隧道超前探测方法与应用

**章绪论 20世纪70年代，人们开始注重隧道施工过程中超前地质探测理论、技术研究及工程实践工作。超前导洞、超前钻探方法*先被用来勘探掌子面前方的地质情况，由于其经济和时间成本都很高，人们逐步研发了无损地球物理超前探测技术（包括地震发射类、电磁类、直流电法类等），并大量应用于工程实践。下面简要回顾隧道超前地质预报技术的发展历程。 1.1　国内外现状 1.1.1　国外研究现状 苏联是*早开始研究地下空间不良地质体探测技术的国家，早在20世纪50年代苏联就开始了直流电法探测方面的研究，研究人员通过使用直流电法进行矿井水文地质调查、煤矿巷道变形观测，以及煤层顶板的稳定性评价等，主要探测矿井的煤层和小构造[1]；国外研究人员依据地震波传播理论，通过在巷道边墙布置一定数量的地震波震源和检波器，并分析接收的地震波特征来判断巷道前方不良地质体的空间分布位置，*早称之为隧道垂直地震剖面（tunnel vertical seismic profiling，TVSP）法，经过不断发展、完善，现在又称之为负视速度法，该方法主要在欧美国家有较好的发展和应用[2]。20世纪70年代，世界多国在隧道内使用超前平行导坑、洞内超前导坑和超前水平钻等探测巷道不良地质体。1972年在美国芝加哥掀起了隧道超前地质预报方法研究与应用的序幕和热潮，20世纪70年代末，德国和英国的工程师利用槽波法探测巷道前方的地质构造[3]，匈牙利对采用直流电法技术探测的高阻煤层中的小构造进行了专项研究，日本使用电阻率成像技术对地面与煤矿巷道间的金属矿床和断裂构造情况进行了研究[4]，至此，世界范围内都开展了隧道超前地质预报技术探测不良地质体的科研工作。德国、日本、澳大利亚、法国等国家都设立了专门的科研课题[5]，隧道超前地质预报技术在世界各地蓬勃发展。90年代初，在莫斯科专门开展了井下矢量电阻率方法的研究，以判断地下电异常体的位置，隧道超前地质预报技术又发展了新方法[6]。 瑞士AMBERG公司于20世纪90年代研制了隧道地震预报（tunnel seismic prediction，TSP）法系统，该系统基于地震反射波的基本原理，可以探测隧道掌子面前方较长距离范围内的断层破碎带、溶洞等不良地质体的发育情况，并能对岩体的物理力学性质进行估算，预报长度达到150m以上，首次实际应用在隧道掘进机（tunnel boring machine，TBM）掘进的瑞士特长铁路隧道——费尔艾那隧道中，为确保隧道掘进安全、快速施工起到了重要作用。随后，该技术在世界多地的地下工程施工中广泛应用，并有很多成功预报案例。近年来，TSP法已在公路、铁路隧道、输水隧洞、煤矿巷道等工程广泛运用[7]。TSP法产品经历了TSP202、TSP203，到目前*新版本为TSP303，该方法在硬件和软件方面都有所提升。后来，Nishimastu在此基础上，开发了C.TSP，该系统将隧道开挖时的掌子面爆破作为震源，通过分析接收的地震波来预报掌子面前方的地质情况[8]。 美国于21世纪初开发了真正的反射层析成像（true reflection tomography，TRT）法，它在隧道侧墙和掌子面上布置多个激发点和接收点，可以更好地获得空间地质体的反射信息，数据处理环节采用地震偏移成像技术，提高了不良地质体的定位精确度。TRT法在欧洲、亚洲已被应用，如Blisadona隧道、奥地利的穿阿尔卑斯山铁路隧道等都使用TRT法进行了隧道超前地质预报，并获得了较好的效果[9]。2005年开发者又研发了TRT6000，但是该技术仍有需要完善、改进之处。Kneib等[10]在2000年提出了地震软土探测（sonic soft-ground probing，SSP）系统，其观测系统的震源和检波器均布置在刀盘上，工作时刀盘的实时位置可通过盾构导向系统得到。德国研发了地震超前探测方法及设备——综合地震图像系统（integrated seismic imaging system，ISIS），其有2个震源和4个三分量接收器，震源距离刀头大约30m，接收器位于刀头后方隧道边墙2～15m范围。目前的各种地震超前地质预报方法在观测方式、仪器设备、数据处理等方面都各有优缺点。Petronio等[11]将石油测井中的随钻地震方法借鉴到掘进机的超前地质预报中，即隧道随钻地震（tunnel seismic while drilling，TSWD）技术，该技术将破岩振动作为震源进行地质探测。TSWD技术的*大特点在于将TBM工作时刀盘的破岩振动作为震源，在TBM刀盘安装先导传感器来记录刀盘的振动情况，反射回来的地震信号被安置在刀盘后方一定范围内的接收传感器所接收。由于破岩震源是非常规震源，所得到的地震记录无法用传统地震勘探的方法进行数据处理和解释，故首先需要对地震记录进行前处理，将先导传感器和接收传感器记录的信号进行互相关处理，把破岩振动信号压缩成等效脉冲信号，然后按照常规震源地震记录的处理方法进行处理。 从1998年开始，德国GEOHYDRAULIK DATA公司研发了隧道掘进电气超前监测（bore tunnelling electrical ahead monitoring，BEAM）技术，该技术在2004年获得了德国国家专利。BEAM技术是一种频率域激发极化法，它的特点是通过在外围发射屏蔽电流，在内部发射测量电流，得到与岩体中孔隙（空隙）相关的电能储存能力的参数百分比频率效应（percentage frequency effect，PFE）的变化情况，绘制电阻率曲线来推断岩体的含水情况及其特征，以此预报掌子面前方岩体的地质情况[12]。2000年，BEAM技术首次运用在TBM掘进的隧道，对岩溶进行探测，初见成效。目前，在国内其也有数个成功应用的案例[13-14]。 另外，*早应用于地面探测的地质雷达法和瞬变电磁法，应用于隧道超前地质预报中，国外也较早就有了案例。20世纪初，地质雷达法开始出现，1904年，Hülsmeyer首次利用电磁波反射法探测了地面金属体，地质雷达的基本概念由此被提出[15]。随着20世纪70年代电子信息技术的蓬勃发展，美国阿波罗月球表面探测试验如火如荼进行之时，地质雷达法得到快速发展[16]。随着20世纪末隧道工程建设的大范围开展，地质雷达法在隧道病害探测方面也取得了较显著的效果[17]，与此同时，地质雷达法的软、硬件技术也在不断进步和完善[18]。 早在1933年，科学家L.W.Blan采用脉冲电流激发形成了时间域电磁场。到了20世纪50～60年代，苏联学者对瞬变电磁法进行了一维正、反演，并建立了野外瞬变电磁法的数据采集方法和解译理论，瞬变电磁法由此逐步被应用在实际生产中。在20世纪60年代以后，“短偏移”“晚期”“近区”等方法开始相继出现[19]。美国、苏联、澳大利亚、加拿大等国家的地球物理学家都对瞬变电磁法开展了深入研究，进行了大量试验和研究工作[20-21]。以Weidelt[22]、West等[23]、Spies[24]等为代表的西方各国科学家进行了很多瞬变电磁法二、三维正演模拟研究工作，在瞬变电磁理论研究方面，取得了丰硕的科研成果[25]。 1.1.2　国内研究现状 在我国，20世纪50年代，川黔铁路凉风垭隧道施工时，铁道第二勘察设计院地质工程师陈成宗等[26]利用地质素描法，结合已开挖洞段的地质情况，来预报掌子面前方的地质情况；1958年，我国首次进行了井下电法探测试验；70年代，谷德振教授等结合已开挖煤矿巷道和掌子面的地质情况来推断掌子面前方潜在的不良地质体，并推测掌子面前方出现塌方等地质灾害的可能性，标志着我国正式开始了隧道超前地质预报的研究工作[27]。 在20世纪70年代初期，煤炭科学研究总院重庆分院高克德教授带队成立的地质雷达研究小组，通过引进和吸取国外先进地质雷达技术，研发了适用于煤矿开挖的地质雷达产品（KDL系列防爆矿井地质雷达仪）。此后，北京遥感设备研究所、中国电子科技集团公司、北京理工大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、北京邮电大学、西安交通大学、电子科技大学、清华大学等高校和科研院所引进了国外地质雷达技术，进行研发和试验，取得了一定的理论和实践成果。 与此同时，原中南工业大学、原长春地质学院、原西安地质学院、中国有色金属工业总公司矿产地质研究院等科研院所和高校也先后进行了瞬变电磁系统的理论和方法技术研究，获得了大量重要的研究成果和成果运用案例，发表和出版了多本瞬变电磁基础理论书籍，如《电磁测深法原理》（朴化荣编著）、《瞬变电磁测深法原理》（方文藻著）、《脉冲瞬变电磁法及应用》（牛之链编著）等。在扎实的理论研究基础上，相继研发了EMRS.2型瞬变电磁仪（西安强源物探研究所研制）、TEMS.S3型瞬变电磁仪（北京矿产地质研究院研制）、TEM.1型瞬变电磁仪（重庆地质仪器厂和吉林大学合作研发）、SD.1型智能化瞬变电磁仪等仪器[28-30]。瞬变电磁法在国内的蓬勃发展，为其在隧道超前地质预报中的应用打下了较好的基础，瞬变电磁法的图像解译技术也取得了较好的发展[31-32]。 我国于1987年引进了基于地震波反射法原理的槽波地震勘探技术，对该技术进行了大量的试验和应用研究，结合层析成像技术，较大地提高了探测精度和效率，能很好地在矿井下探测煤层等不良地质体。1988年，为了适应煤炭生产需求，煤炭科学研究总院西安分院引入了VIC公司生产的瑞利波探测仪，在1991年研制了可以适用于井下探测的瞬态震源MRD.1型瑞利波探测仪，该探测仪在煤矿巷道侧壁、顶底板及掘进面前方探测断层破碎带、富水区、煤层及煤层厚度等，取得了较好的效果，提供了一种有效的超前地质预报技术[33-34]。1992年，中国铁道科学研究院研究员钟世航和邱道宏等在隧道掌子面布置测线，采用锤击方式激发弹性波，弹性波在传播过程中在不良地质界面形成反射，在激震点设置检波器接收反射波，通过分析接收的反射波的波形等特征，来预报掌子面前方不良地质体的发育情况，该方法的全称为陆上极小偏移距高频弹性波反射连续剖面法，简称为陆地声纳法[35-36]。1994年，铁道部**勘测设计院曾昭璜[37]等开始研究隧道地震波反射法超前地质预报技术，该技术又称为负视速度法。不久后，何振起等[38]也提出了一种垂直剖面法，该方法提出了一种测试面和被探测面互为垂直的观测系统，它的震源孔和接收孔分列于掌子面两侧侧壁。1995年，HSP-1型超前地质预报探测仪通过了铁道部成果鉴定并建议推广使用，它由铁道部科学研究院西南分院研发，是在铁道部科技司批准的“隧道开挖工作面前方不良地质预报”科研课题的基础上独立自主开发的仪器，它的原理也建立在弹性波理论基础之上。目前，该系统已升级为HSP206D型超前地质预报仪，在贵州省崇遵高速公路凉风垭隧道、渝怀铁路武隆隧道等众多隧道均有成功应用[27，39]。1999年肖柏勋提出了“相控阵探地雷达”的思想[40]，在2000年5月开始了研究工作，2001年，“相控阵探地雷达”技术简易接收机和大功率发射系统成功地被研制出来。同时，“相控阵探地雷达”技术在国家自然科学基金重大项目中作为一个专题立项，在开展其理论研究工作的同时，“相控阵探地雷达”技术的仪器研制和软件开发也在国家高技术研究发展计划信息领域作为一个课题立项。其基本思想是：参照军事领域的相控阵雷达技术，采用多道采集技术，接收反射信号，经过进一步数据处理，对目标进行自动识别和提取，给出探测目标体的准三维空间结构和物性参数图[41]。 21世纪初，北京市水电物探研究所厚积薄发，对地震波勘探技术进行了20多年的研究，于2003年研制了隧道地质波预报（tunnel geologic prediction，TGP）法，该方法通过使用多波多分量数据采集技术和三维空间条件下的地震波处理技术，可以对地质界面进行空间定位和产状分析，该方法通过了2005年隧