隧道地質條件非常復雜，施工中常遇有不確定的地質因素，容易造成各種突發(fā)事故，應用超前地質預報技術，可以防止和減少突發(fā)事故的出現，確保施工質量和安全。本文針對巖溶隧道超前地質預報技術進行了探討，其中主要分析了地質雷達法的應用。
關鍵詞：巖溶隧道；超前地質預報；技術；地質雷達法
前言
隨著經濟水平以及科學技術的增強，地鐵包括隧道等一系列地下工程也得到了相應的進步，由于隧道的地質條件非常復雜，所以，在施工過程中應用超前地質預報技術非常重要。
1超前地質預報的目的
（1）復查隧道地質情況，以便更好的指導隧道施工。
（2）降低地質災害發(fā)生的機率和危害程度。
（3）為優(yōu)化工程設計提供依據。
（4）保障施工安全，預防質量事故和安全事故的發(fā)生。
（5）為編制竣工文件、繪制竣工圖提供依據和相關資料。
2超前地質預報技術的方法
目前，人們普遍都很關注隧道超前地質預報問題，其預報技術和方法也非常多，各種方式都具有其自身的特征，怎樣得到更加準確合理的預報結果，關鍵是要按照地質條件和環(huán)境使用相應的預報方法。巖溶隧道超前地質預報是以地質調查法為基礎，采用鉆探法、物探法相結合的綜合超前地質預報方法。
2.1地質調查法
地質調查法是一種傳統(tǒng)的、實用和基本的超前地質預報方法，具有綜合和指導其它預報方法的作用。此種方法操作非常簡單，對施工不會造成很大影響和干擾，可是其適用范圍非常有限，一般多用在埋深淺并且地質條件簡單的隧道，準確性非常高。如果隧道構造非常復雜或者屬于深埋性，那么這個方法操作難度非常大，只能進行定性分析，所得結果準確性有所欠缺。
2.2物探法
（1）地震波反射法（TSP）
TSP技術是通過事先在隧道里使用小量炸藥，把其用作震源，當震源傳出的地震波遇到節(jié)理面和地層界面時，會有相應的反射波存在，而有關界面產狀以及其性質關系到反射波的傳播方向、波形、速度、延遲時間等。通過數據采集系統(tǒng)收集和處理，然后實施計算，最后形成能夠體現地質體或者界面狀況的平面圖、隧道剖面圖以及地震記錄圖。
（2）地質雷達法
地質雷達法指的是通過應用連續(xù)掃描電磁波反射曲線疊加法，經過在隧道掌子面前方電磁波的反射和傳播，利用所測反射脈沖波實施反射面和隧道掌子面間的距離計算。由于電磁波對水十分敏感，所以在斷裂帶，特別是破碎帶或者含水帶，地質雷達識別能力非常高。但這種方法也有一定的不足存在，其探測距離相對非常短，并且極易遭受隧道內機電設備和金屬的影響、干擾，最終影響到探測的精度。本文主要針對地質雷達法的應用進行深入的討論。
（3）紅外探測法
紅外探測法主要適用于定性判斷探測點前方有無水體存在及其方位，不能定量給出水量大小等參數，每25m一次，一次范圍為30m，兩次重疊長度應在5m以上。
2.3鉆探法
（1）加深炮孔
加深炮孔是利用風鉆或鑿巖臺車等在隧道開挖面鉆小而淺的孔獲取地質信息的一種方法，各種隧道的地質探測均適用，特別適用于巖溶發(fā)育區(qū)。加深炮孔不得在爆破殘眼中實施，其孔徑宜與爆破孔相同，孔深較爆破孔加深3m以上?？讛?、孔位應根據開挖斷面大小和地質復雜程度確定，在復雜地段根據具體情況適當增加加深炮孔的孔數。
（2）超前鉆孔
超前鉆孔就是要通過鉆孔來探明開挖面前方有無不良地質和特殊巖土及其發(fā)育情況，有無斷層破碎帶及其發(fā)育規(guī)模，有無發(fā)生突水、突泥的可能，以及其它特殊目的探測。根據探測目的，盡可能采用沖擊鉆，必要時采用回轉取芯鉆。地質情況的判別要根據鉆進的速度、卡鉆情況、鉆桿震動情況、回轉取芯的巖芯、沖擊鉆產生的巖粉、沖擊器工作時的聲響等來判斷。
3超前地質預報中應該注意的問題
3.1物探的前提
由于巖溶隧道中出現的不良地質體，例如溶蝕裂隙帶、溶洞和富水巖溶管道等，和周圍介質存在明顯的介電常數差異，進而在雷達剖面上形成明顯的雷達異常反射信號。通過分析異常信號特征，實現對隧道掌子面前方不良地質體性質的判釋。
3.2適用的條件
盡管地質雷達法廣泛應用于巖溶隧道超前地質預報中，但其并不是在任何情況下都能適用并取得好的探測效果，其關鍵的兩個電性參數為介質的相對介電常數和電導率。巖溶隧道超前探測中，圍巖的含水情況對介質的介電常數和電導率影響較大。所以，一般情況下，在電導率較小的灰?guī)r隧道掌子面上探測，地質雷達法能獲得更遠的探測距離，從而優(yōu)于其它短距離超前預報方法。反之，地質雷達探測距離受限，效率不高。
3.3測線布置和數據采集模式
原則上，隧道掌子面地質雷達測線的布置采用“#”或“豐”字形。然而，當隧道采用臺階法開挖或預留核心土開挖時，測線的布置受隧道空間位置和現場條件的限制，變得相對艱難。即使如此，地質雷達探測應在掌子面至少布置2條水平測線，增大探測范圍和驗證雷達異常。必要的時候，應在隧道兩側邊墻部位適當距離范圍內增加測線。
隧道掌子面較平整時，多采用連續(xù)掃描的測量方式。當掌子面平整度較差時，多通過點測方式（測點間距應控制在10～20cm）進行數據采集。綜合考慮雷達探測效果、可實施性和安全等因素，數據采集宜采用點測和連續(xù)掃描測量相結合的方式進行。
3.4參數的選擇
隧道掌子面地質雷達探測中，為獲得較大的探測深度（距離），一般使用中心頻率為100MHz或低于100MHz的天線。現場具體工作中，常使用中心頻率100MHz的屏蔽天線。
時窗的選擇，一般可根據電磁波探測目標體的最大距離雙程走時的1.2～1.3倍確定。目前，業(yè)內人士多采用600～700ns的時窗設置。然而，在含水量較豐富的掌子面探測時，電磁波有效反射信號多在200ns以內，時窗設置為600～700ns則不適宜。所以，為保證探測效果，讓大部分電磁波有效信號顯示在采集界面窗口中，時窗的設置要根據現場情況調試而確定，不要受“固定思維模式”的影響，為了出具長距離的技術報告而忽略了雷達數據的有效性和可靠性。
3.5資料的后處理
完整的地質雷達數據處理流程較多。然而，實際操作過程中，數據處理流程并不是一成不變的。正如之前所述，雷達測線受隧道空間位置和現場條件限制，往往測線長度較短，單洞雙線鐵路隧道跨度不過十幾米，輔助坑道則只有幾米，測量剖面獲取的雷達信號相對較少。固定的處理流程，可能會造成雷達剖面有效信息的過多丟失，不便于資料解譯。所以，數據處理過程中應盡量保持原始數據原貌特征。
4典型實例和圖像特征分析
4.1完整巖體雷達圖像
掌子面較完整的灰?guī)r，巖體均一性較好，介電常數差異很小。電磁波在巖體中傳播時，能量衰減緩慢，雷達反射波強度很弱，沒有明顯的反射界面。雷達圖像中反射波形特征表現為：波形均勻且低幅高頻，僅在局部存在稍強反射亮點，如圖所示。
4.2溶蝕裂隙帶雷達圖像
溶蝕裂隙中或為空氣、泥質等方式填充，巖體均一性差，介電常數差異較大。電磁波傳播中遇到溶蝕裂隙帶時，能量衰減較快，特別是高頻部分，增強了雷達反射波振幅且具有很大的變化，波形均一性差，同相軸斷斷續(xù)續(xù)不連續(xù)。電磁波在溶蝕裂隙帶內產生的反射、繞射和散射等，使得雷達反射信號波形非常雜亂，并且同相軸連續(xù)性很差，反射波頻率成分復雜。如圖，其中虛線區(qū)域表示溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)。
4.3溶洞雷達圖像
溶洞的雷達圖像特征跟溶洞形態(tài)、規(guī)模有關。在空溶洞的地質模型上電磁波衰減相對較緩，溶洞邊界處常形成強烈的高頻反射波，且伴隨雙曲線形態(tài)的反射波組出現。由于在溶洞體內幾乎沒有反射信號，溶洞的前界面位置容易確定，但溶洞的后界面不易識別。下面第一張圖中，電磁波在掌子面前方約370ns處形成連續(xù)的強烈反射界面，溶洞的前界面容易識別，但溶洞的后界面不易確定。綜合上述圖像特征，判釋為空溶洞（溶縫）。下面第二張圖中，電磁波在掌子面前方約210ns處形成2個強烈的雙曲線形反射界面，雙曲線頂端開口平緩，顯示溶洞規(guī)模較大。類似前面所述圖像特征，判釋為大型空溶洞或溶洞群。如圖。其中虛線表
4.4富水巖溶管道雷達圖像
灰?guī)r地層中巖溶發(fā)育強烈時，巖溶的發(fā)育已成規(guī)模，隧道開挖過程中，可能遇到已形成的較為大型的巖溶暗河和管道等。由于圍巖中富含水，電性差異大，電磁波衰減快，雷達反射波形成強烈的低頻反射。如下圖所示，電磁波在掌子面前方約300ns之后的反射波波形寬闊，振幅強烈，表現為強烈的低頻反射振蕩信號（虛線區(qū)域所示），判釋為巖溶管道富水區(qū)域。
5超前地質預報注意事項
（1）施工過程中應遵循動態(tài)調整原則，根據具體掌子面的開挖地質情況和超前地質預報成果，及時調整超前地質預報方法和技術。
（2）施工中應根據超前地質預報的結果，進行綜合分析研究，制定相應的工程預案。
（3）由于巖溶隧道部分地段穿越可溶巖地層，隧道開挖后，仰拱施作前應對隧道基底隱伏巖溶進行探測，并根據探測結果采取合理可行的處理措施。
6結論
（1）超前地質預報中，適當決定數據的采集方式和設置時窗，優(yōu)化數據后處理過程，能最大程度發(fā)揮地質雷達的有效性。
（2）溶蝕裂隙帶的雷達圖像特征主要為波形均一性差，同相軸斷斷續(xù)續(xù)，振幅增強且變化大。溶洞的雷達圖像特征主要為溶洞邊界處常形成強烈的高頻反射波，且伴隨雙曲線形態(tài)的反射波組。富水巖溶管道的雷達圖像特征主要為低頻強烈反射，信號衰減快。進行雷達圖像中波形、頻率、振幅和信號能量衰減等特點的對比分析。
7結語
隧道巖溶問題是隧道施工過程中的突出問題。在隧道工程中利用超前地質預報技術，利用各種手段和技術預報隧道掌子面前方地質狀況，能夠保障順利完成隧道的施工和安全，在一定程度上還能夠防止影響和破壞周圍的生態(tài)環(huán)境。
