1.2 隧洞超前地質預報發展歷史與現狀

隧洞建設中對工程地質條件的認知和掌握程度是確保快速、安全修建的決定性因素之一。盡管在勘察設計階段進行了地質勘察工作，但由于受地形條件、勘察技術、經濟條件的限制，加上地質體的復雜多變，地質勘察工作滿足不了隧洞安全施工要求，很難細致地反映實際的地質情況，導致隧洞施工中地質災害時有發生，延誤工期并造成人員傷亡和財產損失。如我國臺灣地區北宜高速公路雪山隧洞，雖采用目前世界較為先進的TBM法進行施工，但由于地質條件復雜加之勘察資料不準確，施工前對一些不良地質體不了解、施工中對可能發生的地質災害準備不足，導致施工中斷，延誤工期，一條長約13km的隧洞用了13年時間才貫通；又如渝懷鐵路園梁山隧洞施工中的突水、突泥問題，龍溪隧洞的大變形問題等，造成的工期延誤和損害都與勘察階段的地質工作精度不夠有關。

因此，世界各國的隧洞設計者均采用施工期超前地質預報方法加以補充，解決施工地質災害問題。國外如英、法、日、德等國均將隧洞超前地質預報列為隧洞工程建設的重要研究內容，在隧洞勘察設計階段主要采用鉆探和大量的地球物理勘探方法，在隧洞施工期采用水平超前鉆探、TSP（地震反射）超前地質預報儀、TRT （地震反射層析成像）超前地質預報儀、高精度地震折射法等來實施超前地質預報工作^[1]。

國內隧洞施工期超前地質預報研究始于20世紀50年代中期，時任原鐵道部第二勘察設計院川黔鐵路涼風埡隧洞施工設計配合組地質工程師的陳成宗先生根據隧洞施工掌子面的地質情況，開展了對掌子面前方地質情況的預測預報，預報距離亦可達到近30m；70年代，以我國工程地質界老前輩谷德振教授等根據礦巷施工進度和掌子面地質形狀作出的礦巷前方將遇到斷層并引發塌方的成功預報為序，真正開始了我國隧洞施工期超前地質預報的研究和應用。目前，我國隧洞施工期超前地質預報主要采用工程地質調查法、超前平行導坑法、地球物理探測方法 （TSP、HSP、地震反射負速度法、地質雷達、陸地聲吶法等，有的還利用PIT樁完整無損檢測儀等）和以地質法為基礎結合物探的綜合方法^[24]。

當今世界各國為擺脫隧洞施工中對地質情況認識不詳的被動局面，不斷探索有效的預報方法，在早期的預報方法中，多通過導坑或平行導洞的方法來了解前方不良地質和嚴重涌水段，有的則在隧洞軸線上打超前孔取巖芯進行預報，都有明顯效果。但這些預報方法成本高，占用大量施工時間。

隨著科學技術的發展，特別是電子技術和計算機技術應用到地質勘探領域，為地質勘探技術的發展打開了良好的局面。目前，國內外在隧洞建設中使用較廣泛的超前地質預報技術主要有兩大類：鉆孔探測 （直接法）和地球物理探測法 （間接法）。直接法采用平行導洞、超前水平鉆探等手段；間接法采用地震反射、地質雷達等物探方法。

超前水平鉆探法與超前導洞 （坑）法的原理基本相同，使用鉆探設備向掌子面前方鉆探，從而直接揭露掌子面前方地層巖性、構造、地下水、巖溶及其性質、巖體的可鉆性、巖體的完整程度等資料，是最直接有效的超前地質預報方法，但一次鉆探距離短、費用高且占用施工時間長。目前國內采用這種方法進行隧洞施工期超前地質預報主要在水工隧洞工程中，國外已經較為普遍，英吉利海峽隧洞、日本青函海底隧洞更是大量采用該方法進行施工期的超前地質預報。

地質雷達探測法能發現掌子面前方地層變化，對于斷層帶特別是含水帶、破碎帶有較高的識別能力，在深埋隧洞和富水地層以及巖溶發育區，也是一種很好的預報手段。但是地質雷達目前探測距離較短，一般在20～30m，同時雷達記錄易受洞內開挖設備干擾，探測分析中要注意波相識別。目前地質雷達探測法已廣泛應用于隧洞工程的超前預報中，特別巖溶發育區的隧洞工程。如貴州的索風營水電站、思林水電站、光照水電站的引水隧洞施工中應用地質雷達探測法進行超前地質預報探測巖溶與地下涌水、突泥上取得明顯的預報效果^[7，8]。

TSP探測法是一種用于超前預報隧洞開挖面前方地質情況變化的地下反射地震波技術，是利用地震波的反射原理進行地質探測。TSP地震預報系統是由瑞士Amberg（安伯格）測量技術公司為隧洞及地下工程施工期超前地質預報而研發的，TSP預報系統共推出了202、203、303等多代產品，它的預報范圍是地質雷達的4～10倍，主要有以下優點：①適用范圍廣，即適用極軟巖到極硬巖的任何地質情況；②預報距離長，理論上能預報掌子面前方500m，考慮地震波干擾等因素，一般能預報掌子面前方100～250m；③對隧洞施工干擾小；④探測距離較短；⑤節約投資費用，據國外隧洞施工經驗估計，采用TSP法比不進行預報可節約是全部工程費用的15%；⑥提交資料及時。TSP探測已在我國取得了可喜成果，得到施工單位的信賴^[914]。

目前超前地質預報按預報距離可分為中長期 （長距離）超前地質預報和短距離超前地質預報，中長期 （長距離）超前地質預報的距離一般可達工作面前方150～200m，甚至更遠。現在較成熟的廣泛應用于隧洞施工的方法是TSP探測法，它能較準確查明工作面前方150～200m范圍內規模較大、嚴重影響隧洞施工 （造成塌方）的不良地質體的性質、位置、規模及含水情況，并按照不良地質體的理論特征、斷層影響帶的理論特征，結合預測段內出露的巖石及涌水量的理論分析，初步預測圍巖類別 （當然要以設計為基礎）。它的目的是為開挖指明工作面前方概略的地質輪廓，使施工決策人對不良地質和圍巖類別的變化做好思想準備，做到心里有數，防患于未然。因此，僅依靠TSP并不能完全準確的預報掌子面前方的地質情況，還必須依賴其他的預報方法來進一步準確探明前方的地質情況。

對于短期 （短距離）超前地質預報，它的任務是通過觀測、鑒別和分析，并結合長距離超前預報成果，推斷掌子面前方20～30m范圍內可能出現的地層、巖性情況，推斷掌子面實見的各種不良地質體向掌子面前方延伸的情況；對掌子面涌水量的觀測，結合巖性、構造特征，推斷工作面前方20～30m范圍內可能的地下水涌出情況；并在上述推斷的基礎上、預測工作面前方20～30m范圍內的隧洞巖體類別、斷層位置、規模、斷層破碎帶位置、寬度等，從而為斷層成災可能性預報和施工方案確定提供依據^[15，16]。

目前，所有隧洞施工期超前地質預報的方法亦僅是對施工掌子面前方地質界面 （不良地質體帶）位置的預報，對不良地質體帶成災的預報仍然是預報人員根據對施工掌子面前方地質界面性質即不良地質體帶的分析研究作出的判斷。比如錦屏輔助洞工程由于其高水頭、大流量地下水、超深埋、高地應力巖爆的地質特征，預報內容以地下水探測以及結合巖體的物理力學特征對巖爆進行預警。