的概况、趋势及存在的问题；介绍了超前地质预报的常用方法。目的是为超前地质预报技术的开拓创新抛砖引玉。
关键词 地质灾害；预报方法；流程；创新
中图分类号： F407 文献标识码：
1 引言
勘察设计阶段不可能完全掌握隧道施工段的地质情况，由于前方地质不明，施工中可能会发生涌水、断层、溶岩、淤泥带、塌方、突（涌）泥砂等地质灾害，为避免这些灾害的发生，准确的超前地质预报是至关重要的。
2 超前地质预报方法的概况
隧道超前地质预报是指对隧道开挖掌子面前方的地质情况及不良地质体的工程性质及位置、 产状进行探测、分析解释及预报[1]。国内外采用的主要预报方法按使用阶段划分：①勘测设计阶段的地面电测深法、地面浅层地震法、地面地质调查、验证钻孔等。②施工阶段的TSP法、地质雷达法、BEAM法、超前水平钻探法、以及TEM、USP、VSP、HSP、TRT法等。
目前预报方法以地震反射法为主， 主要采用地震位置偏移法对隧道掌子面的前方进行探测。
3 超前地质预报方法的发展趋势及存在的问题
超前地质预报方法的总体发展趋势：一方面要对现有的地球物理预报方法加以改进和完善，以满足当前超前地质预报的需要。另一方面还要考虑加大基础理论研究，探索新的超前预报方法，引进、开发新型仪器、设备，在大量的工程实践中积累经验，总结规律。
目前，国内外超前地质预报急需解决的问题：①对掌子面前方水体压力及围岩内部、板块间应力变化情况的测量与分析研究较少，不能保障水下隧道和围岩应力变化复杂的隧道的施工安全。②在盾构机和TBM上安装固定的装置进行超前地质预报是今后的发展方向，对地震法而言，机械开挖的振动较大、影响也大；对电磁类方法而言，干扰电流和机器本身金属类感应影响较大，现场不易排布和操作，这些都造成了探测上的困难。所以，在设备上安装地震波反射法设备可能更为有效，利用角度偏移的地震反射法应为首选。
4 常用的超前地质预报方法
以下介绍几种目前国内隧道施工中较常用的超前地质预报方法，技术较先进、成熟。
TSP203超前地质预报系统主要包括：数据采集器、专用笔记本电脑、接收器、触发器、倾角测量器。基于MS Windows 平台开发的TSPwin 软件可以记录压缩波（P 波）和剪切波（S 波）的全部波场，并能计算出预报区域内的岩石力学参数。TSP203超前地质预报系统的探测原理见图1。
探测原理：利用地震波在不均匀地质构造中产生的反射波特性来预报隧道施工前方的地质条件和岩石特性变化的一种方法[2]。纵波遇断层破碎带反射较强，若岩层富水横波反射也较强。断层破碎带内岩体纵横波速总体下降，但高低变化频繁。此法对溶洞的预测效果稍差。泥夹石充填型溶洞内纵横波速总体下降，高低变化频率随充填物内块石粒径变大而降低，随充填物内块石含量变大而升高。软弱夹泥充填型溶洞内岩体纵横波速下降，充填物内部波速变化较小。地下水充填型溶洞纵横波反射都较强，但横波明显较纵波强。无充填型溶洞是探测难度最大的不良地质体。预报地下水体的准确性不高，对地下水体的判断一般依靠VP/Vs的准确性，VP/Vs增加或泊松比突然增大，表明可能有流体的存在。对于岩体强度的判断，一般依据P波正负反射振幅，正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。
以深度偏移为主要依据，并结合反射层图、反射事件表、纵横波速和岩体物性参数分析的预报方法，该方法可以有效提高TSP对断层破碎带、溶洞和地下水的超前地质预报效果。
4.2 地质雷达法
地质雷达（GPR）法是一种利用电磁波在不同介质中产生透射、反射的特性来进行超前地质预报的方法[4]。对于探测破碎岩体，地质雷达效果好，由于岩石被节理裂隙切割，反射界面增多，反射波能量发生变化、频率降低，同相轴连续性变差，甚至错断，常表现为波形杂乱；对于溶洞，地质雷达探测效果较好，电磁波在含水溶洞周界发生反射，一般形成振幅较强的弧形反射波；当为干溶洞（空腔）时，地震波在空腔与周围岩体界面产生较强发射，强反射界面增多，波幅及相位变化较大，同相轴发生错断；当溶洞中充填碎块石时，则与破碎岩体相似。对于地下水，电磁波对水的反射界面较为敏感，但是由于对水的探测受到种种因素的干扰，效果不甚理想；对于围岩软硬情况，电磁波对均质的传播介质都具有同相轴连续的特征，因此对软岩硬岩不易区分。
地质雷达具有高分辨率、无损性、高效率、抗干扰能力强等优点，应用范围已涉及城市地下管网调查，挡墙、隧道衬砌和公路路面厚度以及各种脱空、空洞等工程质量隐患的探测。
4.3 BEAM法
BEAM法是由德国GEO-HYDRAULIK DATA公司开发的一种通过对岩层电阻率进行测试（激发极化法）来探知岩石质量、空洞和水体的物探方法。它通过聚焦频率域的激发极化法激发地质体的极化效应，可以获得百分频率效应（PFE）和电阻率2种参数。其中PFE是一种表征存储电能能力的参数，岩体孔隙率的大小直接与其相关，因此BEAM对岩体的节理裂隙发育、破碎程度有较好的敏感性；对于溶洞也呈现出同样的敏感性，表现为PFE值低，为-40～0，呈不规则振荡、非均质变化。BEAM对于水体也较为敏感，电阻率降低表明前方岩体充水几率增大。对软硬岩的区分，BEAM探测效果不太理想[5]。只能做近距离探测，探测次数越多精度越高。安装时间过长。
BEAM实时可视化软件可将地质解译结果在TBM的控制室或隧道外的计算机上显示。工程师可以在现场进行快速决策，提前优化安全计划和衬砌措施。
此外，还有红外线探水法、水平钻探法，都在国内应用较为普遍，可对其他方法的预报成果进行验证和补充；还有TEM、USP、VSP、HSP、TRT等方法，目前还处于摸索阶段，不再赘述
5 结语
⑴ 当今世界超前地质预报的新设备和方法不断出现，正日趋完善，但都存在共同的缺陷：对隧道前方地下涌水的预测不是很理想。BEAM法、红外线是目前超前探水较好的方法，但还应加强此方面的研发。
⑵ 明确各种方法的优缺点。应根据设计、规范要求、开挖、支护方式及人员、设备、地质等情况综合考虑，选用适宜的方法。
⑶ 提高预报的精度和效率仍是当务之急，应将各种方法有机结合，建立完善的综合预报流程。施工企业应间应进行广泛的术交流与合作以增强国际竞争力；科研单位要明确攻关的方向和目标，提高自主产权技术的研发能力，共同为隧道施工的质量和安全保驾护航。
