超前地质预报

超前地质预报或隧道超前地质预报(Tunnel Geological Prediction/Prospecting)是在隧道开挖时，对掌子面前方及其周边（主要是铁路隧道）的围岩与地层情况做出超前预报。

分类

超前地质预报常用的物探方法有很多，分类不尽相同。根据《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》（TZ214-2005），将几种物探方法及其适用范围介绍如下：其中地震波法超前预报是当前应用的主流。

机械钻探

使用超前地质钻杆在隧道断面的若干个部位进行钻探，依据钻杆内岩土结构、构造及水文地质判定前方围岩的性质。一般取隧道断面的三个点，中上部、左侧、右侧，将钻探出的围岩综合对比分析然后按每两米一个断面记录其围岩状况。超前钻杆的长度不等，一般以20米为主流产品。

电法

直流电法 超前探测隧道掌子面和侧帮的含水构造

高密度电阻法 探测岩溶、洞穴、地质界线

电磁法

甚低频法 ①.探测隐伏断层、破碎带；②.探测岩体接触带；③.探测含水构造及地下暗河等

地质雷达 ①.探测隐伏断层、破碎带；②.探测地下岩溶、洞穴；③.探测地层划分

地震波法和声波法

折射波法 ①.划分隧道围岩级别；②.测定岩体的纵波值

反射波法 ①.划分地层界线；②.探测隐伏断层、破碎带；③.探测地下洞穴；④.测定含水层分布

散射波法 ①.划分地层界线；②.探测隐伏断层、破碎带；③.探测地下洞穴；④.测定含水层分布；⑤确定围岩速度

红外线法

红外探水 ①.探测局部地温异常现象；②.判断地下脉状流、脉状含水带、隐伏含水体等所在的位置

超前预报

地震法是当前隧道中长期超前预报的主流方法。它包括：HSP、TSP、TGP、TRT、TST、负视速度等各种方法。

TSP隧道

其工作原理是利用在隧道围岩以排列方式激发弹性波，弹性波在向三维空间传播的过程中，遇到声阻抗界面，即地质岩性变化的界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等，会产生弹性波的反射现象，这种反射波被布置在隧道围岩内的检波装置接收下来，输入到仪器中进行信号的放大、数字采集和处理，实现 拾取掌子面前方岩体中的反射波信息，达到预报的目的。

其中TSP、TGP、TRT应用的是反射理论，尚需在小孔径偏移成像病态问题方面进行努力。

TST隧道

该方法充分认识三维波场的复杂性，能进行方向滤波，仅保留掌子面前方的回波，避免现行超前预报方法中虚报、误报率高的技术缺陷。能准确确定掌子面前方围岩波速分布，为岩体工程类别判定提供依据，同时避免现行方法预报位置不准确的缺陷。

TST地质超前预报技术具有如下优点：

1. TST隧道超前预报技术是国内外唯一的实现了地下三维波场识别与分离的超前预报技术，有效消除侧向波和面波干扰，保证成像的真实性；

2. TST是唯一的实现了围岩波速精确分析的超前预报技术，保证构造定位的精确性；

3. TST是建立在逆散射成像原理基础上的超前预报技术，与传统的反射地震技术相比具有更高的分辨率。同时运用了地震波的运动学和动力学信息，不但可精确确定地质构造的位置，同时获得围岩力学性状的空间变化；

4. TST采用独特专业设计的观测方式，保证观测数据同时满足围岩波速分析、三维波场分离和方向滤波的需要。

HSP隧道

该方法和地震波探测原理基本相同，其原理是建立在弹性波理论的基础上，传播过程遵循惠更斯-菲涅尔原理和费马原理。本方法探测的物理前提是岩体间或不同地质体间明显的声学特性差异。测试时，在隧道施工掌子面或边墙一点发射低频声波信号，在另一点接收反射波信号。采用时域、频域分析探测反射波信号，进一步根据隧道施工掌子面地质调查、地面地质调查及利用一隧道超前施工段地质情况推测另一平行隧道施工掌子面前方地质条件的预报方法，便可了解前方岩体的变化情况，探测掌子面前方可能存在的岩性分界、断层、岩体破碎带、软弱夹层、以及岩溶等不良地质体的规模、性质及延伸情况等。

高密度电法

我国南方岩溶发育，地质构造复杂，地下水丰富。为确保工程质量与安全，适于采用高密度电法沿隧道轴线进行勘探的方法和地震法结合的超前预报方法。高密度电法将整个山体成像，找到溶洞等含水带；进一步结合地震法超前预报对隧道掌子面前方的地质结构进行预报。结果更加可靠。

例如：

高密度电法地形与电阻率校正TD-Eledata

隧道岩溶探测

下图为某岩溶发育带的隧道。图中红色表示高阻区，导电性不好，岩体干燥、致密、稳定性好。蓝色区代表低阻，导电性好，岩体破碎，含水量大，与断裂带、含水带、填充溶洞有关。蓝色区是隧道开挖中易发生坍塌涌水灾害的地段，应特别注意。隧道长近800m，最大埋深250m，进口段为灰岩，出口段为泥质砂岩。探测发现灰岩段有大小7个岩溶发育，有4个与隧道相交。3个与地表落水洞相通，3个连接地下河。开挖中都得到证实。由于采取了预防措施，安全通过。其中k40+250处的溶洞截面20mx 30m，上通地表，下可通到地下暗河。隧道中架桥通过溶洞区。通过应用地形与电阻率校正软件，得到准确的结果。（图片来源于TD-EleData高密度电法地形与电阻率校正处理软件截屏）

相关专家

何发亮，广西贺州人，中铁西南科学研究院有限公司教授级高级工程师、院副总工程师、工程地质预报中心/工程地质研究室主任、硕士研究生导师。生于1962年，1984年毕业于中山大学地质学系，主要从事隧道围岩分级、声波探测技术应用和隧道施工地质预报研究。 1995年任副研究员，2002年任教授级高级工程师，同年被评为中国铁路工程总公司首批有突出贡献的中青年专家，是中国铁路工程总公司专家委员会专家、2008年国务院政府特殊津贴专家。现任IAEG会员、中国地质学会工程地质专委会委员、中国岩石力学与工程学会地下工程分会理事、四川省岩石力学与工程学会理事兼副秘书长、四川省声学学会理事、《铁路地质与路基》编委、四川省评标专家库和四川省地质灾害评估专家库在库专家。获铁道部部科技进步奖四等奖1项、总公司科学技术奖一、二等奖各1项、铁道科学研究院科技成果三等奖1项。主要论文著作： 《隧道地质超前预报》（西南交通大学出版社，2006年） 《隧道工程岩体分级》（西南交通大学出版社，2007年） 《隧道工程地质与声波探测技术》（西南交通大学出版社，2005年） 《岩体温度法隧道施工掌子面前方含水体预报模型试验研究》（现代隧道技术，2008年第2期） 《岩体温度法隧道施工掌子面前方涌水预测预报探讨》（现代隧道技术，2007年第2期） 《隧道施工地质超前预报工作方法》（岩土工程学报，2006年） 《TBM施工隧道围岩分级研究》（岩石力学与工程学报，2002年9月，第21卷第9期） 《岩溶地区长大隧道涌水灾害预测预报技术》（水文地质工程地质，2001年第5期） 《声波探测技术的新发展及其应用》（中国铁道科学，1999年第20卷第4期） 《隧道施工期地质超前预报技术的发展》（现代隧道技术，2001年第3期） 《隧道施工期地质超前预报若干问题探讨》（第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集，2004年） 《HSP及CT法隧道施工期岩溶地质预报》（隧道地质超前预报技术交流研讨会论文集，2004年） 《声波CT技术在泸定桥东桥台内部结构探测中的应用》（文物保护与考古科学，2001年第13卷第1期） 《泸定桥东桥台内部加固效果检测》

铁道部《铁路隧道超前地质预报技术指南（铁建设【2008】105）》的主要撰稿人。

相关单位

中铁西南科学研究院地质预报中心：

隧道施工地质灾害对施工人员、施工机具造成的安全威胁，一直是隧道及地下工程界期待解决的问题。隧道施工地质超前预报研究的主要任务就是探测隧道施工掌子面前方不良地质体的分布，预测因不良地质体存在可能引发的隧道地质灾害。

从上世纪八十年代始，我们结合大瑶山隧道、天马山隧道，首先在我国开展地质声学法隧道地质超前预报技术研究(图1)，开展“隧道施工掌子面前方不良地质预报技术”-声波反射法研究(1990～1995年)，提出了HSP水平声波剖面法隧道施工地质预报的理论和技术，该课题于1995年12月通过铁道部科技成果鉴定，并于1997年获铁道部科技进步三等奖(图2)。

超前地质预报

超前地质预报

2002年至今，结合辽宁大伙房水库引水工程和锦屏电站引水隧洞TBM施工情况，进一步开展掘进机施工条件下HSP与波反射法预报研究，以及国家自然科学基金项目“高压大流量岩溶裂隙水与不良地质超前预报与治理”之子项-岩体温度法隧道施工掌子面前方涌水预报研究；其中，“TBM突破不良地质地段的地质超前预报及施工预案研究”在“利用TBM刀具切割岩石激发的信号作为HSP声波反射法预报的激发信号，以及适合于TBM施工的水工隧洞围岩分级修正模型等方面取得明显的创新性，对TBM快速通过不良地质地段及安全施工提供了技术保障，其TBM超前地质预报技术达到国际先进水平”。该课题研究成果获中国中铁股份有限公司2007年度科技进步二等奖(图3)。

超前地质预报

近20年来，HSP水平声波剖面法隧道施工地质预报的理论和技术在众多铁路、公路隧道工程中得到应用，通过大量的工程实践和技术咨询服务，隧道地质超前预报技术研究取得了众多的成果。与此相关的专著有5部，并纳入2部国家标准和5部行业标准(图4)。

图4