2.3.1.1　地质雷达预报技术

（1）基本原理。地质雷达探测方法是采用连续扫描电磁波反射曲线的叠加，利用电磁波在隧道掌子面前方岩体中的传播、反射原理，通过信号采集系统接收反射信号，判断隧道掌子面前方反射界面（断层、软弱夹层等）距隧道掌子面的距离来进行隧道施工期地质超前预报的一种方法。

电磁波遇到不同电性反射界面后振幅和相位发生变化，介质电性差异大小决定了电磁波反射的振幅强弱程度和其相位变化。岩石破碎程度及其含水量情况是影响其电性常数的主要因素，根据测量结果判定掌子面前方的围岩变化情况。

由于电磁波的这种传播特性，地质雷达探测方法被认为是目前分辨率最高的地球物理方法，但由于预报距离短，易受隧道内施工机械、管线的干扰，目前多用于短距离内（掌子面前方大约30m以内）的地层岩性界面、较大节理与构造、富水带、溶蚀通道及地下水等的预报，进而判断不良地质体的位置及规模，推测地下水的大致富水程度。

（2）观测系统。所谓观测系统是指激发点与接收排列的相对空间位置关系，隧道工程施工中由于工期较为紧张，为了能够满足快速掘进的施工要求，地质雷达探测不能占用太多施工时间，为了能够最大限度地降低雷达探测对施工的影响和保证预报的准确率，雷达探测分初步探测和精确探测，精确探测又分表面雷达精确探测及钻孔雷达精确探测。

初步探测的观测系统为“∏”字形观测系统，其具体做法是在掌子面低部及临近开外洞段两边墙底部约1m高位置作一条测线进行雷达探测。如图2.3.1-1所示，根据其初探结果，确定是否进行精确探测。如果在初探结果中掌子面前方或边墙未发现明显异常，则不进行精确探测，隧道正常掘进；如果发现存在明显异常，根据初探结果，大致判断异常性质及异常位置，然后针对可能存在的不同不良地质体性质在掌子面上增加“井”字形测线及钻孔，进行精确探测。

图2.3.1-1　“∏”字形观测系统

2.3.1.2　TSP预报技术探测方法

（1）基本原理。沿着隧道边墙的岩体内引爆少量炸药，便可产生地震波信号。信号在岩石中以球面波前的形式传播，如图2.3.1-2所示。当岩石强度（波阻抗）发生变化，如破碎带或岩层变化，一部分信号发生反射，而其余信号继续在岩体中传播。反射信号到达高灵敏度接收器的时间可以测量，通过分析波在岩层中的传播速度，就可以将反射信号的传播时间转换成距离（深度）。因此，根据这些信息，就可以确定岩性不连续的位置，与隧道轴的交角及其到掌子面的距离。TSP超前地质预报系统用于预报隧道前方0～100m范围内及周围临近区域地质状况，预测掌子面前方围岩的类别；主要是对地质结构面、地质构造及地下水的预报，包括地层岩性界面、构造破碎带、富水带、岩溶发育带等不良地质体，确定其位置、规模及大致产状，推测其性质。

图2.3.1-2　TSP探测原理图

（2）观测系统。TSP超前预报观测系统布置如图2.3.1-3所示。根据不同预报的目的，爆炸孔可选择不同的边墙。在复杂的地质条件下，为了相互验证，需在左、右边墙都安装接收器和爆炸孔，以求最佳效果。如果只是对断层的预报，根据反射原理，炮孔与接收器应布置在与断层走向交角小的边墙内，即可节约投资，又能解决问题。表2.3.1-1为TSP203炮孔及接收孔具体要求。

表2.3.1-1　炮孔及接收孔的具体要求

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图2.3.1-3　TSP观测系统的布设示意图

2.3.1.3　BEAM探测技术

（1）基本原理。隧道聚焦电流超前预报法（Bore-Tunneling Electrical Ahead Monitoring，BEAM）简称BEAM测试技术。它是通过对岩层视电阻率进行测试来探知岩石质量、空洞和水体。

地下岩体在人工电场作用下会发生复杂的电化学过程，并形成一个随时间增加而增长的极化电场，它叠加在人工电场以及由于岩体电性差异而产生的异常电场之上。习惯上把人工电场以及因岩体电性差异而产生的电场称为一次场，而把极化电场称为二次场，它们的叠加称为总场。总场经数分钟后趋于饱和，如果切断电源，一次场随即消失，但二次场仍然存在，并随时间增加而逐渐衰减，几十秒至几分钟后衰减至零，这种现象称为激发极化效应。常规电法勘探中的激发极化法就是通过研究激发极化电场的分布以达到找矿、找水或解决其他地质问题的一种物探方法。早期的激发极化法应用主要以直流激电法为主，但是由于直流激电法断电后的二次场易受外界电磁干扰，激电法后来的发展以交流激发极化法为主，BEAM测试系统就是以交流激发极化为理论基础的一种全新电法物探技术。

（2）观测系统。

1）BEAM系统安装在TBM上。BEAM系统在TBM的隧道（洞）掘进方式中，国外已经有很多的应用实例，包括意大利的Ginori隧道、Prisnig隧道、西班牙的Guadartama-North-Tunnel、Metro Barcelona linia 9、徳国Nurem berg-Ingolstandt铁路隧道等，图2.3.1-4是BEAM系统在TBM机上工作示意图。

2）BEAM系统安装在多臂钻上。BEAM系统在国外钻爆法施工隧道中也有广泛的应用，如瑞士的Gotthard Base Tunnel、Lotschberg Base Tunnelden等，我国在四川锦屏二级水电站辅助洞和沪蓉国道垫江至邻水铜锣山隧道中得到了广泛应用，取得了较好的地质效果。图2.3.1-5是BEAM系统在钻爆法施工隧道中工作示意图。

2.3.1.4　岩体温度法测试（红外线探测）

图2.3.1-4　BEAM系统在TBM机上示意图

图2.3.1-5　BEAM系统在多臂钻上示意图

地下岩体或水体由于分子振动，每时每刻都由内向外发射红外波段的电磁波，从而形成红外辐射场。地质体内的地质信息以场变化的形式传播出来。当隧道外围介质正常时，所探测的场为正常场，其物理意义在于隧道外围没有灾害源；当掘进断面前方或隧道外围任一空间存在含水构造时，含水构造自身产生的红外场就要产生叠加，使正常场产生畸变，探测曲线上的畸变段称作异常场，其物理意义在于隧道外围存在灾害源。灾害源是指隐蔽的含水体或含水构造，灾害场是指灾害实体所形成的红外辐射异常场。灾害源与灾害场是同时存在的，有灾害源必有灾害场，有灾害场也必有灾害源。对地下工程而言，灾害源即灾害实体是隐蔽的，肉眼无法触及，而与之对应的灾害场虽然也是隐蔽的，但可通过红外探测仪把它探测出来。由于灾害场在介质中传播的范围远远大于灾害实体，即“场”远远大于“源”，因而在安全距离之外，利用红外探测仪可提前发现灾害场，继而发现灾害源的存在，在施工中可提前采取防范措施，避免地质灾害的发生。

2.3.1.5　TRT地震反射层析成像技术

不同种类的岩土，波具有不同的传播速度，地震波在完整坚硬岩体中传播速度高，在软弱裂隙发育的岩体（如空洞、破碎或风化岩、土）中传播速度低且波的衰减大。速度层析成像反映在地震波发射源与接收传感器间岩土体速度及其变化，衰减层析成像反映探测区域内地震波的相对衰减率。造成地震波速度及地震波衰减的变化因素包括：不同种类的岩土体具有不同的物性和地震波传播特性，如岩土体中应力状态、裂隙延伸、饱水状态及土的压实度的变化等。在破碎带、断层或空洞等地质体中，地震波传播速度可能较低；由于地震波绕过异常体而使传播距离增加，地震波衰减明显增大。地震波在较硬、强度较高的岩石中传播的速度比在较软、强度较低或固结程度较低的岩石中的传播速度高。

TRT采用在掌子面背后一定距离隧道周边安设成组的三围接收传感器，传感器的布置视隧道几何形态和TRT数据采集系统基本形式预先确定。按预定形式在岩石表面安设10个以上带前置放大功能的加速度传感器，由地震源发射的信号及隧道掌子面前方界面反射回来的信号采用标准24道地震仪采集，直达波及隧道掌子面前方异常体边界反射回来的反射波由接收传感器接收。数据采集后，在地震仪顶部计算机进行数据传输和处理，完成隧道掌子面前方地质情况的三围反射层析成像。随着隧道施工掌子面的前移，重复前述传感器安设和数据采集。