1）地质预报目的、意义

隧道围岩地质情况复杂多变，各种不良地质所导致的工程事故屡见不鲜。一方面，原工程地质勘察由于经济、时间、工程密度、技术难度等原因，对拟建隧道围岩的地质勘探难以详尽查明各种不同规模的地质构造或异常，仅以断层为例，实践结果表明勘察设计阶段地面测绘所查明的与围岩稳定性有关的大小断层一般不足隧道地下开挖实际揭露的一半，这说明勘察设计阶段地面地质勘察工作不易满足施工要求。这种情况下隧道施工过程中必然会出现预料不到的塌方、涌水和大变形等事件，从而经常不得不停止掘进加以处理。由此说明应该对公路隧道施工过程中围岩的稳定性状况和掌子面前方的成灾情况及时地进行超前预报。另一方面，这又无疑会加剧施工的难度，甚至出现坍塌等工程事故，以及隧道建成后出现危险变形等工程质量问题。如何预测隧道围岩不良地质及其稳定性，已是摆在隧道工程界的一个突出课题。

因此，通过及时超前预报掌子面前方围岩不良地质与软弱围岩范围，进一步确认并详细划分围岩级别，再结合掌子面观测和施工设计图，及时提出施工方案建议，在实际好的围岩段节省工程投资，对软弱围岩段的支护切实得到加强，真正比较好地实现对隧道的动态信息化施工管理，尽量避免或减少由于技术等原因所造成的工程事故，以及由此所造成的不必要的人力、物力、财力浪费，使隧道建设的投资分配更加合理，保证施工安全和工程质量，加快施工进度，缩短工期。

地质超前预报的意义体现在：在本工程隧道的相关地质条件下，通过施工现场超前地质预报，一般可以掌握掌子面前方15～30 m（地质雷达）、100～150 m（TGP）范围内的地质情况。对于地质构造复杂的隧道，地质超前预报可以较为准确地判断掌子面前方的围岩情况，预防围岩坍塌、突水突泥，为提前采取施工措施提供较为翔实的科学依据。

2）地质超前预报方法

（1）地质超前预报步骤

首先对隧址区进行水文地质与工程地质调查，并查阅有关地勘资料和施工设计图件，掌握全区的整体地形、地貌、水文地质与水文地质单元、地质构造及其复杂程度、工程地质情况。

根据本工程隧道特点，采取长距离宏观预报与短距离准确预报相结合，开展多层次、多手段的综合超前地质预报，并贯穿施工全过程。先探后掘，通过超前预报判断有无异常及危险；根据不同的地质复杂程度，针对不同类型的地质问题，选择不同的方法和手段开展超前地质预报。

由于TGP地震探测仪须有约70 m距离布设炮孔、接收器和发射器，因此在隧道刚进洞时，采用地质雷达进行短距离地质超前预报探测；待隧道开挖满足TGP地震探测仪探测要求时，则采用TGP进行长距离探测，同时用地质雷达做短距离探测，以便相互印证。采用地质雷达和TGP等手段无法准确判断不良地质体的属性、位置与空间分布规模，但详勘资料划定的不良地质地段时，再结合超前钻孔法进一步确认。

现场探测时，进行地质观测、描述、素描和编录，包括掌子面及其附近的岩性、围岩节理裂隙发育程度、有无断层与褶皱、风化破碎程度、渗漏水情况、围岩完整性与稳定性及判断围岩级别等。

在对探测结果资料处理后，通过对比分析和地质解释，及时提交探测预报报告。提出掌子面前方围岩类别及其分段、不良地质体及其位置和规模，提出支护措施建议。

提交地质预报报告后，应经常到掌子面跟踪观察，此项任务需地质预报组长或主要技术人员长期驻扎工地，以便深入认识和把握该隧址区的地质规律，正确把握围岩条件，及时指导施工。

（2）使用仪器及方法

①TGP原理与方法。TGP隧道超前地质探测仪是目前在这个领域的最新科技成果，它克服了原TSP203系统的诸多不足，预报精度和准确性得到大幅提高，是目前利用地震波方法进行隧道施工地质超前预报最有效的一种。其主要由四大部分构成：人工震源、传感器单元、记录单元和分析处理解释单元，预报距离一般为100～150 m。TGP测量系统配备有专门的分析软件，分析软件的主要任务之一是对测量信号进行各种数字滤波、选择放大等，以获得清晰的反射波图像。分析软件的另一功能是将反射波图像所提供的信息与隧道的空间坐标结合起来，通过一系列的数学运算求出反射事件本身的空间位置以及与隧道的相对位置。

TGP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点（通常在隧道的左或右边墙，布置24个炮点用小炸药量激发地震波，布置一个或两个接收孔，分别接收24道激发所产生的反射波）。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收，记录单元以数字形式记录下来。通过TGPwin软件处理，便可了解隧道工作面前方地质体的性质（软弱带、破碎带、断层等）和位置及规模。TGP系统装配如图6—30所示。

图6—30　TGP系统装配

TGP数据是利用配套的专用TGPwin软件进行处理。TGPwin软件中数据处理流程有11个主要步骤，包括频谱分析、带通滤波、能量均衡、纵横波分离、速度分析和偏移归位等。处理结果可以提供在探测范围内地震反射层的2D或3D空间分布，同时还可以显示与其相对应的岩石力学参数和岩石强度指标。根据反射波的组合特征及其动力学特征、岩石物理力学参数等资料来解释和推断地质体的性质（岩溶、岩层软弱带、断层带、节理裂隙带、含水等）。

使用TGP地质超前预报系统的好处在于，了解前方存在的地质危险带情况，赢得施工和后勤保障的时间，使隧道开挖设备因停工带来的损失最小，确保支撑隧道的岩石牢固可靠，改善工地的安全，有利于缩短工期，节省费用。

②地质雷达原理与方法。地质雷达法是一种地下甚高频～微波段电磁波反射探测法。其探测原理（图6—31）是：发射器通过发射天线向地下（隧道前方）定向发射电磁波，电磁波在传播的路径上当遇到有电性（介电常数和电导率）差异的界面时即发生反射，反射波由接收器接收，在时域上得到反射回波及其往返旅行时间，并首先沿两天线所在表面形成直达波被最先接收到，作为系统起始零点。取反射波往返时间之半，乘以相应介质的雷达波速度便得出反射目标所在深度，再根据反射波的形状、幅度及其在横向和纵向上的组合特征和变化情况，结合地质背景，判断目标性质即进行目标识别，进行地质解释，如断层破碎带、溶洞等。

地质雷达的工作频率越高，波长越小，探测距离越近，分辨率越高，反之亦然。因此，根据不同的工程要求按其功能可分为超前地质预报雷达和结构检测雷达。(www.daowen.com)

图6—31　地质雷达组成及原理框图

3）预报实施方案

对于隧道洞口段（30～70 m），采用地质雷达进行短距离预报。待隧道开挖满足TGP地震探测仪（70 m）探测要求时，则采用TGP进行长距离探测，同时用地质雷达做中短距离探测，以便相互印证。地质雷达测线布置如图6—32所示。TGP观测系统如图6—33所示。

图6—32　地质雷达测线布置

图6—33　TGP观测系统

4）工作计划

地质雷达每30 m左右预报一次，搭接5～10 m；TGP每次探测100 m，与上次探测搭接20 m。发现岩溶、富水高压带及其他不良地质要加密探测，将几种方法的探测结果对比验证。

5）探测报告的内容及格式

（1）内容

包括工程概况、使用仪器及探测原理、掌子面地质情况、工作参数、探测结果、结论及建议、有关图件。

（2）格式

A4版面，包括封面、目录、正文及有关附图。

6）仪器设备

仪器设备见表6—19。

表6—19　仪器设备