摘要：在建成兰铁路隧道地质构造条件复杂，赋存断层、破碎带、岩溶含水体等不良地质体，在施工扰动下极易诱发工程地质灾害，严重威胁工程安全施工及建设。为有效掌握隧道前方的地质情况，减少或杜绝施工期地质灾害，超前地质预报成为隧道安全施工中不可或缺的重要环节。本文结合成兰铁路隧道工程实际，对比分析TSP、探地雷达、红外探水三种超前地质预报方法在塌方段的应用，对类似隧道工程施工具有指导意义。
关键词：铁路隧道；超前地质预报；TSP；探地雷达；红外探水
0 引 言
我国是世界上地下空间开发规模、数量和难度最大的国家。随着国家“一带一路”战略规划，我国隧道及地下工程建设进入空前繁荣期。机遇与挑战并存，地下赋存大量重大地质灾害风险源，比如：断层、岩溶管道、充水溶洞等，极易诱发突涌水、塌方等地质灾害，严重影响施工进度及安全。本文以穿越5•12汶川强震区的成兰铁路工程为依托，综合分析TSP、探地雷达、红外探水3种超前地质预报手段，相关成果可为铁路隧道工程安全建设提供借鉴。
1 工程概况
成都至兰州铁路位于四川省和甘肃省境内，线路起于成都，经广汉、什邡、绵竹、茂县、松潘至九寨沟，向北连接兰渝铁路哈达铺站，全长约458km。区域地处青藏高原东部边缘高山峡谷区，伴随着印度板块与欧亚板块相互碰撞，地形地质条件呈现出典型的“四极三高”特征（即地形切割极为强烈、构造条件极为复杂活跃、岩性条件极为软弱破碎、汶川地震效应极为显著；高地壳应力、高地震烈度和高地质灾害风险）。
2 超前地质预报方法
2.1 TSP法
TSP（Tunnel Seismic Prediction ahead）法是一种快速、有效的反射地震技术，目的在于迅速探测掌子面前方三维空间的地质情况。在开挖掌子面的一侧边墙，按照规范规定的高度、间距、深度、角度，呈直线布设炮孔，将适量乳化炸药依次放入孔中，并触发人工震源产生地震波。当地震波遇到岩石物性界面（即波阻抗差异界面）时，部分地震信号反射，部分透射进入前方介质。通过布设的地震检波器，将地震信号接收并转变为电压脉冲信号。采用TSPwin软件，获取隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的时间剖面、深度偏移剖面、岩石的反射层位、物理力学参数及各反射层能量大小等数据，同时结合设计资料与现场实际，实现隧道掌子面前方反射层的二维和三维空间展布，准确探测溶洞、软弱岩层、断层、裂隙及富水情况等不良地质体。TSP有效探测距离可达到150m，具有长距离探测的优势，因此在日常施工中被广泛运用。
2.2 探地雷达法
探地雷达是基于不同介质的电性差异，利用高频电磁波，探测隐蔽介质分布和目标体的一种高新地球物理方法。参考电磁波在不同岩性中的波速，设置仪器参数，将雷达天线紧贴掌子面，并在被测介质表面移动，同时发射高频电磁波。当高频电磁波传至被检测体内两种不同介质的分界面时，由于两种介质的介电常数不同而使电磁波发生反射、折射，入射波、反射波和折射波的传播遵循反射定律和折射定律，反射波返回被检测体的表面，并由地质雷达的接收天线所接收，形成雷达图像。
雷达图像包含了被检测体的丰富信息，根据雷达图像特征对被检测体（如：不密实带、空洞、反射界面等）进行定性判释，并对被检测体的异常部位作定量解释。从而得到隧道掌子面前方的地质情况。通常，探地雷达的有效探测距离为30-40m，属于中距离超前地质预报。
2.3 红外探水法
由于岩层中的分子振动和晶体格振动，时刻都在向外辐射电磁波，并形成红外辐射场。红外探水技术就是利用红外线探测仪，探测围岩辐射的红外线强度，根据探测仪显示的辐射温度变化，从而推断掌子面前方是否存在隐伏水体。探测时，在掌子面后方约60米处，沿掌子面方向每隔5m对隧道断面探测一次，测点位于左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙和隧底中线，共探测12个断面，这样沿隧道轴线方向共形成6条探测曲线。在掌子面上水平方向自上而下布置4条测线，每条测线上布置6个测点。由于水的热导率比岩石低，并且具有明显的温差，当探测前方不存在隐伏含水构造时，数据曲线近似为一条直线。当探测前方一定范围内存在隐伏含水构造时，异常辐射场就要叠加在正常辐射场上，数据曲线上数据就会出现突变，据此，可判断出掌子面前方是否隐伏含水构造，进而及时采取安全措施，减少甚至避免安全事故的发生。
3 超前地质预报方法应用
不良地质体赋存情况的获悉，对于隧道安全施工来言必不可少，而综合的预报技术能够提高危险源的辨识。以成兰铁路11标段金瓶岩隧道D2K200+532～D2K200+560段塌方为例，对比多种预报手段在灾害预报中的应用。该段于出渣结束后（未立钢拱架），掌子面出现渗水并伴随部分塌方现象发生。TSP、探地雷达及红外探水对该段的超前地质预报资料如表1所示。
结合隧道掌子面素描与设计资料，给出施工建议为：短进尺、多循环并加强支护的施工方案，采用超前小导管对掌子面围岩进行注浆加固措施，并做好防排水措施。同时，加强围岩体位移监控量测频率，及时对灾害预警。
4 结论
（1）由于探地雷达中距离和TSP长距离探测的优势，二者在隧道工程超前地质预报中广泛应用。
（2）红外探水法对于含水体的预报精度相对较高，特别是对于渗水量较大的区段，应采取红外探水为主，TSP或探地雷达为辅方法，以最大程度的避免或减少突水灾害带来的损失。
（3）作为隧道超前地质预报的TSP、探地雷达和红外探水技术，应结合工程实际对数据释译。运用综合预报方法确定风险源，以最大程度的预判灾害类型并规避灾害风险。尤其当设计资料与超前地质预报结果存在差异时，应采取保守方案，按照最高安全系数工况进行施工。
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论文作者:邱天龙
论文发表刊物:《基层建设》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/10
标签：地质论文; 隧道论文; 超前论文; 电磁波论文; 铁路论文; 介质论文; 反射论文; 《基层建设》2017年第15期论文;