邵珠山，張鵬舉，張 喆，魏 瑋，喬汝佳

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055； 2.陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055；3.西安建筑科技大學(xué) 理學(xué)院，西安 710055)

1 研究背景

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的快速發(fā)展、共建“一帶一路”的推進(jìn)以及川藏鐵路重大工程的開展，隧道工程及地下空間技術(shù)水平發(fā)生顯著的提高，中國將成為世界上隧道建設(shè)數(shù)量最多、難題最大、難度最高的國家。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年底，中國投入運(yùn)營的鐵路隧道就有16 084座，總長度達(dá)到18 041 km,長度超過20 km以上的特長鐵路隧道共有11座，其中西格線上的新關(guān)角隧道長度達(dá)到32.69 km，中國已經(jīng)成為名副其實(shí)的高速鐵路大國、隧道大國[1-2]。隨著公路、鐵路、水利、礦山、跨海等高難度隧道工程的發(fā)展，伴隨距離特長、埋深特深、地質(zhì)條件特復(fù)雜而產(chǎn)生的隧道施工不安全問題隨之增多。隧道工程建設(shè)過程中巖爆、大變形、大面積塌方、突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害事故頻發(fā)，造成人員傷亡、設(shè)備損失、工期延誤和工程失效[3]。目前，川藏鐵路重大工程正在施工，其地處地球多圈層內(nèi)外動(dòng)力強(qiáng)烈耦合作用區(qū)，在隧道建設(shè)過程中針對裂隙、斷層、溶洞、地下水、破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)條件的超前地質(zhì)預(yù)技術(shù)也將面臨巨大挑戰(zhàn)。

自20世紀(jì)60—70年代起，人們開始意識到超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對于隧道施工的重要性。起始只有超前導(dǎo)洞、超前鉆探為主的地質(zhì)調(diào)查法被應(yīng)用于隧道探測工作。但由于地質(zhì)調(diào)查法的局限性，人們開始注重超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的理論、技術(shù)研究，相繼研發(fā)出包括地震波法、電磁法、直流電法、紅外探測技術(shù)等無損地球物理超前探測技術(shù)。迄今為止，基于鉆爆法施工的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)已經(jīng)成熟，許多新型物探技術(shù)也在試驗(yàn)驗(yàn)證中，隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)朝著定量化、綜合化方向快速發(fā)展[4]。

筆者通過大量文獻(xiàn)閱讀，在各位學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的技術(shù)原理、模型模擬及試驗(yàn)研究的最新成果進(jìn)行闡述，并介紹以地震干涉法為主的新型地震波法超前預(yù)報(bào)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及技術(shù)前景，建立綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)體系，預(yù)測超前地質(zhì)預(yù)報(bào)未來的發(fā)展趨勢，為廣大研究人員提供參考。

2 鉆爆法施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工作，是設(shè)計(jì)階段地質(zhì)勘察的補(bǔ)充和延伸，是保證隧道施工安全的重要環(huán)節(jié)和重要技術(shù)手段。目前，國內(nèi)外基于鉆爆法施工隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)已經(jīng)成熟，主要包括地質(zhì)分析法、地震波法、電磁法、直流電法以及紅外探測等其他方法，見表1。

表1 鉆爆法Table 1 Drilling and blasting method

2.1 地質(zhì)分析法

地質(zhì)分析法即直接預(yù)報(bào)法，是隧道施工最基礎(chǔ)的一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法，主要利用對隧道周圍地質(zhì)構(gòu)造判斷的原理，對施工前方的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行粗略、宏觀的預(yù)測預(yù)報(bào)，見表2。

表2 地質(zhì)分析法Table 2 Geological analysis method

2.2 地震波法

TSP(Tunnel Seismic Prediction)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是由瑞士Amberg公司研制的一款產(chǎn)品，屬于反射地震波法。通過人工震源產(chǎn)生的球面波沿隧道軸線方向向掌子面前方傳播，當(dāng)遇到地層界面、溶洞、裂隙等不良地質(zhì)體時(shí)，將產(chǎn)生反射波。根據(jù)反射波的反射時(shí)間、傳播速度、強(qiáng)度、波形和方向等通過不同的數(shù)據(jù)形式表現(xiàn)出來，然后被高靈敏傳感器接收，通過電腦處理來預(yù)測掌子面方不良地質(zhì)體的相關(guān)性質(zhì)與產(chǎn)狀[12-13]。如圖1所示。

王樹棟[14]通過改善TSP系統(tǒng)在隧道中的布置方式以提高TSP的準(zhǔn)確性。周黎明等[15]基于深度偏移成像理論，對TSP的結(jié)果進(jìn)行3D成像，更加直觀地反映不良地質(zhì)體在隧道工作面前方的分布形態(tài)。Liu等[16]提出了一種新型3D超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成像系統(tǒng)，并通過現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)成像能量更加聚集，可以有效抑制偽影的產(chǎn)生，更加準(zhǔn)確地對隧道前方不良地質(zhì)體進(jìn)行定量分析，其觀測方式如圖2[16]所示。TSP作為長距離地震波探測方法之一，可以有效探測裂隙、熔洞、斷層等不良地質(zhì)體。但由于對含水不良地質(zhì)體識別能力差，且廣泛應(yīng)用的檢波器線性布設(shè)方式經(jīng)常產(chǎn)生鏡面?zhèn)斡?，容易誤報(bào)，因此新型三維成像技術(shù)是未來TSP應(yīng)用的大勢所趨。

圖2 新型3D成像系統(tǒng)觀測方式[16]Fig.2 Observation mode of new 3D imaging system[16]

美國研制的TRT(True Reflection Tomography)技術(shù)[17]與中國研發(fā)的TST(Tunnel Seismic Tomography)技術(shù)都是通過空間觀測方式對掌子面前方的不良地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)，其觀測方式如圖3[18]所示，原理示意如圖4所示。兩者唯一區(qū)別是TST技術(shù)是通過設(shè)置炮孔產(chǎn)生的地震波傳播，而TRT技術(shù)是通過人工敲擊產(chǎn)生的彈性波傳播。

圖3 TRT觀測方式[18]Fig.3 Observation mode of TRT[18]

圖4 TRT原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of TRT

蔣輝等[19]將TST進(jìn)行空間陣列式排列，并通過方向?yàn)V波、速度掃描和合成孔徑成像等核心專業(yè)處理技術(shù)，從隧道內(nèi)的三維波場中濾除側(cè)向反射波，從根本上避免了漏報(bào)誤報(bào)問題。周振廣等[20]將TST與TBM相結(jié)合，在TBM掘進(jìn)深埋長水工隧道實(shí)際工程應(yīng)用中，獲得良好的預(yù)報(bào)結(jié)果。白明洲等[21]將TRT系統(tǒng)成像結(jié)果分為4類異常區(qū)，指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)與施工。TRT與TST可以提供地質(zhì)構(gòu)造偏移圖像和圍巖速度分布圖像，有利于提高預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性[22]。但這些方法屬于地震波反射類方法，難以對含水構(gòu)造進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。

陸地聲吶法是“陸上極小偏移距(震-檢距)超寬帶彈性波反射超短余震接收系統(tǒng)連續(xù)剖面法”的簡稱，是鐘世航[23-25]團(tuán)隊(duì)于1990年提出、1991年實(shí)現(xiàn)的具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的彈性波反射法勘查新技術(shù)。采用錘擊的方式激發(fā)彈性波，在激震點(diǎn)旁設(shè)檢波器接收被測物體的反射波，實(shí)現(xiàn)自激自收，可以激發(fā)和接收10～4 000 Hz的波(如圖5所示)。該方法無需打孔、放炮，安全方便，干擾波少，圖像分辨率高，反射波能量大。

圖5 陸地聲吶法原理示意圖和觀測方式Fig.5 Principle schematic diagram and observationmethod of Land Sonar Method

2.3 電磁法

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar)是一種短距離有效探測地下水的預(yù)報(bào)方法，它利用電磁波雙程走時(shí)的長短差別來確定前方地質(zhì)體的形態(tài)和屬性[26]。在實(shí)際應(yīng)用中，地質(zhì)雷達(dá)能較好地反饋前方圍巖性質(zhì)的變化，對裂隙密集帶、斷裂破碎帶等不良地質(zhì)體的識別上，有一定的優(yōu)勢，對巖溶、含水體作用明顯。但地質(zhì)雷達(dá)的探測距離過短，探測過程中易受其他雜波干擾，且對于不良地質(zhì)體垂直發(fā)育情況以及傾斜角度方面存在一定的局限性，影響預(yù)測結(jié)果[27-31]。其觀測方式如圖6[18]所示。

圖6 地質(zhì)雷達(dá)法觀測方式[18]Fig.6 Observation modes of GPR prospecting[18]

瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method,TEM)，是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地電極觀測地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場，從而探測介質(zhì)電阻率的一種方法[32-34]，其裝置示意圖如圖7[32]所示。

圖7 TEM工作裝置示意圖[32]Fig.7 Diagram of TEM working device[32]

薛國強(qiáng)等[35]通過正反演的推算，對TEM成像技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。孫懷鳳等[36]引入虛擬位移電流項(xiàng)以構(gòu)建顯式時(shí)域有限差分格式，以矩形回線的方式改進(jìn)了激發(fā)源，并考慮一次場計(jì)算和關(guān)斷下降沿的影響，使得其算法更加具有適用性。TEM利用“煙圈”效應(yīng)，用較小的場地探測大于發(fā)射場地10倍以上的深度，適用于在狹小的掌子面上探測掌子面前方較遠(yuǎn)距離。但是TEM在探查地下含水構(gòu)造時(shí)，在理論、技術(shù)方法和資料處理軟件等方面還需進(jìn)一步改進(jìn)[37]。

2.4 電 法

激發(fā)極化法(Bore-tunneling Electrical Ahead Monitoring,BEAM)本質(zhì)就是利用巖體本身及其含水率的差異，導(dǎo)致電性和極化特征的變化，在電場中的頻率響應(yīng)也會表現(xiàn)出明顯的差異[38],布置示意圖如圖8所示。李術(shù)才團(tuán)隊(duì)[39]研發(fā)了隧道超前探測專用激發(fā)極化儀器，對隧道含水地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測，建立了隧道含水地質(zhì)構(gòu)造超前探測三維成像與水量估算技術(shù)體系。該技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用較少，對隧道大規(guī)模水體的預(yù)測預(yù)報(bào)效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證[40]，在實(shí)際工程應(yīng)用中還需與其他方法結(jié)合起來，對隧道掌子面前方各種不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。

圖8 BEAM法超前探測測量方式Fig.8 Measurement modes of advanced detectionwith BEAM

直流電阻率法(Electrical Resistivity Methods，ERM)是以介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過人工激發(fā)的電場來觀測其規(guī)律的一種物探方法[41],如圖9[45]所示。

圖9 隧道直流電阻率法超前探測測量方式[45]Fig.9 Measurement modes of advanced detection bydirect current(DC) resistivity method in tunnel[45]

Park等[42]最早提出了基于有限差分法的三維反演算法，對三維電阻率反演方法進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究。Sasaki[43]將有限元與最小二乘法相結(jié)合，在最小二乘法中加入光滑約束，采用全反演和近似反演兩種方法進(jìn)行了三維電阻率反演。劉斌等[44-45]在三維電阻率反演成像及其算法優(yōu)化方面成果突出，將表征模型參數(shù)變化范圍的不等式約束作為先驗(yàn)信息引入最小二乘線性反演方法中，有效改善了反演結(jié)果的精度，降低了反演的多解性問題。直流電阻率法雖然對含水結(jié)構(gòu)探測效果顯著，但探測距離較短。

3 地震波干涉法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

地震波干涉法的研究最早由Clearbout[46]于1968年提出，筆者指出當(dāng)自由地表接收從底部傳來的透射地震記錄進(jìn)行自相關(guān)，等價(jià)于其自激自收模擬記錄(包括負(fù)時(shí)間記錄以及零時(shí)刻的脈沖響應(yīng))。將此結(jié)論推廣到非自激自收的情況，對自由地表的兩個(gè)不同的檢波器記錄到的信號互相關(guān)，可以得到以一個(gè)檢波器所在的位置為震源(虛震源)的新的地震記錄，這種新的成像方法被命名為日光法成像技術(shù)(Acoustic daylight imaging)[47-48]。Schuster[49-50]正式定義了地震干涉概念，指出該方法能有效反映出原始信號所不具備的一些特征，如提高信號比、把噪聲變成有用信號、反映復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造特征，并應(yīng)用地震干涉法對多次波進(jìn)行偏移獲得反射界面的構(gòu)造特征。

近年來國內(nèi)對地震干涉法的成像技術(shù)以及源定位技術(shù)研究較多[51-55]，但大多數(shù)都是針對于半無限空間探測地下結(jié)構(gòu)的干涉技術(shù)。吳豐收團(tuán)隊(duì)[56-57]將地震干涉技術(shù)應(yīng)用到隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，提出了基于多源地震干涉法的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)新技術(shù)(如圖10[56]所示)。并基于MATLAB平臺，采用有限差分法實(shí)現(xiàn)了巖溶、斷層兩種不良地質(zhì)體模型的隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)值模擬，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性與準(zhǔn)確性。汪旭等[58]采用多源地震干涉法在TBM施工環(huán)境下進(jìn)行理論效果模擬，通過不同參數(shù)對成像結(jié)果的影響進(jìn)行分析，為實(shí)際應(yīng)用提供進(jìn)一步指導(dǎo)。目前地震干涉法尚未實(shí)際應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)當(dāng)中，地震干涉法的高效性使得其技術(shù)應(yīng)用是未來隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的大勢所趨。

圖10 多源地震干涉法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)布設(shè)示意圖[56]Fig.10 Layout of multi-source seismic interferometry-based advanced geological forecast[56]

4 TBM施工隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

目前，隨著地下工程快速開挖的需要以及科學(xué)技術(shù)水平的顯著提高，TBM技術(shù)得到了快速發(fā)展。TBM最大的優(yōu)點(diǎn)在于其開挖速度快，一般速率為常規(guī)鉆爆法的3～10倍，可以最大限度地減少襯砌量和混凝土用量，在支護(hù)和襯砌兩個(gè)方面得益甚多[59-60]。

TBM施工技術(shù)有其復(fù)雜性與特殊性，掘進(jìn)機(jī)體積龐大，占據(jù)隧道大部分空間，隧道邊墻無法布置炮孔、激振點(diǎn)和傳感器，導(dǎo)致以地震波法為主的TSP、TRT等諸多技術(shù)難以應(yīng)用到TBM施工隧道中，如圖11所示。且掘進(jìn)機(jī)自身配備眾多的電氣設(shè)備，電磁環(huán)境極其復(fù)雜，導(dǎo)致其周圍電磁場產(chǎn)生巨大的變化，嚴(yán)重干擾掌子面前方的不良地質(zhì)體探測，使地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)及瞬變電磁技術(shù)無法正常使用。

圖11 TBM施工環(huán)境示意圖Fig.11 Schematic diagram of construction environmentusing TBM

迄今為止，研究者在以TBM施工環(huán)境下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的研究上已取得顯著的效果。綜合地震圖像系統(tǒng)(Integrated Seismic Imaging System，ISIS)是由德國國家地球科學(xué)研究中心研發(fā)的一種地質(zhì)超前探測技術(shù)，其原理如圖12所示。ISIS采用錘擊激發(fā)震源，其氣動(dòng)沖擊錘安裝在后盾開孔處，直接沖擊巖面產(chǎn)生地震波，沖擊能量可控，占用TBM的掘進(jìn)時(shí)間較少，數(shù)據(jù)處理簡單，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高，生成的3D圖像形象直觀，探測距離長[61]。

圖12 ISIS地震法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)原理Fig.12 Technical schematic diagram of ISIS method

將BEAM法應(yīng)用到TBM施工中是由GEOHYDRAULIK DATA公司研發(fā)出的技術(shù)。其特點(diǎn)之一是所有的裝置都安裝在TBM刀頭(測量電極)和外側(cè)鋼環(huán)(屏蔽電流)上。隨著隧道的掘進(jìn)，連續(xù)不斷獲得測量結(jié)果并實(shí)時(shí)處理，得出掌子面前方的PEE曲線，由此預(yù)報(bào)前方巖體的性狀及含水情況[62]。錢七虎[63]在基于鉆爆法超前探水預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，提出搭載于TBM的激化極化法，并將搭載TBM的三維激發(fā)激化法應(yīng)用在吉林引松超前預(yù)報(bào)中，效果顯著。

李蒼松等[64]研究了適用于TBM施工環(huán)境下的HSP聲波發(fā)射法地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)。利用TBM掘進(jìn)機(jī)刀盤切割巖石所激發(fā)信號作為HSP聲波反射法地質(zhì)預(yù)報(bào)的激發(fā)信號，并采用了相應(yīng)濾波技術(shù)。該技術(shù)在引紅濟(jì)石調(diào)水工程TBM施工段的應(yīng)用效果較好。李玉波[65]將三維地震波法應(yīng)用到引漢濟(jì)渭工程TBM施工中，結(jié)果表明，三維地震波法對隧道前方不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)預(yù)測有較好的正相關(guān)響應(yīng)。但該方法目前只能識別斷層、溶洞等不良地質(zhì)體，不能識別掌子面前方含水體的存在。

目前，基于TBM施工隧道超前的地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)種類較少，精確度并不高，不能滿足實(shí)際施工需要，究其原因，還是因?yàn)門BM機(jī)械自身的影響。在TBM施工環(huán)境中，人們普遍要求將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)與TBM機(jī)器本身結(jié)合在一起，朝著自動(dòng)化、一體化方向發(fā)展。將TBM與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，對高埋深、高地應(yīng)力隧道前方不良地質(zhì)的預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)將是巨大的提高。

5 隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

隨著技術(shù)水平的快速發(fā)展，隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)由單一的預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展成了綜合預(yù)報(bào)體系?，F(xiàn)階段，施工現(xiàn)場綜合多種地質(zhì)預(yù)報(bào)方法對隧道掌子面前方不良地質(zhì)條件進(jìn)行了探測，數(shù)據(jù)處理及預(yù)報(bào)結(jié)果更加準(zhǔn)確清晰[66]。

5.1 隧道綜合預(yù)報(bào)原則

隨著隧道開挖難度的增大，為確保施工質(zhì)量、保證人員安全，本文結(jié)合前人的研究成果，建立“地質(zhì)調(diào)查與物探技術(shù)相結(jié)合、長中短距離相結(jié)合、洞內(nèi)外相結(jié)合、定性與定量分析相結(jié)合、經(jīng)驗(yàn)法與專家系統(tǒng)分析相結(jié)合”五結(jié)合隧道綜合預(yù)報(bào)原則，對隧道前方不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。分述如下：

(1)“地質(zhì)調(diào)查與物探技術(shù)相結(jié)合”是指以TSP、TST、GPR、BEAM、TEM等物探技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，將地質(zhì)調(diào)查法、超前導(dǎo)洞法、超前鉆探法等地質(zhì)分析法相結(jié)合進(jìn)行綜合分析。

(2)“長中短距離相結(jié)合”是指在進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，將長距離地震勘探使用地震波法，中距離探測使用瞬變電磁法，短距離探測使用激化極化法、探地雷達(dá)探測法相結(jié)合，進(jìn)行綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)。

(3)“洞內(nèi)外相結(jié)合”是指在進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，將隧道外地表地質(zhì)調(diào)查法與隧道內(nèi)物探技術(shù)相結(jié)合，以洞內(nèi)預(yù)報(bào)為主，洞外預(yù)報(bào)為輔進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

(4)“定性分析與定量分析相結(jié)合”是指在進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，將探測結(jié)果進(jìn)行定性與定量分析相結(jié)合的方法，判斷出掌子面前方不良地質(zhì)體的構(gòu)造、位置、規(guī)模。

(5)“經(jīng)驗(yàn)法與專家系統(tǒng)分析相結(jié)合”是指在進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，以專家系統(tǒng)分析為主，經(jīng)驗(yàn)分析為輔對掌子面前方不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。

5.2 隧道綜合預(yù)報(bào)體系

在進(jìn)行隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，每種預(yù)報(bào)方法的探測原理、探測距離、探測范圍都不相同，其對隧道前方不良地質(zhì)體的地質(zhì)構(gòu)造的判別程度也不相同。根據(jù)不同地質(zhì)構(gòu)造的地球物理特性，以“地質(zhì)調(diào)查與物探技術(shù)相結(jié)合、長中短距離相結(jié)合、洞內(nèi)外相結(jié)合、定性與定量分析相結(jié)合、經(jīng)驗(yàn)法與專家系統(tǒng)分析相結(jié)合”五結(jié)合為原則，建立綜合超前預(yù)報(bào)體系，如圖13所示。

圖13 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系Fig.13 Integrated advanced geological predictionsystem

6 結(jié)論與展望

本文對國內(nèi)外隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)及工程應(yīng)用進(jìn)行了全面的梳理和總結(jié)，系統(tǒng)分析了地質(zhì)調(diào)查法、地震波法、電磁法、電法等方法的技術(shù)原理、優(yōu)缺點(diǎn)及最新研究成果，闡述了綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，結(jié)論如下：

(1)地震波干涉法能有效反映出原始信號所不具備的一些特征，應(yīng)用地震干涉法對多次波進(jìn)行偏移、反褶積可以更好地獲得反射界面的構(gòu)造特征，實(shí)現(xiàn)隧道的一次性預(yù)報(bào)。針對地震波干涉法新型物探技術(shù)的研究，目前還停留在理論與模擬上，仍需加強(qiáng)對干擾波的濾波處理，提高預(yù)報(bào)結(jié)果的精確性。

(2)TBM隧道施工環(huán)境復(fù)雜，對超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測設(shè)備的布設(shè)與信號接收有著特殊要求。目前常規(guī)TBM預(yù)報(bào)技術(shù)具有耗時(shí)、成本高、數(shù)據(jù)反饋慢的缺點(diǎn)，將探測設(shè)備更好地與全斷面掘進(jìn)機(jī)有機(jī)結(jié)合起來，提高數(shù)據(jù)的處理速度，可以有效提高隧道掘進(jìn)機(jī)的鉆井速度，提升整體效益。

(3)隧道施工過程中不良地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，現(xiàn)階段單一預(yù)報(bào)技術(shù)無法滿足預(yù)報(bào)要求，在未探索到更加全面的探測技術(shù)之前，應(yīng)當(dāng)結(jié)合多種地質(zhì)預(yù)報(bào)方法對隧道掌子面前方各種不良地質(zhì)條件進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)預(yù)測，確保施工安全。

(4)以“地質(zhì)調(diào)查與物探技術(shù)相結(jié)合、長中短距離相結(jié)合、洞內(nèi)外相結(jié)合、定性與定量分析相結(jié)合、經(jīng)驗(yàn)法與專家系統(tǒng)分析相結(jié)合”五結(jié)合為原則，建立了綜合超前預(yù)報(bào)體系，為隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)現(xiàn)場應(yīng)用提供參考。

盡管學(xué)術(shù)界在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)方面開展了大量的理論分析、模型模擬以及試驗(yàn)研究，但是將這些技術(shù)引入到實(shí)際工程應(yīng)用中的相對較少，大部分仍然停留在現(xiàn)場試驗(yàn)階段。將新型三維成像技術(shù)引入到實(shí)際工程應(yīng)用中，為隧道建設(shè)提供直觀準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果是大勢所趨。在未來隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的研究過程中，一方面要發(fā)揮傳統(tǒng)預(yù)報(bào)技術(shù)的優(yōu)勢，提高傳統(tǒng)預(yù)報(bào)技術(shù)的技術(shù)水平；另一方面，要積極創(chuàng)新，結(jié)合三維激光掃描、人工智能、大數(shù)據(jù)、BIM、5G通訊等前沿技術(shù)，提高隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能力，為工程提供更加精確的指導(dǎo)。