隧道施工地质超前预报由来已久，英、法、德等国家均将此列为隧道工程建设的重要研究内容。在我国，自根据矿巷施工进度和掌子面地质性状作出的矿巷前方将遇到断层并将引发塌方的成功预报开始，隧道施工地质超前预报的研究和应用已经展开。随着隧道施工技术的提高，对隧道施工地质超前预报提出了更高的要求。受地质勘察精度、经费等条件的限制，设计与实际不符的情况屡有发生。通过地质超前预报及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状、类型及其围岩结构的完整性与含水的可能性，从而为隧道施工单位优化施工方案提供依据，为预防隧道突水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使工程单位提前做好施工准备；通过预报可以了解掌子面前方短距离内的工程地质条件及围岩类别，为施工单位正确选择开挖断面、支护设计参数和施工方法提供依据。所以隧道施工地质超前预报对于安全科学施工，提高施工效率，缩短施工周期，避免事故损失，具有重大的社会效益和经济效益。

2 隧道工程概况

    太行山特长隧道是新建铁路石家庄至太原客运专线的重点工程，位于孤山特大桥和盂县车站之间。太行山隧道设计为两座相互平行的单线隧道，线间距35m，隧道内线路位于直线上。左线起讫里程为DK69+276～DK97+168，全长27892m；右线起讫里程为DK69+286～DK97+163，全长27877m。太行山隧道是目前我国长的铁路山岭隧道。我单位承担Z3标段，位于山西盂县境内荆稍洼至仙人村一带，起讫里程为DK73+201～DK80+901（YDK73+201～YDK80+901），正洞全长7700m，另有三个无轨运输施工斜井。其中寺坪斜井工区承担(Y)DK73+201～ (Y)DK75+801段左右洞各2600m，咀子上斜井工区承担(Y)DK75+801～(Y)DK78+801段左右洞各3000m，坪上斜井工区承担(Y)DK78+801～(Y)DK80+901段左右洞各2100m，

    本标段起点岩体完整至较完整；DK79＋360至终点段，受仙人村～红贝岭断裂及岭底西至香炉寺断裂影响，隧道洞身所通过的该段地层为太古界（Art）浅变质的一套花岗片麻岩及黑云花岗片麻岩变质岩区，岩体完整。根据隧道岩性、埋深、构造等具体特点预测洞身DK75+500-DK80+901地段黑云花岗片麻岩、石灰岩可能发生岩爆，DK73+201-DK79+430段位于寒武系、奥陶系的可溶岩地层中，岩溶微弱-弱发育，不存在暗河和大型洞穴。隧道区通过的Ft8、Ft56、Ft3三条断层时存在着突水、涌泥等地质灾害的可能，雨季时尤为突出。高地应力、岩爆、断层破碎带、突泥、涌水、岩溶等不良地质构成了本标段复杂多变的地质条件。

3 地质超前预报

    太行山隧道主要采用短期地质超前预报和TSP203长期地质超前预报相结合的预报方法。短期地质超前预报又称跟踪预报，它是在长期地质超前预报的基础上进行更加准确的预报，是正确指导施工必须采取的工作步骤。主要采用的手段有：掌子面编录预测法、水平超前钻孔法和地质雷达法。本文主要介绍采用TSP203探测系统对隧道施工进行长期地质超前预报。

3.1 TSP203探测系统的工作原理

    TSP203超前地质预报系统探测的基本原理是应用了震动(声)波的回声原理．震动(声)波是由特定位置进行小型爆破所产生，布局一般是大约24个爆破点沿着隧道左壁或者右壁平行隧道隧洞底成直线排列，孔深1．5 m，点距1．5 m，由人工制造一系列有规则排列的轻微震源，形成地震震源断面。这些震源发出的地震波遇到地层层面、节理面，特别是断层破碎带界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱，淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波．反射震动的信号由布置在单壁或是双壁的传感器接受，并将接受的数据传送给记录单元，由于反射信号的传送时间与到地质界面的距离成正比，反射信号的强度与相关界面的性质、界面的产状密切相关．从而通过反射波数据分析系统，得出相关隧道剖面及围岩相关的物理力学参数．

3.2 系统组成及技术性能

    仪器系统主要由记录单元和接收单元两大部分组成

记录单元：记录单元的作用是对地质信号记录和信号质量控制，其基本组成为完成地震信号A／D转换的电子元件和一台电脑(Panasonic)，电脑控制记录单元的地震数据记录、储存以及评估．①12道；②24位A／D转换；③ 采样间隔：62．5 tzs；④ 带宽：8 000 Hz；⑤记录长度：7 218采样点；⑥动态范围：12O dB．

接受单元：接受单元用来接受地质信号，安置在一个特殊的金属套筒中，套管和围岩之间采用锚固剂或双组环氧树脂牢固的结合。接受单元在接受前必须插入到该金属套筒中．接受单元由一个极灵敏的三分量的地震加速度检波器组成，频宽10～5 000 Hz，包含了所需的动态范围，能够将地震信号转换成电信号。尽管总长为两米的接受传感器被分为三段，传感器的安装仍然非常简单和快速。① 三分量加速度地震检波器；② 灵敏度：1 000 mV／g±5 ；③频率范围：0．5～5 000 Hz；④ 横向灵敏度>1 ；⑤ 工作环境温度0～65℃．

附件和引爆设备：在安装接受单元前，一个特殊的套管必须固定到接受器安装孔上．出于此目的，在附件箱中找到一套特定工具箱和一电子水平测量仪。附件箱中还包含接受单元和记录单元连接电缆及引爆设备。

3.3 TSP203系统的数据采集

3.3.1 数据采集的观测系统

    炮点布置在隧道隧洞的一侧，共24个炮点，炮孔深度1．5 m，间距1．5 m，炮孔孔位应尽量保持在水平面的一条直线上，炮孔成形后要测量各炮孔倾角．接受器布置在与隧道轴线垂直的铅垂面上，可以单壁或双壁布置，接受炮孔孔位为离与距其近的炮孔位置20m处，孔深2．0 m，与炮孔成一条直线．TSP一2O3系统的观测系统几乎是固定不变的，在实际条件不允许的情况下可以作少许改变，但是要做好详细记录，以便资料的解释。

3.3.2 数据采集时应注意的问题

    原始数据是结论的基础，为了保障解释的合理性，确保原始数据的可靠性，尽量减少干扰因数，因此在数据采集过程中，应该注意以下问题：

(1)接收器的放置

    接收器是把波的振动信号转换为电信号的装置，能否接收到信号．接收信号质量的好坏与接收器直接相关．放置接收器时应力求使波在短的时问内传至接收器，所以当应用地质力学和构造地质的理论能确定掌子面前方主要构造破碎带和不良地质体的主要产状时可用一个接收器接收，此时应把接收器放在隧道的前进方向和构造线的走向夹角成钝角的一侧，因为这样会在短的时间内接收到多的有用信息，如果不能用地质力学的理论推测出前方不良地质体的产状，则应该在两侧分别放置一个接受器才能接受到较好的信号．

(2)震源炸药的选择和填充

    在TSP203探测中。炸药是人工激发波动信号的来源．震源炸药的选择应保证炸药有较高的爆速和与待测的岩石介质有相匹配的波阻抗，同时，炸药的用量应严格控制以避免产生不必要的噪声信号和对高频信号的抑制，尽可能产生有力脉冲信号(宽频带信号)．填装炸药力求与钻孔紧密接触，必要时向孔内注水，一则保证炸药密实；二则保证炸药与钻孔有良好的耦合．减少能量的损耗．

(3)线圈的放置

    因数据的采集过程就是把机械的波动信号转换为电压信号的过程，所以波动信号的改变意为着电压信号的改变，如果采集数据时传输电缆仍缠在线圈上则会由于线圈的感抗作用产生较大阻抗．使电压信号发生变化而在成图和地质解释时误认为是地质条件的变化，故采集数据时应把线圈放开，避免产生较大的阻抗电压．

(4)雷管的选择

    在数据采集时，触发器的功能是保证炸药的引爆和主机的采集信息能同步，这里有个假设条件是炸药的引爆不需要时间，但实际并非如此，电雷管的工作原理是电流的热效应．据焦耳定律．达到一定的温度需要有一定的时间，这个时间就是比主机开始采集数据的滞后时间，这会造成主机采集数据与引爆的不同步或者说主机用于真正采集数据的时间减少，即相应的有效的探测距离降低，同时数据的质量也差．因此．在雷管的选用上应尽可选用灵敏度高的，一则延期小，二则延期误差小．

(5)接收器和震源的位置

    接收器有效接收段的中点位置应与所有爆破点的中心位置在同一条直线上，其误差不应过大．且此直线应与隧道的轴线平行．如直线不是水平直线而是倾斜的，此时的结果图是以此直线为假定水平直线的平面图和剖面图，图中不良地质的产状如倾角是相对隧道轴线的而非真实的，在这一点上用TSP203方法和用其它地质方法相比较时应注意．如果隧道的轴线不是直线而是折线(指有坡度)此时应通过坐标z值的改变加以调整，但沿整个爆破点断面的高差(z值)不应多于3m．仪器的计算原理是：每一炮点到接收器的距离是确定的，每一炮点的直达波到达接收器的时间可以测出，这样就可以计算出岩体的平均波速，利用它和波到达波阻抗面的时间就可以计算出波阻抗面的位置和产状，如果实际的炮点到接收器的距离与输入值有偏差，则会造成波速有误，进而造成计算出的波阻抗面位置和产状的错误，因此在布点时，力求实际位置与输入的坐标相一致．

(6)套管的埋设

    套管是为了节省接收器但不降低接收器的接收效果而设置的，因此套管的埋设应力求与周围的介质紧密接触且锚固剂的波阻抗应与岩石介质的波阻抗尽可能相近，这样就可预防套管不正当的震颤，降低波动能量在套管周围界面上的能量损失．为防止钻孔底部出现空洞未灌实的现象．锚固时应设排气管．

(7)对拒爆震源的处置

    如果引爆时仅仅是雷管起爆或只有一部分炸药起爆，那么可输入正确的爆破点数重复引爆．此时．应绝对保证实际的爆炸点位与其坐标相对应，避免产生实际点位与输入坐标的差异，这样两个数据在处理时会相互叠加，产生较好的数据；但如果是数据质量不好，如振幅超限或是一次转折后出现低频振荡数据．则如有可能应删除记录后重新记录．

4 工程实例

    石太客运专线太行山隧道Z3标段正洞洞身位于寒武系上、中统的一套薄至中厚层状为主的白云岩、石灰岩类为主夹页岩的碳酸盐地层中，岩体完整至较完整。断裂构造发育，多以剪节理性质的构造裂隙出露，局部地区节理密度较大，产状倾角变化较大。隧道围岩赋存裂隙水和孔隙水。裂隙水主要赋存于强～中等风化基岩及断裂破碎带中，局部地段地下水活动强烈，会加剧围岩失稳。我们在太行山隧道正洞左线连续里程进行了TSP203超前地质预报。现以2007年4月2日对太行山隧道ZDK75+012～ZDK75+112段测量进行举例。

4.1  已开挖段围岩的工程地质特征评价

1、评价范围：ZDK75+012～ZDK75+112

2、围岩岩性特征：中、薄层状、未风化石灰岩；

3、围岩受构造的影响程度：一般；

4、结构面发育特征：较发育，层间结合一般；

5、岩体结构特征：巨块状整体结构；

6、地下水特征：无水；

7、毛洞开挖后的稳定性：整体稳定；

8、围岩级别：Ⅱ级。

4.2  TSP现场采集参数

1、测试日期：2007年4月2日

2、测试仪器：TSP203plus

3、掌子面位置：里程ZDK75+112

4、接收器位置：太原方向右侧壁，里程ZDK75+044

5、接收器数量：1个

6、设计炮点：24个

7、采样间隔：62.5μs

8、记录时间长度：451.125ms

9、采样数：7218

4.4  TSP探测结果的工程地质评价

4.5 施工建议

    探测段ZDK75+112～ZDK75+232范围内未发现大的异常，按照Ⅱ级围岩施工即可，但层间结合一般，应注意拱顶的掉块，应防护。

5 成果验证

    通过对太行山隧道全隧道连续里程进行地质超前预报，结合勘察设计资料，并对开挖隧道掌子面围岩情况进行了跟踪调查，预报结果与现场实际情况基本吻合，有效的指导了施工。对隧道施工组织、安全方面均有极大的帮助。

6 结束语

(1)实事求是地说，尽管隧道施工地质超前预报无论是预报方法还是技术手段(设备及分析处理软件)都得到了前所未有的发展，但在预报内容上基本上仍然处于对界面(断层及断层破碎带、软弱夹层、不同岩层分界面、地层分界面、岩溶洞穴等)位置的预报。特别是采用物探方法进行地质超前预报，对隧道施工掌子面前方地下水状况、岩溶洞穴充填物及其性质的预报尚处在摸索研究阶段，而隧道施工涌水、岩溶涌水、岩溶淤泥涌砂灾害严重影响隧道施工的正常进行，已成为隧道施工的常见灾害。因此，对隧道施工掌子面前方地下水状况、岩溶洞穴充填物及其性质的预报，必将成为今后隧道施工期地质超前预报研究的重要课题。

(2)由于物探方法的间接性和多解性以及目前所采用的各种地质预报手段都有一定的缺陷，因此隧道施工期间的地质超前预报必须是“以地质方法为基础，集各种预报方法所长”的综合预报。

(3)TSP2O3主要用于做长距离地质超前预报。

(4)地质雷达作为TSP203预报系统的补充，短距离预测采用地质雷达进一步探测前方30m内地质情况。地质雷达对溶洞及空洞的探测十分有效。

(5) 红外线探水仪通过接受岩体的红外辐射强度，根据围岩红外辐射场的变化来分析判断掌子面前方30 m范围内是否存在含水体，是探测地下水的一种较理想工具，但红外线探水只能作定性分析，在目前情况下尚不能作定量分析。

(6)对采用各种探测设备预报到的不良地质进行确认，也可作为天然气和瓦斯的排放孔。水平钻孔是地质预测预报直接有效的手段。

(7)对已开挖的围岩节理，岩层走向等进行地质描述，这是原始也是普遍采用的收集地质信息的一种传统手段。数码成相技术应用于地质描述，大大提高了工作效率和分析精度。

(8)在隧道施工中，遇到不良地质时，隧道施工人员应摆正施工安全与进度的关系，积极配合做好地质超前预报工作，严格按照制定的施工方案处理不良地质，不可盲目冒进，给工程造成损失。