預報的方法技術
隧道地質超前預報技術分類方法繁多。如按預報的作用劃分，可分為常規預報、成災預報、專門預報。按距掌子面的距離劃分，可分為短距離預報(0～15m)、中距離預報(15～50m)和長距離預報(50m以上)。按采用的手段劃分，可分為經驗預報、儀器預報和綜合預報。按精度劃分，可分為定量預報和定性預報。根據所采用的工作方法來進行分類，有鉆探方法、地質方法和地球物理方法(圖13.1)。
13.1.2.1鉆探方法
鉆探方法是超前地質預報最直接的壹種方法，通過鉆探對掌子面前方獲取的地層巖性進行鑒別，確定其埋藏距離與厚度(或寬度)、溶洞及充填的性質，能查明鉆探深度內的地下水的賦存條件。可進行水量、水壓的測定，當有煤系與地層時，可確定煤層厚度和進行瓦斯含量測定，對超前地質預報成果進行驗證，同時利用所取巖心進行室內試驗，測試巖石的物理力學性質。因此在地質構造復雜地段，經地質、地球物理綜合手段超前地質預報確認的重點地段，應施以水平鉆探法確認。
圖13.1隧道地質超前預報分類方法
目前水平鉆探法，按長度分為短距離(30m以內)鉆探和長距離(大於50m)鉆探。按取心與否分為取心和不取心水平鉆探。不取心鉆探依據鉆進過程中鉆速、鉆壓、扭矩、水量、巖碎粉的變化，結合地質情況，判斷分析鉆進前方巖體的性質，但不如取心法直接。
在鉆進過程中還可采用鉆孔聲波、水壓力井孔電法等技術，預報湧水量及水壓力。3～5m以內的鉆孔可放水降壓，排放瓦斯，也歸於水平鉆探法的類型中。水平鉆探法，準確率很高，在超前地質預報中占有極其重要的位置。特別是在巖溶發育地段，對地質物探預報成果作驗證，效果很好。
13.1.2.2 地質方法
(1)地面地質投影法
該方法首先要對計劃施工的隧道範圍內進行詳細的地質調繪，確定各巖組的地層層序、厚度、標誌層位置，結合沈積韻律，建立標準地層剖面。然後對地質構造進行追蹤調查，在不同位置實測構造面產狀，獲取構造的性質、規模及範圍。最後，在圖上對構造位置定位，利用地質作圖法，把構造投影到洞身位置。在作圖過程中根據構造面的變化規律要不斷進行修正。具體作法如下:根據構造線產狀將其放到洞頂，將真傾角換算成視傾角，通過計算，獲得構造線在隧道某壹位置的具體裏程、範圍及延伸方向。
(2)斷層參數預測法
斷層是地質體在強烈應力作用下的結果，其附近必然會出現各種形跡，斷層參數預測法是根據斷層影響帶內的特殊節理與其集中帶有規律分布的特點，經過大量斷層影響帶的系統編錄得出經驗公式，預報隧洞斷層破碎的位置和規模。由於大多數不良地質(溶洞、暗河、巖溶陷落柱、淤泥帶等)與斷層破碎帶有密切的關系，按地質學原理，依據斷層破碎帶推斷其他不良地質體的位置和規模。
(3)掌子面編錄預測法
掌子面編錄預測法主要是通過對已開挖掌子面的地質狀況開展現場調查，並對掌子面地層巖性、節理發育情況、受構造影響的程度、圍巖穩定狀態等進行詳細編錄。確認掌子面出露的地質體的巖性、層位、性質(特別是不良地質體)和產狀，並根據地質體的上述特征，沿其走向、傾向和傾角推斷該地質體在掌子面前方延伸的情況，進行掌子面的工程地質評價，做出掌子面斷面圖。根據隧道巖層的傾角，結合標準地層剖面確定巖層層位，采用公式計算，預測預報某壹軟弱巖層在洞身的位置，並根據其穩定性提出施工措施建議，進而達到短期預報的目的。該方法對於延伸規則的地質體預測精度較高，對於諸如巖溶陷落柱等的不規則不良地質體，只能依據點的位置和大約輪廓以及長距離預報的成果，作近似推測。
(4)水文地質條件預測法
水文地質條件預測法是利用洞內單掌子面湧水量動態變化的長期觀測記錄，掌握地下水初期湧水量、衰減湧水量和穩定湧水量的變化規律，綜合分析地層、斷層、線性構造等特點，結合基巖裂隙水的運移特點，針對巖層組合的含水性、節理裂隙的張開程度及充填情況，查明地下水的補給、徑流、排泄途徑及影響範圍，對未開挖段進行水文預報工作。
13.1.2.3地球物理方法
(1)隧道地震超前預報系統(TSP)
TSP法(TunnelSeismicPredication)采用了回聲測量原理，在工作面後方沿巷道布置多個淺鉆孔作為炮點激發地震波(通常在隧道的左邊墻或右邊墻，大約24個炮點布成壹條直線)，炮孔和接收孔布置在離地面1.5m左右高的同壹條測線上，炮孔深度1.5m，接收孔設在距掌子面的遠端，深度2.0m，各孔均向下傾斜10°～15°，孔徑40～42mm，利用錨固劑分別將炸藥和檢波器與巖石固結耦合，用小量炸藥激發產生，炸藥用量50～100g，由電雷管引爆。產生的地震波在巖石中以球面波的形式向前傳播，當地震波遇到巖石物性接口(即波阻抗接口，例如斷層、巖石破碎帶、巖性突變等)時，壹部分地震信號反射回來，壹部分地震信號透射進入前方介質，反射的地震信號被兩個三分量(X，Y，Z方向)加速度地震檢波器(壹般左邊墻和右邊墻各壹個)靈敏度1000mV/g±5%，頻率範圍0.5～5000Hz接收。通過對接收信號的運動學和動力學特征進行分析，便可推斷斷層、巖石破碎等不良地質體的位置、規模、產狀及巖石力學參數。其工作原理如圖13.2所示。
圖13.2TSP工作原理示意圖
(2)反射負視速度法
負視速度法與TSP的不同之處是:TSP法為多點激發、壹點接收;負視速度法則是壹點激發、多點接收。當隧道掌子面前方存在異常時，圍巖與異常體的彈性波波速有差異，入射波到達圍巖與異常體界面時會產生反射、折射與繞射現象。在震源與掌子面之間布置縱向觀測系統，因為入射波與反射波在測線上傳播方向相反，如將入射波在測線方向上的速度定義為正視速度，則回波相對震源而言便具有負視速度特征。因而可以利用負視速度同相軸作為識別前方回波的標誌和依據，根據回波時距曲線可以求出反射界面的位置，其工作原理如圖13.3所示。利用三維極坐標系統，求出反射界面的產狀和空間位置，根據地面地震資料反演聲波阻抗曲線類似的VSP反演方法，求出反射界面的阻抗，結合施工地質資料，預測巖石類型、裂隙度等其他巖性參數。
圖13.3反射負視速度法工作原理示意圖
(3)水平聲波反射法(HSP)
HSP(Horizontal Seismic Profiling)聲波測試和地震波探測原理基本相同，都是建立在彈性波理論的基礎上，傳播過程遵循惠更斯－菲涅爾原理和費馬原理。本方法探測的物理前提是巖體間或不同地質體間明顯的聲學特性差異。測試時，隧道施工掌子面或邊墻壹點發射低頻聲波信號，在另壹點接收反射波信號。采用時域、頻域分析探測反射波信號，根據隧道施工掌子面地質調查、地面地質調查及利用隧道超前施工段地質情況，推測另壹平行隧道施工掌子面前方地質條件，便可了解前方巖體的變化情況，探測掌子面前方可能存在的巖性分界、斷層、巖體破碎帶、軟弱夾層以及巖溶等不良地質體的規模、性質及延伸情況等。
現場測試方法采用通道觸發壹發壹收的方式進行。信號采集和數據儲存都通過便攜式計算機控制。每壹測區都重復進行10次測試。掌子面測試時，接收換能器距觸發換能器20～300cm，實際測試距離應根據掌子面現場條件具體確定。工作布置圖如圖13.4所示。
由於在掌子面進行數據采集，因此信號往往受噪聲及面波信號幹擾，為實現“高分辨率，高信噪比，高精度”的目的，HSP分析處理系統開發出了相應的多種軟件模塊，其中著重進行了提高聲波記錄信噪比的處理，包括譜白噪反褶積處理、f－k濾波、τ－P濾波、疊加偏移校正、相關分析及全波綜合處理等技術，並對巖體的黏彈性和各向異性進行了有效的校正。
圖13.4水平聲波反射法掌子面測試布置示意圖
(4)隧道地質層析成像法(TRT)
TRT(True Reflection Tomography)技術的突出特點是在觀測方式上實現了三維空間觀測。資料處理方法上采用地震層析成像技術。檢波器和激振點布置在隧道兩側和掌子面上，最大限度地擴展橫向展布，以充分獲得空間波場信息，提高波速分析和目標地質體的定位精度。
當地震波遇到聲學阻抗差異(密度和波速的乘積)界面時，壹部分信號被反射回來，壹部分信號透射進入前方介質。聲學阻抗的變化通常發生在地質巖層界面或巖體內不連續界面。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，通過分析被用來了解隧道工作面前方地質體的性質(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)、位置及規模。
TRT超前預報在隧道中采用三維空間布置傳感器，壹點激發，多點接收。儀器震源位於掌子面附近，傳感器位於掌子面後方15～20m處，空間分布於隧道的邊墻、拱頂位置，立體接收反射回來的地震信號。然後多次重復該過程，在不同的位置激發地震波，得到多組地震波傳播數據，運用專業運算程序對其進行數據處理，得到三維空間分布的反射能量圖像。TRT工作原理如圖13.5所示。
(5)隧道地震CT成像法(TST)
TST(Tunnel Seismic Tomography)是隧道地震CT成像技術的簡稱，在反射地震CT成像技術的基礎上結合隧道的觀測條件研發成功的。采用地震偏移成像方法，運用地震波的運動學和動力學雙重信息，通過2D或3D空間觀測系統，可靠地確定掌子面前方的圍巖波速和地質結構。軟件在處理反射波走時和幅值雙重信息的基礎上，通過波速掃描、構造方向位掃描、偏移成像、走時反演成像等功能，同時確定圍巖波速結構、地質結構與構造成像。提高了地質界面的地位精度，提高了預報的可靠性和準確性。
圖13.5TRT采集裝置示意圖
TST技術其基本原理是逆散射成像。目前在地震勘探與雷達檢測解釋中，多采用反射理論。但反射理論的適用條件是反射面尺度D遠大於波長λ。在工程勘察中，目標體的尺度多為米級，對地震波很難滿足反射條件，應該使用散射理論。散射理論適用的範圍更廣泛，反射只是散射中的壹種特殊情況，就是散射體足夠大時的壹種逆向散射。散射與反射理論的適用條件主要決定使用的波長與目標體尺度的關系，可以簡單的表述為目標體遠大於波長時適用反射理論，目標體與波長相近時使用米散射理論，目標體遠小於波長時使用瑞利散射理論。
根據波速分析和二維視速度濾波的要求設計，TST隧道超前預報技術的觀測方式為壹個長40～60m，寬10～20m的空間布置觀測系統。根據圍巖波速分析的要求，觀測布置應盡量擴大橫向展布，檢波器和炮點沿隧道兩側壁布置，兩側壁檢波器間的橫向距離應盡量大，至少大於預報長度的十分之壹。實際超前預報中預報長度多為100～200m，據此兩側檢波器間的橫向距離應在10～20m的範圍。根據二維視速度濾波的要求，為保證有效地識別不同方向的回波，濾除側面回波和面波，觀測系統沿隧道側壁布置的縱向排列的長度要大於2～3個波長，檢波器的間距應小於1/4波長。實際的超前預報中使用的地震主頻在100～300Hz之間，波速在2.0～5.0km/s之間，地震波長為20～40m。據此檢波器間距應設計為4～6m，沿隧道側壁布置的排列長度設計為40～60m，TST系統硬件主要由信號采集處理系統、信號接收及聯結系統和爆炸裝置等部分組成，其激發和接收布置如圖13.6和13.7所示。測量系統主要進行以下工作:①發射孔和接收孔采用60mm直徑鉆頭成孔;②檢波器12個對稱布置在兩側壁內，每側6個，間距4.0m，埋深1.8～2.0m，用泥團固定檢波器和封孔;③爆炸震源4～6個對稱布置在兩側壁內，每側3個，間距24.0m，埋深1.8～2.0m;炸藥量250～500g，單發毫秒雷管采用起爆器控制起爆。
圖13.6TST掌子面附近觀測布置
圖13.7TST觀測系統布置示意圖
TST超前預報技術的資料處理主要經過幾個環節，首先是對接收點和激發點的坐標進行輸入和編輯;接下來是采用F－K二維方向濾波技術濾除側向和後向回波及面波，提取前方回波;第三是使用不同橫向偏移距的前方回波進行速度掃描，依據疊加能量最大化判定原理確定各段圍巖的最優波速分布;最後，使用前方回波記錄和速度分布進行地質構造的偏移成像。TST提供的預報結果包括構造偏移圖像和圍巖波速分布圖像兩部分，它們相互印證，便於分析構造和圍巖類別劃分及綜合地質解釋。據此，再結合地質資料進行解釋和預報。
(6)陸地聲吶法
陸地聲吶法是“陸上極小偏移距超寬帶彈性波超短余震接收系統單點連續剖面法”的簡稱。該方法具有分辨率高、反射能量大、抗幹擾能力強、現場施工簡單方便等特點，能滿足地下小構造及狹窄工作環境的高分辨率探測精度的需要。
由於震源的強沖擊而使震源附近的介質出現破碎或塑性變形，在彈性介質中建立起來的斯托克斯波動方程將不適用於近震源區域，因為震源上的初始條件和邊界條件無法明確給出，理論上壹直未搞清楚震源附近的波場特點。但在擾動震源點上，必然存在有限振幅的波。
在原理上應進行單道自激自收的數據采集，然後直接拼接成T0時間剖面，在此時間剖面基礎上進行處理和地質解釋。但在實際工作中，由於震源的影響很難做到自激自收采集，因此只能近似地做極小偏移距單道采集，可利用數據處理系統進行數據處理，以提高剖面的信噪比。為了便於解釋，當剖面構造復雜時，可進行偏移歸位處理等。由於地震波主頻得到了較大的提高，以及剖面上可見到的子波短余震特點，使采用此方法所獲得的剖面的精細程度大大超過了常規地震勘探剖面，特別是在極淺層時更為明顯。
為了能夠更準確地判斷不良地質體的位置，壹般根據隧道斷面的大小，布設水平、鉛垂相交的多條測線。儀器連接壹般為觸發電纜壹端連接主機，壹端接擊發桿及擊發鐵錘。接收電纜壹端連接主機，另壹端接檢波器。采用壹點激發，兩點同時接收。在所布置的測線測點上，壹人用擊發鐵錘敲擊擊發桿，兩人各手持壹檢波器用黃油耦合於擊發點兩側的測點上，沿測線各點擊發進行數據采集。測點位置應盡量選擇在完整的巖面上且能夠讓檢波器對準工作面的正前方，以便能夠更好地接收到前方反射回來的彈性波。其預報示意圖如圖13.8所示。
圖13.8陸地聲吶法地質預報示意圖
陸地聲吶法的數據處理過程包括，數據編輯等預處理及頻帶白化濾波、聲波濾波、F－K域二維濾波、反褶積、反演解釋等過程。其中數據預處理工作尤為重要，預處理主要有三方面內容，分別是數據解釋、數據編輯和數據信號分析。
在解釋的過程中，必須密切結合隧道的地質情況及現場數據采集時的相關信息，排除幹擾因素，利用地質概念及物探知識解釋時間剖面中出現異常的地方。通過波速與時間的關系計算出不良地質體的位置，並推斷出不良地質體的形態及規模等。
(7)瑞利波探測法
瑞利波亦稱滾動波、地滾波，是地震中面波的壹種，壹般認為是不均勻縱、橫波耦合而成。瑞利波探測技術近年來廣泛應用於工程地質勘探、工程質量無破損檢測、地基加固處理效果評價等工程領域。在隧道工程中的應用主要有:壹是對斷層、斷裂帶及溶洞等地質構造的定性研究;二是通過對瑞利波層速度計算方法的研究，為圍巖級別的判定提供高效的原位測試技術。
瑞利波探測方法分為穩態和瞬態，穩態瑞利波是每次激發壹種頻率，在壹個測點通過多次激發和接收完成不同深度的探測;瞬態瑞利波采用瞬態沖擊震源，壹次激發和接收，可以獲得寬頻帶的瑞利波振動信號，這相當於穩態成百上千次激發的信息，如圖13.9所示。儀器記錄同壹瑞利波列在傳播方向上的不同位置的兩個時間域的信號，經離散傅裏葉變換(DFT)轉換為壹系列不同頻率的正弦分量。由此可以得到信號的頻譜分布、相應頻率的相關程度和相移大小，進而可以計算出相鄰不同頻率成分電法的滯後時間和平均速度;繪制vR－λR關系曲線，同壹波長的瑞利波的傳播特性反映了地質條件在水平方向的變化情況，不同波長的瑞利波傳播特性則反映了不同深度的地質情況。如果探測的對象是非均勻介質，不同頻率的振動按不同的速度傳播，壹定的頻率對應壹定的波長，即壹定的地層深度。通過對頻散曲線進行反演，即可得到某壹深度範圍內的地質構造情況和不同深度的瑞利波傳播速度vR值;vR值的大小與介質的物理力學特性有關，據此可對探測對象(圍巖)的物理力學性質做出評價。
圖13.9瑞利波探測原理示意圖
(8)探地雷達法(GPR)
常用的探地雷達儀器通常有三種數據采集模式:測量輪控制測量(SurveyWheel)、連續測量(FreeRun)、點測(Point)。主要工作技術參數為加強型屏蔽天線中心頻率為100MHz，每次掃描的采樣點數為512;每秒鐘的掃描數為100;相對介電常數依巖石而定。在進行探測時，沿隧道掌子面布置水平和豎向兩條測線(圖13.10)，水平測線距壹級臺階底面約1.5m，豎向測線在掌子面中心位置。測試時由兩位工作人員手持天線緊貼掌子面由探測起點勻速移動到探測終點。
數據處理是反射波時間剖面圖解譯的前期準備。現場采集的原始信號除包含有效信號外，還混有背景噪聲、雜波幹擾及多次波幹擾等。數據處理的目的就是消除或抑制幹擾，以最大可能的分辨率在雷達圖像上顯示有效信號(包括反射波的振幅、波形、頻率等)，為進行合理準確的地質解譯工作提供確實可靠的基礎資料。數據處理過程中參數的選擇直接關系到處理結果的質量和預報的準確性。
圖13.10探地雷達測線布置示意圖
圖13.11TEM掌子面探測測線布置示意圖
(9)瞬變電磁法(TEM)
根據隧道工作特點及工作要求，壹般采用小回線(發射線圈壹般采用3m×3m)大電流發射、中心探頭接收方式的裝置類型(圖13.11)。這種裝置發、收同點，在近場觀測，不僅避免了記錄點問題，而且減小了體積效應，受地形影響小，不受靜態效應的影響，從而提高了瞬變電磁法的探測精度和分辨率。
由於瞬變電磁法測量渦流產生的二次場，因此，該法對低阻體的探測能力優於高阻體。在復雜地質條件下，僅僅利用異常幅值來分辨其性質往往是不夠的，有時甚至是錯誤的。必須註意它的時間特征，進行必要的參數轉換、整理、處理及分析。把野外采集的數據解釋為地質成果，要經過壹系列復雜的處理、計算、分析與解釋。野外采集的數據含有發射線圈、發射電流、接收線圈、增益、疊加次數等因素的影響，必須進行歸壹化。儀器在硬件上雖然已經考慮了50Hz幹擾及隨機幹擾的壓制問題，還必須通過軟件進壹步去噪，再做各種計算和反演，根據反演結果進行定量解釋。
(10)紅外探水法
地球上部巖體的溫度主要受地球地熱場的影響。在壹定深度上，地熱場的平均變化為每千米深度增加30℃，而在水平方向，地熱場的平均變化遠遠小於該量。因此，隧道開挖深度的巖體，可視為位於壹個均勻溫度場中，即為壹常溫場，溫度變化為零(正常場)。當開挖掌子面前方存在含水地層(溶洞、裂隙水等)，且該含水層與巖體存在溫差時，巖體中將產生熱傳導和對流作用，溫度場不再為恒溫場，而將產生溫度異常場，在壹定的距離和觀測精度條件下，掌子面上存在著溫度差異，利用紅外輻射測溫方法測定這種溫度變化差異，可為含水層的超前預報提供依據。這就是紅外輻射測溫超前預報含水層的物性基礎。因此，研究巖體中含水層溫差引起的溫度異常場的分布規律，對該方法的探測能力、資料解釋都是極其重要的。