前言：当前我国正在进行大规模的水利水电、铁路和公路工程建设，需要修建大量的隧洞和洞室，而投入合理的超前预报技术将在减少和消除地下工程的灾害发挥巨大作用。物探方法是超前地质预报中不可缺少的手段，综合其他方法为更加准确的预报提供服务。

关键词：超前地质预报，物探方法，TSP

中图分类号：P62文献标识码： A

物探方法是隧道超前地质预报方法中的一种，通过仪器设备对隧道开挖工作面前方的工程地质、水文地质条件及不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等进行探测，结合水平钻探等方法综合分析判释及预报，并提出措施建议。

1.常用超前预报物探方法

隧道超前地质预报物理勘探法：包括弹性波反射法（地震波和声波法）、电滋波反射法、红外探测、电法、放射性监测等。用爆破、激振装置等手段产生弹性波或用仪器发射电磁波，对不同界面反射回的波形进行分析，预测、预报隧道前方的工程地质、水文地质情况，其占用隧道循环时间较少，常用的物理勘探方法有弹性波法、地质雷达技术、红外探测法、BEAM法等，其中弹性波法包括TSP、地震负视速度法、TST、水平声波剖面法(HSP)、TRT、陆地声纳法及面波法。

2.主要物探方法

1）地震波反射法

①方法原理

地震波反射法利用人工激发的地震波在不均匀地质体中所产生的反射波特性来预报隧道开挖工作面前方地质情况，属多波多分量探测技术，适用于划分地层界线、查找地质构造、探测不良地质体的厚度和范围。该方法根据探测装置布设与采用设备的不同又分为3种常用预报系统：TSP203（Tunnel Seismic Prediction，瑞士）、TGP206（Tunnel Geology Prediction，国产）及TRT6000（Tunnel Reflection Tomography，美国）。

TRT6000勘测成本低，操作简单，结果准确、全面、直观，代表隧道超前预报领域最新领先的技术，是隧道超前预报系统发展的方向， 表现在如下几个方面：

a）一般可使用锤击作为震源，可重复利用，不需要耗材，成本较爆炸震源低廉。

b）采用高精度的传感器和无线传输技术，灵敏度高，最大程度地保留了高频信号，提高了精度及探测距离（硬质岩中为300m，软质岩中为150m）。

c）传感器布点采用立体布点方式，在隧道两边分别布置4个传感器，然后在隧道顶上布置两个传感器，从而获得真实的三维立体图，直观的再现了异常体的位置、形态、大小。

d）采用了层析扫描的图像处理方式，绘制三维视图，可以从多个角度观察缺陷，使得图像更加清晰，易于理解，从而更加轻松地进行缺陷诊断。

①有效探测距离要求：地震波反射法连续预报时前后两次应重叠10m以上，每次预报距离100～150m。软弱破碎地层或岩溶发育区，每次预报距离应为100m左右；岩体完整的硬质岩地层每次可预报150m或以上。

②资料分析要求：数据采集时应对每一炮的波幅进行调节，记录不好或存在干扰时应重新放炮；对采集的数据及时进行三维波场处理，提取反射界面；对所采集的原始数据经软件处理后，以P波剖面资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释。

③达到目的：通过地震波反射法，可以得出隧道开挖面前方围岩的工程地质与水文地质条件，特别是影响施工方案调整、具有安全隐患的地质条件，如软弱夹层、断层破碎带、节理密集带等地质体的性质、规模和位置等；结合岩体物理力学参数、围岩软硬、含水情况、构造影响程度、节理裂隙发育情况等资料，对围岩情况进行初步评估。

2）地质雷达法

地质雷达探测预报属于电磁波物探技术，是利用电磁波在隧道开挖工作面前方岩体中的传播及反射，根据传播速度和反射脉冲波走时进行超前地质预报的一种物探方法。主要用于岩溶探测，亦可用于断层破碎带、软弱夹层等不均匀地质体的探测。

地质雷达在完整可溶岩地段预报距离宜在30m以内，在岩溶发育地段的有效探测长度则应根据雷达波形判定。连续预报时前后两次重叠长度应在5m以上。

3）红外探测

地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化，利用红外线进行超前探水是目前较为先进的一种地下水探测预报方法，能够定性确定一定深度（20m-30 m）范围地层中含水的部位和类型，现已广泛地应用于地下工程施工中的地下水探测。该方法测量快速，与施工干扰小，有较高的定性判别准确率；但无法预报水量和含水体具体前方位置等定量指标。

①红外线超前探水法的原理

任何物体都会发射出红外线，形成一个红外场。将一个稳定的质体作为探测对象的场源时，由该物体所形成的红外场的强度与场源本身的场强相一致。当地质体中含地下水，那么地下水场源产生的红外场会对地质体场源所产生红外场产生影响，使其场强发生变化。地质体所形成的红外场场强变化可用红外线探测仪探测。根据围岩红外场强的变化来预报掌子面前方或洞壁四周是否隐状含水体。

②红外线超前探水法的测线布置

在隧道施工中，主要通过探测掘进掌子面岩体场强的变化差异值，和隧道开挖段围岩场强沿纵向的变化规律，来推断前方是否为隐伏含水构造体，有无发生突涌水的可能。

③掘进掌子超前探水的测线布置

掘进掌子面场强测点布置，应根据掘进掌子面的大小，将掘进掌子面划分为若干个区域，一般情况下，将掘进掌子面划分为9个区域，每个区域设定1个测点。

沿已开挖隧道边墙纵向进行测点布置时，分别在拱顶、两侧边墙上各布置一条测线。从掘进掌子面开始，向已开挖方向（背离掘进掌子面方向），每间隔1m~5m设置一个测点，测点数不少于12个。

④使用环境条件

温度：00C~＋400C湿度：应不大于80％。在潮湿环境工作不应超过8小时。大气压力：（0.8~1.1）×105Pa。无腐蚀性气体和强电磁场干扰。

⑤红外线超前探水法的判据

a）根据掘进掌子面场强差异进行超前探水的判据

通过对比分析掌子面各测点的场强，判定掘进掌子面是否存在含水构造体。根据以往测试经验，判译标准一般设定为：当掘进掌子面测点中最大场强和最小场强的能量差大于等于10W/cm2，可判定前方存在含水构造体，否则不存在含水体构造。

b）根据隧道走向与场强曲线进行超前探水的判据

建立各测点的场强（y轴）与测点到掘进掌子面的距离（轴）的函数关系，并绘制出函数图形，根据函数图形特征进行超前探水预报。如果函数图形为一水平直线，表明掌子面前方不存在含水构造。

如果函数图形为一斜线，表明掌子面前方存在具有含水构造的可能性，需要进一步探测。如果函数图形开始部分存在阶跃突变，后部为水平或斜线，表明掌子面前方存在含水构造。

结论：地质体是复杂的综合体。企图用单一方法查明隧洞的全部地质条件是不可能的，因此应采用物探方法、水平钻探等综合预报方法，查明隧道掌子面前方空间分布情况。根据地质条件的差异和不同精度要求，适时选用若干种方法相互补充和印证，才能获得良好效果。

参考文献：

（1）《铁路隧道超前地质预报技术指南》（铁建设〔2008〕105号）；

（2）《铁路工程物理勘探规范TB10013-2010》

（3）《爆破安全规程》(GB6722-2011)