课题研究

目录

目录................................................................ 1 一、隧道超前地质预报研究的意义与背景................................ 4

1.1隧道超前地质预报研究的意义与背景............................. 4

1.1.1隧道超前地质预报概述 ................................... 4 1. 2 隧道超前地质预报的重要性与必要性 ........................... 5 1.3隧道超前地质预报的特点....................................... 9 二、地质超前预报在国内外现状....................................... 11

2.1隧道地质预报的发展.......................................... 11 2.2我国隧道超前地质预报技术的现状.............................. 11

2.2.1我国隧道工程超前探测技术的现状 ........................ 11 2.2.2 现状分析 .............................................. 12

三、国内常用的几种预报方法的原理及优缺点........................... 15

3.1TSP超前地质预报技术......................................... 15

3.1.1 原理................................................. 15 3 .1 .2优缺点分析 .......................................... 15 3.2负视速度法和TGP12 .......................................... 16

3.2.1负视速度法原理 ........................................ 16 3.2.2优缺点分析 ............................................ 17 3.3 地震CT技术 ................................................ 17

3.3.1 地震CT技术原理....................................... 17 3.3.1优缺点分析 ............................................ 18 3 .4 红外探水 .................................................. 18

3.4.1红外探水的原理 ........................................ 18 3.4.2优缺点分析 ............................................ 19

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3.5高密度电法.................................................. 19

3.5.1高密度电法的原理 ...................................... 19 3.6 超前地质钻孔 ............................................... 19

3.6.1超前地质钻孔原理 ...................................... 19 3.6.2 超前钻孔的优缺点...................................... 20 3.7常规地质素描法.............................................. 20

3.7.2优缺点分析 ............................................ 20 3.8、地质雷达 .................................................. 21

3.8.1地质雷达预报原理 ...................................... 21 3.8.2 影响雷达探测的因素.................................... 21 3.8.3对适用情况的认识 ...................................... 21 3.9 TST超前预报技术............................................ 22

3.9.1 TST超前预报技术原理： ................................ 22 3.10水平声波剖面法(HSP)........................................ 23

3.10.1水平声波剖面法(HSP)原理 .............................. 23 3.10.2优缺点分析： ......................................... 23 3.11常用超前地质预报方法的适用范围............................. 23 四、地质超前预报工作方法........................................... 25

4.1工作方法科学依据及其作用.................................... 25 4.2 补充地质调查 ............................................... 26 4.3 洞内地质调查和掌子面地质素描 ............................... 27

4.3.1 掌子面地质素描的主要内容.............................. 28 4.4 物探方法 ................................................... 28

4.4.1物探方法的选择． ...................................... 28 4.4.2掌子面探测的问题 ...................................... 29 4.5 探测成果分析 ............................................... 29

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4.5.1探测结果的分析 ........................................ 29 4.5.2界面性质的确定 ........................................ 34 4.6隧道工程岩体分级............................................ 35 4.7预报报告的内容及报告的提交.................................. 37

4.7.1 预报报告的内容........................................ 37 4.8验证施工开挖验证............................................ 38 五、超前地质预报工作的一些认识..................................... 39

5.1地质预报工作的不确定性...................................... 39 5.2地质预报工作的专业性........................................ 39 5.3 各种常用预报方法的环境与工序时间要求 ....................... 41 5.4 各种预报方法在各类隧道地质条件下的选择 ..................... 42 六 、隧道地质超前预报若干问题的讨论................................ 43

6.1地质工作在隧道地质超前预报中的作用.......................... 43

6.1.1隧道地质超前预报需要地质工作 .......................... 43 6.1.2地球物理探测结果分析离不开地质工程师的参与 ............ 44 6.1.3地质工作的详细程度决定预报准确率 ...................... 45 6.1.4验证地质工作是总结和提高隧道地质预报准确率的重要途径 .. 45 6.2地质与物探的结合............................................ 46 6.3 界面位置探测结果的产状修正 ................................. 46 6.4 隧道施工期地质超前预报的准确率 ............................. 47

6.4.1从业人员知识面 ........................................ 47 6.4.2严密的理论与极为复杂的地质体问的矛盾 .................. 48 6.4.3对隧道地质超前预报准确率的正确理解 .................... 48 6.5预报与预报探测设备仪器...................................... 49 6.6隧道地质超前预报存在的问题与展望............................ 50 参考文献........................................................... 52

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一、隧道超前地质预报研究的意义与背景

1.1隧道超前地质预报研究的意义与背景

随着公路、铁路、水利、矿山及其它工程建设的飞速发展，我国的施工隧道已大量地出现。截至1999年，我国仅铁路隧道就已达6876个，总长度为3670公里，为世界第一。作为隐蔽工程的公路隧道、铁路隧道、矿山隧道、输水隧道等在施工过程中，由于前方地质情况不明，经常会因遇到断层、破碎带、暗河、高地应力等不良地质体而导致塌方、泥石流、涌水、岩爆冒顶等地质灾害发生。这些灾害的出现，往往会影响施工进度，造成人员伤亡，给施工单位、国家和人民带来严重的经济损失。如1994年在尖山工程建设中，由于对前方地质灾害掌握不清，结果出现了塌方、涌水并伴随着大量泥石流出现，大大影响了工程进度，给尖山工程建设带来了严重的经济损失；天生桥二级水电站3条引水隧洞以及太平驿引水隧洞在施工过程中均多处发生过岩爆现象[2]，类似的地质灾害在许多中小工程型和大型隧道工程中都出现过[3]。此外，有些隧道不仅延伸很长，而且往往深埋于山体之中。对于这些埋藏很深的长隧道，由于其前期的地勘工作受到技术水平和经费的限制，因而在施工前不可能查清隧道围岩的地质情况。随着隧道工程施工的逐步深入，其安全隐患会一一暴露出来。这时需要在施工过程中采取有效方法，对前方不良地质灾害进行准确的超前预报，以便及时地修正开挖和支护设计方案，避免施工事故发生。

由此可见，隧道施工过程中的超前预报工作在隧道工程中的地位和作用都十分重要。

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1.1.1隧道超前地质预报概述

超前地质预报是地质勘察工作在施工阶段的延续，是在复杂地质情况工程安全事故多发条件下，为满足施工安全的需要而新兴的一门学科，是工程地质学的一部分，是覆盖物理探测、地质、钻探、试验等专业的一个综合学

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科。

施工地质超前预报就是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料，并运用相应的地质理论和灾害发生规律对这些资料进行分析、研究，从而对施工掌子面前方岩体情况及成灾可能性做出预报。

超前地质预报是隧道信息化的重要组成部分，施工阶段应将超前地质预测、预报纳入正常的施工工序中，根据工程地质、水文地质变化及时调整施工方法和采取相应的技术措施。

1. 2 隧道超前地质预报的重要性与必要性

隧道工程设计的基本依据是地质勘察资料，而隧道施工的依据主要是设计文件。大量的隧道工程建设实践表明，由于地质勘察精度、经费等诸多条件的限制，根据地质勘察资料做出的设计与实际不符的情况屡有发生，由此而来的隧道洞内塌方、涌水、涌泥、涌沙、岩爆、瓦斯爆炸等灾害时有发生，从而给隧道施工造成极大的危害。因此，在隧道施工期间，采用各种技术、手段和方法对隧道掌子面前方地质条件（情况） 进行及时准确的预测，是提前采取预防措施、避免灾害的发生或在一定程度上减少因灾害造成的损失、保证隧道施工安全的需要，同时也是当今环境生态保护给隧道工程建设提出的重要研究课题。一般而言，隧道在勘测设计各阶段，对隧道地质背景（条件）进行的地质调查、勘探，是对隧道地质条件的预估和预评价。对地质条件单一的短隧道而言，这一工作已足以提供设计与施工所需，无须在施工期实施超前预报工作，或只需在施工阶段采用地质法进行常规地质预报工作，完成施工地质资料的收集，建立完整的隧道工程地质资料。近年来随着我国国民经济的飞速发展和隧道工程技术的进步和铁路隧道工程建设在以前的“地质禁区”修建，隧道修建越来越长，在复杂地质条件下修建的隧道越来越多，所遇到的隧道工程地质问题越来越复杂。因此，对下列情况应进行地质超前预报，特别是施工期地质超前预报。

（1）深埋长大隧道。

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（2）地质复杂的隧道。 （3）水下隧道．

（4）可能存在大断层、岩络、大量涌水涌泥，岩爆、废弃矿巷、瓦斯突出等严重工程地质灾害的隧道。

（5）可能因开挖造成环境生态破坏的隧道。

（6）覆盖层太厚、植被良好不易进行地质调查和勘察的隧道，等等，则应进行地质超前预报，特别是施工期地质超前预报。

其原因：

① 勘测设计阶段的地质工作量投入所限。

② 勘测设计阶段的地址预估预评价是对隧道所处地质背景的宏观把

握，不可能对复杂的地质情况做出微观的把握。

③ 复杂长隧道的地质变化对施工方法和工期有决定性影响。

④ 人为作用（施工开挖）引起地质的变化只有在施工期才显现出来。 ⑤ 施工期间要求对地质的掌握不能只是停留在定性评价上，要有定量

的评价。

在我国，由于可行性研究阶段和勘测阶段投入的限制，依据既有地质资料和有限的钻孔地质资料、水文地质资料、物探资料及钻孔岩芯岩石物理力学试验资料所做出的施工设计与实际不符的情况不在少数，特别是在火成岩地区的隧道工程更是如此。

即便是在国外，尽管可行性研究和勘察工作深度远比国内深，且勘察阶段进行了大量的地球物理勘探，但设计与实际不符的情况仍在所难免。图1-1是土耳其伊斯坦布尔几座高速公路隧道和几座排污隧道设计与实际地质剖面对比情况。

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图1-1 土耳其伊斯坦布尔几座隧道设计与实际地质剖面对比

1.3隧道超前地质预报的特点

复杂地区修建长大隧道，由于不良地质发育的不确定性，在施工中进行超前地质预测预报工作，既是保证施工安全的需要，也是保证工期、节约工程造价的需要。

（1）作为一项安全施工措施，可以降低地质灾害发生的机率，确保隧道施工安全。由于进行预报，可进一步查清因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题，能够提前了解开挖面前方围岩的地质情况，并在施工中有针对性地采取预防措施，因此，能够有效地控制突泥、涌水、涌砂、坍方等地质灾害的发生，从而避免或减少由此造成人员及设备的损伤等。

（2）进行超前地质预报能够作为动态设计基础资料的获取手段，保证设计的质量。通过地质预报，可以获得开挖面前方存在的特殊地质现象，以及岩层的物性和力学参数，为设计支护参数的合理变更提供必要的依据。

（3）确保质量，控制投资。有了地质预报，能够及时了解隧道围岩存在的地质情况，提前对软弱岩层进行预加固，合理变更施工参数，确保隧道连续挖进，赢得施工时间。

（4）为编制竣工文件提供地质依据。虽然引入超前地质预报系统对保证隧

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道的施工安全起了一定的作用，但对不良地质体的确切位置的定位与确定不良地质发育的立体空间等方面还有一定的不足，这些还需要工程技术人员做进一步的努力。

由于隧道施工期地质预报是在隧道施工阶段采用各种方法、手段对隧道施工掌子面前方业已存在的，但又未知的地质条件作出科学的正确判断。因此，隧道施工期地质预报具有较强的综合性、系统性、未知性、实用性（指导性）和客观性。

（1）综合性。学科、专业的相互渗透、相互融合是现代科学发展的重要趋势。隧道地质预报也不例外，除了需要博采地质各专业之长，还要广泛吸取诸如入数学、物理学、概率论、计算机科学等相关专业学科的理论，在预报实施中采用多种方法、手段，要熟练掌握各种地球物理探测方法的使用原理、适用条件，要对各种隧道地质灾害的预防、治理措施有较系统和深入的认识。

（2）系统性。隧道地质预报的对象—地质体非常复杂，软夹层、断层及其破碎带、煤系地层及其填充物、废弃矿港及其填充物，等等，需要对其宏观分布、微观性质等进行全方位系统的研究，以准确揭示其分布规律。

（3）未知性。隧道掌子面前方地质体的分布、性质，在施工开挖揭示前是未知的，施工开挖的变化也是未知的，需要通过科学的预测法确定。

（4）实用性（指导性）。隧道地质预报直接为施工隧道服务。预报的准确与否直接关系到隧道施工的安全，严重的甚至关系到工程建设的成败。

（5）客观性。隧道地质预报采用的方法、依据的事实和做出的预报结论，应具有客观性。

（6）时效性。预报直接为施工服务，预报结构要及时反馈给施工单位、业主单位、监理单位及其工程相关各方，以便做出应对对策和措施。

隧道地质超前预报的特点决定了要做好隧道地质超前预报需要采用多学科的知识和各种各样的手段和方法，需要不同专业人员的配合。

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二、地质超前预报在国内外现状

2.1隧道地质预报的发展

隧道地质预报由来已久，国外如英、法、日、德等均将此列为隧道工程建设的重要研究内容，在隧道科研和勘察设计阶段主要采用钻探和大量的地球物理勘探方法（主要是地震反射法）开展地质预报工作，在隧道施工期主要采用水平超前钻探、TSP(地震反射)地质超前预报仪、高精度地震折射法等来实施地质超前预报工作。

对掌子面前方含水体位置预报方面，国外曾提出过岩体高温度预测法，但未见有成功预报报道。

2.2我国隧道超前地质预报技术的现状

在我国隧道施工期超前地质预报研究与20世纪50年代，时任铁二院川黔铁路凉风垭隧道施工设计配合组地质工程师的陈成宗先生根据隧道施工掌子面的地质情况，开展了对掌子面的预测预报，预报距离亦可达到30m；70年代，以我国工程地质界老前辈谷德振教授根据矿港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引发塌方的成功预报为序，真正开始了我国隧道施工期超前地质预报的研究和应用。

2.2.1我国隧道工程超前探测技术的现状

在我国隧道工程的勘察阶段，一般都要进行工程地质调绘、岩溶水文地质调查、综合地球物理勘探、水文试验、深孔钻探等大量地面调查和勘探测试工作。这些工作可基本查清隧道区域内的工程地质和水文地质情况，给设计部门提供一定的地质资料作为隧道工程的设计依据。但由于隧道是一个线状的隐蔽工程，且深埋于地下，其岩体的工程地质、水文地质条件复杂多变。限于目前的地质勘探

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水平，试图在工程勘察阶段就准确无误地查明其工程岩体的状态、特征以及可能发生地质灾害的不良地质体的位置、规模和性质是极其困难的，特别是在复杂的岩溶地区。因此，这些问题都必须依靠施工过程中的地质超前预报工作来解决。

隧道施工期的超前预报一般分为直接预报方法和间接方法两大类。直接预报方法主要有掌子面的超前钻探、超前平导法等，间接方法主要是多种类型的地球物理探测手段。

超前钻探法是运用钻孔台车从隧道掌子面向前打孔时钻进速度的变化，并结合岩粉和泥浆颜色来预测打眼深度范围内的地质情况的。该方法能直接揭示掌子面前方的地质特征；超前平导法（或导坑法）是通过在隧道中线附近先期贯通的一个综合性地质探洞来对主洞作进行直观的地质超前预报的，该方法曾在秦岭特长隧道修建中发挥过重要作用[4]。但由于上述两种方法都属于有损的探测和预报方法，其最大的缺点是费时费事、耗资巨大，有时甚至与隧道施工相冲突或遇到水体和瓦斯突出等灾害地质层时会造成意想不到的灾难，因而其在工程实践中的应用受到了很大的限制。鉴于这方面的原因，本文对这两种方法将不作过多的分析和讨论，而将着重讨论地球物理方法在隧道超前预报方面的现状和存在的问题。

2.2.2 现状分析

上述两类方法在我国隧道工程施工超前探测中虽然已经获得了很多成功的工程实例，及时为施工和设计单位提供了科学的参考依据，但实际上还存在很多问题。有损方法的缺陷是显而易见的，笔者在前面已作了分析，不再赘述。物理探测法虽具有快速无损、测试简便、费用低廉、可提供较大范围内地质体的几何性质和物理性质等优点，但隧道工程特有的探测条件要求物探技术能在狭小检测场地条件下进行大距离、高精度、快速准确的超前预报，现有的物理超前探测技术都难以完全满足。

地震反射法的探测距离虽然可长达百米以上，但探测精度低，且因探测对象

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复杂多变，各种杂波干扰严重，有效波的识别与分离十分困难，因而有时难以获得好的结果。目前应用较多的TSP-202（或TSP－203）隧道地震超前预报系统，在地质结构复杂、波阻抗差异不大的情况下就存在这样的问题。由于掌子面的尺寸相对探测对象的距离来说要小得多，因此隧道内的地震波场是三维波场。在这种情况下，偏移成像和物性结构反演成像相互迭代是解决问题的重要途径，速度参数的获取是复杂结构探测的核心问题。但就目前情况来看，一些反演精细速度的方法尚未实用，先进的波场分离技术亟待开发，这使得TSP-203超前预报探测系统在复杂探测条件下难有作为。因此，目前我国工程界目前对TSP法的评价褒贬并不一致。较为一致的看法是，对与隧道呈大角度相交的面状软弱带，如断层、软弱夹层、地层分界等其探测效果较好，但对不规则形态的地质缺陷如溶洞、暗河及含水情况等其探测效果均不理想。

探地雷达法的探测速度虽然相对较快，但其存在的三个问题是致命的缺陷： 1.探测距离与分辨率的矛盾无法克服。众所周知，目前所有的波动类（弹性波和电磁波）物理探测方法的探测距离与分辨率二者之间均存在难以调和的矛盾。即探测距离的加大是以牺牲分辨率为代价的，反之亦然。由于现有探地雷达的频率都比较高，因而其探测距离都不能满足大距离隧道超前预报的要求。有鉴于此，现行的隧道超前预报大多将探地雷达与地震反射法配合使用，前者用于小距离的高精度探测，后者用于大距离的超前探测，二者相互补充、取长补短；

2.多次波及其他杂波干扰严重，原始记录的信杂比低，有效波的识别及其成果解译十分困难。由于现行探地雷达都是单发单收，故目前较成熟的相干技术不能应用，这使得在较为复杂的情况下，其资料的分析解释十分困难，有时甚至无法解释；

3.所获得的被探测对象的空间信息量太少，其资料成果的解释往往存在多解性。这个问题是显而易见的，因为现行探地雷达没有扫描探测的功能。

上述三个问题是现行探地雷达在隧道超前预报中不能充当重要角色的根本原因。

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水平声波剖面法目前虽是铁路系统应用较为广泛的一种方法，但由于该方法实际上还是地震波反射法的一种，因而其TSP法所面临的的部分技术问题水平声波剖面法同样存在。实践表明，在地质条件不太复杂的情况下，该方法对掌子面前方50米内的地质状况的预报比较准确。

陆地声纳法目前还很不成熟，存在的问题有三：一是采集的数据的通道一般只有两道，现成的多道叠加技术用不上，因而信杂比较低；二是缺乏速度参数，对夹层定厚的人为因素较大，多层情况下的探测效果更差；三是实际工作中并不能做到真正的垂直反射，沿岩面传播的表面波和前方地质界面反射回的各种转换波实际上还是会被接收器所接收，因而波现象往往很复杂，此时依靠同相轴来划分异常通常会出错。

红外探水法对预报掌子面前方有无潜伏的含水体是有效的，但对含水层的位置、赋水形态、出水量都无法知晓，对无水情况下的地质灾害则难以预报。

综上所述，可认为当前所应用的地球物理探测方法在隧道超前预报中均存在不同程度的问题和缺陷。实际工作中，欲取得好的预报效果，还需对这些方法进行完善改进，并结合具体情况，将上述多种方法优化组合，综合运用。与此同时，还要考虑开发和引进一些新的隧道超前预报方法。

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三、国内常用的几种预报方法的原理及优缺点

3.1TSP超前地质预报技术 3.1.1 原理

TSP超前地质预报系统是专门为隧道与地下工程超前地质预报研制开发的设备，它为方便快捷地预报掌子面前方100～350m范围内的地质情况提供了一种强有力的方法和工具。TSP(Tunnel Seismic Prediction)超前预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧洞掌子面前方及周围临近区域的地质情况。该法属多波多分量探测技术，可以检测出掌子面前方岩性的变化，如不规则体、不连续面、断层和破碎带等。

3 .1 .2优缺点分析

（1）适用范围广，适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。

（2）预报距离长，能预报掌子面前方100～350m范围内的地质状况，围岩越硬越完整预报长度就越大。

（3）对隧道施工干扰小，它可在隧道施工间隙进行，即使专门安排此项工作，也不过40分钟左右。

（4）提交资料及时，在现场采集数据的第二天即可提交正式成果报告。它设计了一套专用处理软件，将复杂多解的波形分析转换为直观的单一解的波形能量分析图。将隧道顶部和底部的波形能量分析图分析确定之后，就可得出断层破碎带、软弱夹层或其它不良地质体相对于隧道的空间位置，计算机就会自动绘出弹性波速度有差异的地质界面相对于隧道轴线的地质平面图和纵断面图。

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（5）预报准确性，其预报地质体距离掌子面的位置是根据24个爆破孔与接收器之间的弹性波速度的平均值和地质体反射波到达接收器的时间来确定的，由于弹性波速度的差异而导致地质体预报位置与实际情况有所差异。

（6）预报精度高，它所能反映出的地质体的宽度是根据采样间隔和岩体弹性波速度来确定的，如采样间隔取80μs，弹性波速度为5000m/s，则能预报出的地质体的宽度为0.4m。

（7）预报断层、弱硬岩接触面等面状结构反射信号较为明显，而预报溶洞等点状地质体则不尽如人意，因其计算软件针对面状异常体设计，对点状异常体（如小溶洞等）反应不明显。

3.2负视速度法和TGP12

上世纪90年代初开始了进行专门的研究工作，并称为“负视速度法”。他的工作原理与TSP预报系统是完全一样的，差的是商业化和一些巧妙的设计和强大计算功能的软件。

3.2.1负视速度法原理

它是将地震勘探中VSP法应用于近水平的隧洞中，也是利用地震反射波特征来预报隧洞开挖面附近围岩的地质情况。在侧壁的一定范围内布置激震点进行激发，其振动信号在隧洞围岩内传播，当岩层波阻抗发生变化时，地震波信号将部分返回。反射界面与测线直立正交时，所接收的反射波与直达波在记录图像呈负视速度，其延长线与直达波延长线的交点即为反射界面的位置，纵、横波共同分析还可了解反射界面两侧岩性及软硬程度的变化。

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3.2.2优缺点分析

该法具有明显的方向特征，可有效区分掌子面前方反射信号与周围干扰信息，提高了识别物性界面的精确度，能对其进行较为准确的定位，预报距离可达100ｍ以上。

（1）TGP是集放大、转换、采集、存储、控制为一体的全密封防水防震的物探设备；优于利用微机与机箱装配式结构的仪器，TGP适合在恶劣的隧道环境中使用。

（2）TGP的三分量速度型检波器具有高灵敏度，指向性强和较宽的频带响应等特点，优于压电晶体型检波器，因而表现在拾取的地震波信号具有高的质量品质。TGP孔中接收检波器采用黄油耦合，方便、经济、快捷。优于在钻孔中需要锚固异型钢导管的方式。2米长的钢导管难于携带、运输，价格昂贵，一次性使用，费事费工费财。

（3） TGP的地震波采集触发是开路触发方式，即信号线在雷管引爆炸药的同时被炸断，信号线同时开路触发仪器采集，仪器采集无延时差，保证定位的准确性。超前预报仪器若采用起爆器电脉冲同时触发电雷管和触发主机采集的方案，由于电雷管起爆的延时时间难于做到一致，因此会造成仪器采集的走时误差，这种触发方式在我国的地震波勘探规程中明确规定不宜使用，更何况隧道岩体的速度比覆盖层介质的速度高出几倍以上，以岩体波速4500米/秒 ~ 5500米/秒为例计算，每一毫秒的读数误差则会造成2~3米的预报距离误差，一般瞬发电雷管的延时误差不止一毫秒，因此由20多次激发的平均线计算隧道岩体速度，和由存在误差的时间计算预报的距离，两次误差的乘积造成的误差是不容忽视的。

3.3 地震CT技术

3.3.1 地震CT技术原理

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目前隧道反射地震CT技术开始发展成熟，代表性的工作是美国NSA工程公司近年来开发的TRT技术，全称是“真正反射层析成像”（True Reflection Tomography），在欧洲、亚洲开始应用。TRT方法在观测方式和资料处理方法上与TSP和负视速度法有很大不同。在观测上TRT采用空间多点接收和激发，以充分获得空间波场信息，在资料处理方面采用速度扫描和偏移成像。这种方法对岩体中反射界面的定位、岩体波速的分析的精度都有所提高。

3.3.1优缺点分析

TRT(True Reflection Tomography)真地震反射成像法是利用岩体中不均匀面的反射地震波进行超前探测，它采用空间多点激发和接收的观测方式，其检波点和激发点呈空间分布，以便充分获得空间场波信息，从而使前方不良地质现象的定位精度大大提高；它的数据处理关键技术是速度扫描和偏移成像，不需要走时，因此，对岩体中反射界面位置的确定、岩体波速和工程类别的划分都有较高的精度，而且还具有较大的探测距离，应该说较TSP法有较大的改进。由实际应用知，TRT法在结晶岩体中的探测距离可达100～150m，在软弱的土层和破碎的岩体中尚可预报60～100m。该法成功应用的例子很多，较典型的是奥地利的通过阿尔卑斯山的铁路双线隧洞施工中进行了全程的超前预报。

3 .4 红外探水 3.4.1红外探水的原理

红外探测技术是地质综合预报的的一种，可以定性的判释隧道掌子面前方是否存在含水构造。工作原理，在隧道中，围岩周围存在这红外辐射场，场就有能量、密度、方向等信息，地下水的活动会引起岩体红外场强的变化，测量红外场强的变化来确定掌子面前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体。

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3.4.2优缺点分析

探测仪重量轻盈，操作简便，工作时间短（洞内操作只需20分钟），并且数据处理快捷，一般2小时即内即可提交报告。是一种很好的辅助手段。 但是红外探测只能定性的判断掌子面前方是否存在含水构造，而不能定量判断水量大小与含水构造距离。

3.5高密度电法 3.5.1高密度电法的原理

利用供电极A，接收极M、N所形成电位等势线形成等势体球壳，来反映前方低阻异常,通过低阻异常判断前方岩层的水文地质特征。

布置供电极A1、A2、A3，间距4m，接收极M、N，极间距4m，距供电极A14m开始跑极，观测记录各点视电阻率Ω，然后在计算机上绘制A1、A2、A3点视电阻率曲线图。以各条曲线上距A1供电点等距低阻点为依据，分别以A1、A2、A3点为圆心绘圆，三圆相交点即为隧道掘进工作面前方相应地点的视电阻率，根据视电阻率的高低可判断前方是否存在低阻异常区。解释异常区可判断前方岩层是否存在涌水可能。

3.6 超前地质钻孔 3.6.1超前地质钻孔原理

超前地质钻孔是利用水平钻机在隧道掌子面进行水平地质钻探获取地质信息的一种地质超前预报方式。

超前水平钻探由于速度慢和费用高一直不能在隧道施工中被广泛采用。目前地质预报工作中水平钻孔工序一般每30m一个循环，在灰岩中纯钻时间5～6小时，辅助时间7～8小时，干扰施工时间10～11小时（约占开挖时间的7%）。

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3.6.2 超前钻孔的优缺点

（1）可比较直观地告诉我们钻孔所经过部位的地层岩性、岩体完整程度、裂隙度、溶洞大小、有没有水以及可测水压高低等。

（2）与物探方法相比，它具有直观性、客观性，不存在物探手段经常发生的多解性、不确定性。

（3）费用高、占用隧道施工时间长，且资料只是一孔之见。

3.7常规地质素描法

是综合地质预报方法的中枢，主要完成地质展示图、利用导洞进行地质预报、利用地层层序预报等、对其他预报方法能够进行验证和指导。 3.7.1常规地质素描法的原理

具体为利用常规地质理论和作图法，将隧道所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位置及出水状态、出水量、溶洞等准确记录下来并绘制成图表，结合已有勘测资料，进行隧道开挖面前方地质条件的预测预报。其它的预报方法都是为这种预报方法服务的。

3.7.2优缺点分析

该方法设备简单、操作方便、不占用隧道施工时间，提交资料及时，费用低，但对操作人员地质知识水平要求较高，要求地质专业人员来完成。该方法主要有以下几种形式： （1）掌子面素描法

掌子面素描法，就是根据掌子面的地质情况利用常规地质理论和几何作图法推测掌子面前方地质情况。 （2）平行导坑法

平行导坑法是在隧道正洞左边或右边一定距离开挖一个平行的断面较小的导坑，以导坑中的地质情况通过地质理论和作图法预报正洞地质条件的方

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法，平行导坑的作用很多，地质预报只是其中用途之一，一般只是当设计图纸中有平导设计的才采用该法，因其费用极为昂贵。

3.8、地质雷达 3.8.1地质雷达预报原理

地质雷达采用的是时间域脉冲雷达，将宽频带的脉冲发射到地下介质中，通过接收反射信号达到探测地下目标的目的，雷达系统向被探测物发射电磁脉冲，电磁脉冲穿过介质表面，碰到目标物或不同介质之间的界面而被反射回来，根据电磁波的双程走时的长短差别，确定探测目标的形态及属性，结合工程地质理论分析达到对埋藏目标（地质体）的探测与判断。

3.8.2 影响雷达探测的因素

采用探地雷达在隧道内开展工作，要比地面雷达探测难度大得多，不仅现场工作环境差，而且探测的对象是隧道的顶部、边墙、隧底及掌子面。

探测工作又往往是在施工过程中，相互影响干扰的情况是难免，所以需要双方相互理解和密切配合。

（1）高压风管、通风管、水管、供电线、运输线。

（2）初期支护和二次衬砌中的钢筋网、锚杆、小导管、钢拱架，及现场机具等金属物。

（3）虚渣、堆积物和爆破松动圈及各种不均匀体。 （4）岩层含水和隧道内流水。

3.8.3对适用情况的认识

（1） 隧道内的环境条件如洞内钢拱架、钢筋网、锚杆、钢轨等金属构件的影响探测结果。

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（2）就目前的技术水平而言，地质雷达采用高频率的天线作为隧道砼衬砌质量无损检测的手段仍是比较合适的。

（3） 地质雷达在地表探测5～30m范围内的地下地层或地质异常体(溶洞、土洞、断裂、空隙等)反射信号还是比较明显的，也是一种比较理想的手段；灰岩地区隧道铺底前采用中～低频率的天线作为探明隧底隐伏岩溶洞穴的手段仍是大家经常采用的。

（4）由于雷达探测距离短，难与隧道每天开挖10～15m的速度相适应。但发现异常现象，应用地质雷达多种频率、反复探测来得到异常体的规模及形态，效果明显。

3.9 TST超前预报技术 3.9.1 TST超前预报技术原理：

TST(Tunnel Seismic Tomography)超前预报系统是通过可视化地震反射成像技术预报隧洞掌子面前方150m范围内的地质情况，可准确预报断裂带、破碎带、岩溶发育带以及岩体工程类别变化等地质对象的位置、规模和性质。该法数据采集用多道数字地震仪，处理软件为三维地震分析成像系统。它充分运用地震反射波的运动学和动力学特征，具有岩体波速扫描、地质构造方向扫描、速度偏移成像、吸收系数成像、走时反演成像等多种功能，从岩体的力学性质、岩体完整性等多方面对地质情况进行综合预报。 测试时可在隧洞内掌子面、两侧、上顶和下底面，也可在隧洞外山顶布置。洞内观测时检波器埋入岩体1～1.5m，以避免声波和面波干扰。可采用爆炸或锤击激发地震波。

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3.10水平声波剖面法(HSP) 3.10.1水平声波剖面法(HSP)原理

它利用孔间地震剖面法(ABSP)的原理及相应软件开发的一种超前预报方法。其原理是向岩体中辐射一定频率的高频地震波，当地震波遇到波阻抗分界面时，将发生折射、反射，频谱特征也将发生变化，通过探测反射信号(接收频率为声波频段的地震波)，求得其传播特征后，便可了解工作面前方的岩体特征。

3.10.2优缺点分析：

震源和检波器的布置除离开开挖面对施工干扰较小外，还因反射波位于直达波、面波延续相位之外而不受干扰，因此记录清晰、信噪比高、反射波同相轴明显。

3.11常用超前地质预报方法的适用范围

虽然目前超前地质预报手段很多，但能够在施工中广泛应用并为广大工程技术人员较为认可的有：

地震波反射法（TSP）、地质雷达、红外探测、超前钻孔（炮孔的加长探测），同时由于每种预报方法在不同的地质条件下的实际预报效果差距很大，应用中一般根据隧道的地质条件分段选用不同的手段组合进行综合地质预报。

地质预报方案选择的影响因素

只有认识到预报的影响因素，才能有针对性的制定技术方案。经过多年的实践，人们认识到由地质预报的精确程度受下列因素影响：

1、地质体的成因类型。一般是沉积岩地区的预报的准确度较高；小体积侵入岩，非层状喷出岩预报准确度最低；没有被破坏的褶皱、大的断层带预报较准；小断层及侵入接触带预报准确度低。

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2、地区的地质构造发展史。经历构造作用次数越多、作用越强烈，地

质构造越复杂，预报准确度越低。

3、是地表岩石风化和覆盖程度。岩石风化和地表覆盖严重，覆盖层厚，地质构造在地面看不清，预报不准。

4、是对预报地区地质规律的掌握的程度和从事这项工作人员的经验丰富程度，这直接影响预报成效。

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四、地质超前预报工作方法

4.1工作方法科学依据及其作用

资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸开展隧道地质预报，首先应对整个隧道工程所处地质环境有一个宏观的把握。

预可研和可行性研究阶段资料收集预可研和可行性研究阶段主要收集隧道所在地区区域地质、工程地质和水文地质资料，了解隧道通过地区地层、构造分布情况、工程地质特性和水文地质条件，对隧道施工可能遇到的各种地质条件及可能发生的地质灾害的预判断，为隧道工程地质勘察提供科学的依据．

整理分析勘探（钻探、槽探、坑探、物探）、试验（岩石物理力学试验、钻孔水文地质试验、岩体原位测试等）成果，以确定隧道穿越的地层层序、地层岩性、地层产状，构造分布、产状及其性质，隧道水文地质环境，不良地质体（带）分布及其性质，据此进行隧道涌水量计算。在设计阶段，通过对隧道施工可能遇到的不良地质体（带）分布、性质及可能造成的隧道地质灾害的分析，提出宏观预测预报。

熟悉设计文件、资料和图纸隧道设计文件、资料和图纸是设计者根据隧道预可研和可行性研究报告、隧道初步勘察和详细勘察成果进行整理、分析、研究提出的，是可行性研究和勘察成果整理分析研究成果的总结。熟悉设计文件、资料和图纸可宏观把握隧道所处地质、构造、水文地质背景，初步确定隧道施工地质超前预报重点区段。本阶段的工作主要包括：

（1）明确隧道穿越的地层层序、地层岩性、地层产状、地层在隧道轴线上的展布长度，不同岩层的工程地质、水文地质特性，特殊地层（煤层、可溶岩地层、膏岩层等）的分布。（幻掌握地质构造特别是断层在隧道轴线上的分布位置，断层及其破碎带宽度、性质、产状。

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（2）明确地层、构造与隧道的关系。

（3）分析研究可能存在的不良地质体（断层及其破碎带、岩溶发育带、废弃矿巷、顺层错动挤压破碎带、软岩段等）及其性质、分布、规模和因隧道施工揭穿可能发生的地质灾害，初步提出施工地质超前预报重点区段。通过上述工作，可以大致确定隧道施工期地质超前预报的重点区段和补充地质调查的重点内容和调查区域位置。

4.2 补充地质调查

补充地质调查如前述，由于地质勘察精度、经费等诸多条件的限制，根据地质勘察资料做出的设计与实际不符的情况屡有发生，特别是长大隧道、地质复杂的隧道、水下隧道可能存在大断层、岩溶、涌水涌泥、岩爆、瓦斯等工程地质灾害，设计与实际不符合情况更为严重。对于覆盖层太厚、植被良好不易进行地质调查和勘探的隧道则更是如此。由于勘测设计阶段的地质工作投人所限，勘侧设计阶段的地质预估预评价仅仅是对隧道所处地质背景的宏观把握，不可能对复杂的地质情况作出微观的把握，需要进行补充地质凋查。补充地质调查的内容主要包括。

（1）不同岩性、地层在隧道地表的出露及接触关系，岩层产状及其变化。 （2）构造在隧道地表的出露、分布、性质、规模及其产状变化，地表岩溶发育位置、规模及分布规律。

（3）软层在地表的出露位置、规模及其产状变化。

（4）走向、展布、高程、涌水、坍塌及其在三维空间上与隧道的关系。 ( 5）结合设计文件、资料和图纸熟悉结果提出施工地质超前预报重点区段。补充地质调查不仅是对勘测设计阶段的地质预估预评价的补充，对隧道所处复杂地质条件的微观的把握，是确定隧道施工期地质超前预报的重点段，是减少隧道施工期地质预报盲目性、使预报具有较强针对性的重要保证。因此，隧道施工期地质预报的补充地质调查工作应在洞内地质调查、探测前完成，在预报实施过程

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中随时补充完善。通过资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料与图纸和补充地质调查，确定隧道施工地质超前预报重点区段，减小施工地质超前预报的盲目性，提高预报的针对性，确保有限经费的有效使用。

隧道施工地质超前预报重点区段包括． （1）断层及其破碎带的分布位置。 （2）岩溶可能发育的部位．

（3）浅埋隧道穿越全、强风化岩脉的部位。 （4）节理密集发育岩体分布位置。 (5）含水体分布位置

4.3 洞内地质调查和掌子面地质素描

洞内地质调查和掌子面地质素描洞内地质调查和掌子面地质素描是隧道施工过程中的地质工作，是隧道工程全过程地质工作的重要一环。这不仅是开展隧道施工地质超前预报的需要，也是对隧道设计地质资料的补充和完善，更为隧道运营阶段隧道病害整治提供完整的隧道地质资料。

通常情况下，洞内地质调查成果是对勘察设计地质资料的核实、补充和完善，应采用隧道洞身地质展示图、隧道地质纵剖面图和专门图件来反映。隧道洞身地质展示图、隧道地质纵剖面图是对隧道所遇地质情况的汇总，专门图件是对某个专门问题的汇总。根据隧洞内地质调查结果编制完整的隧道地质纵剖面图和隧道地质展示图（按里程位置附隧道施工掌子面地质素描图），要准确反映隧道揭示的实际地质情况，特别是隧道施工遇到的不良地质体（带）的出露位置、范围，隧道围岩级别，衬砌结构类型变更位置和长度，坍方，涌水，洞内泥石流，岩爆，大变形等地质灾害发生的规模、里程位置和施工处理措施，等等。提供给施工单位作为隧道竣工资料，彻底改变将隧道设计图作为竣工图的状况，同时为隧道运营期地质灾害的治理提供准确详尽的地质资料，减小因背景地质资料的缺乏带来的盲目性，避免造成治理工程的巨大浪费和治理工程的失效。

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4.3.1 掌子面地质素描的主要内容

（1）岩层、岩性描述（包括岩石风化破碎程度、岩体结构状态等）。 （2）地层分界面产状及其位置。

（3）岩层产状及其变化测定。（幻构造（断层等）位置、产状、宽度测定，断层性质描述。

（4）节理裂隙统计，包括发育分布位置、产状、组数、节理面闭合张开状态、节理面形态、节理面充填情况。

（5）掌子面涌滴水位置的确定、涌滴水量测定或估算。

（6）特殊地质现象描述。如岩溶洞穴位置、形状、充填物性质，坍方体、涌泥沙出现位置、方量，等等．掌子面地质素描采用图示和说明来体现。隧道施工地质预报补充地质调查、洞内地质调查和施工掌子面地质素描等工作，除直接为施工地质预报提供依据外，还是对可行性研究、勘察阶段地质工作的补充和完譬，为隧道地质灾害治理的设计、施工提供重要依据．

4.4 物探方法

物探方法的选择和现场实施掌子面探测各种地球物理探测方法均有成熟的理论基础，针对不同的地质体，有其各自的优势和劣势，只有选择合理适用的物探方法，才能有效地完成探测工作。

4.4.1物探方法的选择．

物探方法的选择原则由于隧道工程面临的施工地质问题的复杂性，往往靠单一的某种地质预报方法是难以把握的，因此需要一种或多种地质预报方法的联合。

1、预报方法的选择应遵循以下原则： （1）有牢固的理论基础、

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（2）不占或很少占用掌子面的施工时间、 （3）适用性强、 （4）操作简便、 （5）能取长补短、

（6）能适应隧道工程施工的需要、

（7）对隧道施工所面临的地质问题具有针对性，。

4.4.2掌子面探测的问题

各种物探设备对环境条件的要求各异。由于种种原因，隧道施工掌子面环境条件各不相同，但温度高、湿度大、管线多是共同的特点。在掌子面探测中，应注意以下几方面的问题：

（1）探测应在掌子面通风一段时间以降低掌子面附近温度后进行。 （2）洞内管线特别是动力管线对探测信号的发射和接收均有一定程度的影响，因此应避免信号传输线与洞内管线的交叉接触．降低因洞内管线影响造成的信号干扰。

（3）洞内施工特别是风钻施工、爆破等对探测影响极大，探测应避免在风钻施工、爆破的同时进行。

（4）掌子面施工台架对探测有一定的影响，探测过程中应尽量将施工台架移至探测场地之后。此外，为了对施工掌子面围岩进行岩体分级，还应进行围岩岩体和岩石波速恻试，若采用的探测方法是地震波法、电磁波法，应根据地展波、电磁波速度与声波速度的关系进行换算。

4.5 探测成果分析 4.5.1探测结果的分析

目前用于隧道地质超前预报的物探方法，均有各自专门的数据分析处理软

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件，甚至是固化软件，只要将探测介质声学参数输人，即可得到掌子面前方界面的位置。但是，必须指出的是，除了声波 CT 层析成像、电磁波反射层析成像、跨孔声波透视探测外，波反射法（ TSP— 203 、 TSP 一 204 采用三分量拾振换能器除外）是利用声波、超声波、地震波及电磁波在地层中传播、反射，通过信号采集系统接收反射信号，再根据反射信号走时计算出隧道掌子面前方反射界面距隧道掌子面的距离。以此来进行隧道施工期地质超前预报，信号采集系统采集的反射信号波在发射换能器、界面及接收换能器之间沿最短距离传播，该距离并不一定是隧道掌子面前方界面距探测面所在位置的水平距离，应根据界面产状进行预报距离修正。

反射法探测的波发射点和接收点（在同一水平面上），A、B两点间距离L0尽可能小（以能探测到由A点传到B点的直达波为宜），A、B两点距隧道地面高度为h。

根据波的传播，AB两点所在水平线距隧道前方界面的最短距离L（即CG）为

L=

1vtcosβ （4-1） 2式中 t—反射波走时；

v—波由探测面至隧道掌子面前方界面间岩体介质中的传播速度； β—波的入射角。 其中 v =

L0 （4-2） t0式中t0—由A点传到B点的直达波走时；

L0——A、B两点间的距离。

故有

L=

1L0()tcosβ (4-3) 2t0隧道掌子面前方界面距探测面所在隧道底在隧道正前方的水平距离S

（即DC）为

S=

1L0()tsinαcosβ-hcotα (4-4) 2t0当A、B两点间距离足够小时，β趋于零，即

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岩体基本质量级别 定性特征 层，岩体较完整；较软岩，岩体完整 岩体基本 质量指标（BQ） IV 坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整~较破碎；软岩，岩体完整~较完整 较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎~破碎；全部极软岩及全部极破碎岩 表4-3 岩石坚硬程度定性划分

350~251 Ⅴ ≤250 Rc(MPa) 坚硬程度 ＞60 坚硬岩 60~30 较坚硬岩 30~15 较软岩 15~5 软岩 ＜5 极软岩 表4-4 岩体完整程度定性划分 Kv 完整程度 ＞0.75 完整 0.75~0.55 较完整 0.55~0.35 较破碎 0.35~0.15 破碎 ＜0.15 极破碎 4-5地下水影响修正系数

BQ 地下水状态 ＞450 潮湿或点滴状出水 淋雨或涌流状出水，水压≤0.1MPa或单位出水量≤10L（min·m） 淋雨或涌流状出水，水压＞0.1MPa或单位出水量＞10L（min·m） 0 450~351 0.1 350~251 0.2~0.3 ≤250 0.4~0.6 0.1 0.2~0.3 0.4~0.6 0.7~0.9 0.2 0.4~0.6 0.7~0.9 1.0 4-6结构面产状及其与洞轴线的组合关系修正系数 结构面产状及其与洞轴线的组合关系 K2 结构面走向与洞轴线夹角＜30°结构面倾角30~70° 0.4~0.6

4-7初始应力状态修正系数

初始应力态 BQ 结构面走向与洞轴线夹角大于60°结构面倾角大于75° 0~0.2 其他组合 0.2~0.4 -36-

＞550 极高应力区 高应力区 1.0 0.5 550~451 1.0 0.5 450~351 1.0~1.5 0.5 350~251 1.0~1.5 0.5~1.0 ≤250 1.0 0.5~1.0 公路隧道设计规范（JTG D70-2004）规定的围岩分级与工程岩体级标准（ GB 50218 一 95 ）一致。显然，在隧道地质超前预报特别是施工地质超前预报阶段，根据隧道掌子面围岩岩体体积节理数判定、岩石体声波测试结果。可确定围岩岩体完整性系数 K ；根据隧道洞内地质调查可确定主要结构面状态和岩体含水情况；但要确定岩石单轴饱和抗压强度 R : 必须取样进行岩石单轴抗压强度试验，且岩体的初始地应力状态无法确定。因此，目前的施工地质超前预报不可能提出预报掌子面到掌子面前方第一界面间围岩段隧道工程岩体的分级，只能给出建议级别；对第一界面与第二界面间及其后界面间工程岩体的分级更无从谈起。要准确提出预报掌子面带掌子面前方第一界面间围岩段的围岩级别，应在施工地质预报合同中明确规定并开展相应的岩石单轴抗压强度试验和岩体初始地应力测试工作。

4.7预报报告的内容及报告的提交 4.7.1 预报报告的内容

预报报告包括预报简报和预报总报告 预报简报应包括以下内容： （1）工程概况。

（2）地质预报采用的方法原理。

（3）探测掌子面地质调查结果、掌子面地质素描图 （4）探测区、点布置图。

（5）结合隧道勘察设计资料、补充地质调查结果、洞内地质调查结果进行的探测分析结果（包括文字、探测典型波形图、波谱图和成果图等）。

（6）的预报结论及下一步施工措施建议 （围岩加固、初期支护、超前支护、

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永久支护措施等，必要时给出掌子面前方岩体分级建议）。

预报总报告应包括以下内容． （1）工程概况。

（2）地质预报采用的方法原理。

（3）隧道地质展示图（包括掌子面素描图）。 （4）隧道地质纵剖面图。

（5）典型预报（包括预报掌子面地质描述，探测区、点布置图，探测典型波形图，波谱图和成果图，预报结论及下步施工措施建议，验证结果 ）。

（6）预报与施工验证对比表。 （7）结论（包括预报准确率统计结果）

报告的提交隧道地质超前预报具有很强的时效特性，预报简报应在实施洞内施工掌子面探侧后次日提交给施工，设计等有关各方，以便于针对预报提出的间题制定相应的对策和措施，确保施工的安全和顺利进行。总报告应在隧道贯通后、合同约定时间内提交。

4.8验证施工开挖验证

验证施工开挖验证方法是隧道地质超前预报的重要的一环，是改进探测布置、提高预报准确率的需要，也是完成预报工作的要求。具体而言，应随开挖进行不良地质体带位置、性质、规模和地质灾害出现的位置、规模等的记录，并与预报结论进行对比（列表对比），从中分析成功和失败的原因，以利于下一步工作的开展。

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五、超前地质预报工作的一些认识

5.1地质预报工作的不确定性

要正确认识地质情况的多变性和地质预报的不确定性。超前地质预报方案是在地质灾害分级基础上随地质情况的变化与预报结果的验证情况进行不断调整的。采用某一种手段一次预报多少米，来指导这一段隧道施工，这种做法是不完善的。

地质预报是一个连续的、渐进的、系统的工作，，目前已基本形成了针对某一隧道的地质情况制定预报方案-选择预报方法-实施-验证-调整的使用程序。这主要是对地质情况的认识也是一个随着工程的进展、时间的推移、信息的不断输入而不断地深入的过程。

在施工过程中需要收集地质信息，和预测结果进行对比、分析，找出对地质情况认识的不足，来修正我们的认识并改进预报方案。

5.2地质预报工作的专业性

这是地质预报的专业特点决定的，从事地质预报工作的人员需要扎实的地质基础知识和丰富的工程实践经验，能吃苦耐劳和有敬业精神，能准确判断隧道内的地质情况，具有对异常地质情况的敏感性。也就是说地质预报对自身人员的素质有着特殊的专业要求。很多的地质灾害，事先都有征兆，只是人们没有引起足够的重视、认识不到位或者采取措施不当而引发的。有一个工程实例是：在岩溶隧道溶洞发育段打炮眼的时候，风钻工人已经发现掌子面前方变成了泥，请示了队长后还是照常放了炮，结果发生了后面的重大伤亡事故。只有具有地质专业知识，才能从事这项专业性非常强的职业。专业预报队伍具备的职能：研究既有地质资料、风险性分析及地质灾害按里程段分级、制定地质预报方案，并将地质预报工作纳入施工组织和工序；实施地质预报计划，进行地质预测和预报，成果

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应包含：隧道地质条件远景分析；物探、钻探、素描、试验成果；综合分析成果；施工建议；随着隧道掘进收集地质信息与预报成果对比，提出新的预报方案与选择新的预报方法；参与制定施工方案和重大问题决策，与施工人员交流对地质情况的认识，参加施工现场的例会；编制竣工地质资料。工程技术人员，尤其是从事超前地质预报的人员一定要树立信心，在充分研究隧道区域地质资料、详细了解各种地质预报方法工作原理的基础上，选用符合本隧道地质条件的方法，切不可选用自己都不了解、不相信的方法，那样的话预报结果很难会准确。并且在预报过程中根据验证结果调整预报方案及个别预报方法，一定能准确的预报，为施工服务。

1、根据已经掌握的地质信息、通过采取有针对性的工程措施，隧道风险可以有效控制并得以降低。

2、隧道工程风险的辨识、降低和控制，地质工作是难点，工程措施是重点，施工管理是关键。

3、要有效控制并降低隧道的安全风险，就必须在隧道建设的全过程中通过超前地质预测、预报，不断获取、更新地质信息，从中辨识风险源，进而有针对性地采取工程措施并评价其有效性；隧道的风险管理是一个贯穿于建设期的“辩证、求证、验证”的过程，而以超前地质预报为主要手段的施工地质工作则是风险管理的基础。

4、 尽管超前地质预报在辨识隧道的工程地质、水文工程地质风险源的作用是不可或缺的，但其不是规避、降低隧道风险的直接手段和措施；依据超前地质预报、监控量测信息全过程开展信息设计，根据设计进行精细化、规范化的施工工艺、工序进行施工，按照风险隧道特有的工程规律进行施工管理的方是降低、规避风险之道。

5、施工安全主要取决于施工过程控制，预报只能提供安全预案，所以要特别重视加深炮孔工作，他是施工现场的直接预报，对安全有着直接的指导作用。建立有效的施工管理体系 超前地质预报作为一种施工期间的地质勘察手段，可

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以有效地查明施工期间的地质问题，并对施工风险进行判断，但这种手段本身并不能消除施工风险。风险处理的效果还受诸如：超前地质预报水平、预报结果准确度、施工工艺水平、施工管理水平等诸多因素的制约。因此一方面需要对超前地质预报工作进行标准化管理，实现作业队伍专业化，作业管理标准化、施工反馈信息化；另一方面，还需要针对实现超前地质预报与设计、施工之间的接口及协调管理机构的建立非常重要。

5.3 各种常用预报方法的环境与工序时间要求

（1） 地质素描：一般在隧道出渣完成后实施，时间上安排比较自由，特殊情况占用施工时间20分钟，对隧道环境也无特殊要求。

（2）超前地质钻孔： 目前国内应用较广泛的设备是西安煤炭科学研究院生产的MK-5钻机，该钻机钻进效率：从设备运输、安装好开钻到撤场，30米的钻孔一般需要10~12小时，钻孔施工完成后钻机一般在洞内就近停放。钻孔前要提供操作空间（钻机及配套设备的高度、长度、宽度），重点是操作室的加固稳定。钻孔施工过程中，掌子面不能正常施工，掌子面后其他施工工序可以正常进行，隧道通风正常即可。

加深炮孔： 炮眼施工时实施，与正常的炮眼交叉施做，不需要单独占用施工时间。

（3）TSP：炮眼施工大约2小时，数据采集大约2小时。炮眼施工时不影响掌子面施工；数据采集时，掌子面及距离掌子面70米范围内，所有施工工序应该停止，特别是不能有能产生较大震动的大功率设备运转，过程中隧道正常通风。

（4）地质雷达：现场数据采集需要1~2小时，数据采集时掌子面施工需要停止，采集对掌子面后方施工无影响。采集时尽量避免探测区域金属物质大量存在，易形成电磁信号屏蔽，采集平面或曲面要求平滑，隧道正常通风。 高密度电法：现场实施大约需要2小时，因为测线沿边墙布置，对掌子面施

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工影响不大。数据采集仅需10~20分钟，数据采集时，大功率的电力设备最好能暂停使用，采集时尽量避免探测区域金属物质大量存在，易形成电磁信号屏蔽，隧道正常通风即可。

（5）红外探水：现场数据采集仅需十分钟，实施时对施工不会造成任何干扰。

5.4 各种预报方法在各类隧道地质条件下的选择

隧道超前地质预报方法的选择，既有人员的技术条件、仪器设备的保有量、现场的施做条件因素，也有隧道的地质条件复杂程度、设备对隧道地质条件的适合与否。其中目前在现场方案制定中方法选择的依据主要有地质条件复杂程度与在隧道地质条件下适用那种方法两个因素。

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六 、隧道地质超前预报若干问题的讨论

6.1地质工作在隧道地质超前预报中的作用

值得高兴的是，经历了众多隧道地质超前预报成功与失败和大量隧道工程实践之后，在各级领导的重视和众多专家的呼吁下，隧道地质超前预报工作作为施工工序的一个重要组成部分已经在许多隧道工程招标文件中明确要求并在施工中实施。以地质法为基础，以地球物理探测方法为手段的隧道综合地质超前预报方法，也已成为隧道工程界的共识。尽管如此，但片面强调并强行规定使用某一种物探设备进行施工地质超前预报。忽视隧道施工期地质工作；由于缺乏地质工程师，仅仅靠几个毫无地质基础知识的只经过仪器操作和分析软件使用培训人员便开展隧道施工地质预报等现象仍普遍存在情况。如此下去，要提高隧道施工地质预报的水平和准确性，可以说是毫无可能．

地质工作是贯穿隧道工程可行性研究、勘察、设计、施工全过程的一项重要工作，其作用是对整个隧道工程所处地质环境的宏观把握，是提高隧道施工地质预报准确率的重要保证。

隧道地质超前预报是根据隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势和采用各种地球物理探测手段对隧道施工掌子面前方地质情况的探测结果，结合预报人员地质经验，对隧道施工掌子面前方可能遇到的各种地质条件及可能发生的地质灾害的性质、分布位置、规模的预测。因此，隧道地质超前预报的目的、地球物理探测结果的分析、预报准确率的提高决定了地质工作在隧道地质超前预报中将起到极为重要的作用。

6.1.1隧道地质超前预报需要地质工作

Leopold muller教授曾经说过：“过去、现在以至将来，许多经验教训告诉我们??地质学是所有应用地质学的不可缺少的基础”。只有宏观把握整个隧道

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工程所处地质环境，确定隧道施工地质预报重点段，才能最大限度地提高有限的预报经费利用率，提高预报准确率，达到隧道地质超前预报的目的。

隧道工程地质平面图、纵断面图及隧道工程设计地质说明是集隧道工程可行性研究、勘察和设计三阶段全部有关隧道施工将可能遇到的地质情况研究成果的总结。熟悉图纸，了解隧道施工将穿越的地层岩性、地层产状及地层分布，构造分布、规模及其性质，有利于宏观把握隧道施工可能将遇到的特殊地质如涌水、瓦斯、采空区、岩溶涌水涌泥涌沙泥石流等的分布位置及规模，据此初步确定隧道施工地质预报的重点段。

洞外补充地质调查主要是对特殊地层如大段软弱地层、煤层、裔岩层分布的调查确定，构造产状、分布、规模及性质的调查确认，对特殊地表地质现象如隧道洞口滑坡分布及规模、岩堆分布及规模、地表岩溶发育分布等的进一步调查。根据地表调查结果推测特殊地层构造等在隧道构成位置的展布，加深对隧道施工可能将遇到的特殊地质如涌水、瓦斯、采空区、岩溶涌水涌泥涌砂泥石流等的分布位置及规模的宏观把握，确定隧道施工地质预报的重点段。

洞内地质调查包括掌子面和边墙地质素描（岩性及其产状，构造产状、展布及其性质，渗、滴、涌水状况，岩石体的风化变质状况等）、节理裂隙统计 〔 产状、间距、张开充填状况、展布及延伸等）、必要的测试试验（岩石、岩体声速测试和岩石强度试验等）。根据构造相关性分析、节理玫瑰花图、极射投影图、块体稳定相关计算，确定隧道掌子面前方围岩的变形趋势及失稳破坏形式，软层、煤层的分布与规模，构造破碎带的发育分布及性质和规模，岩溶发育分布及充填性质和隧道围岩岩体强度脆性及地应力状态等。根据隧道洞内必要的测试试验、岩体节理裂隙发育状况确定围岩级别。

6.1.2地球物理探测结果分析离不开地质工程师的参与

众所周知，物探方法是建立在波的传播理论基础上，波传播理论是建立在同一介质（各向同性均匀介质）基础上的，在各向同性介质中，地球物理探测结果

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是唯一的。

地质体极为复杂，在经历了长期地史时期和构造运动变动后，不同地层、岩性受构造运动的影响程度不一，即便同种岩体不同部位节理裂隙发育程度也不完全一致，这就导致了同种地质体介质的非均匀性（或称各向异性）。

地质体的各向异性，决定了采用地球物理探测方法进行隧道地质超前预报结果的多解性，排除这种多解性，需要对宏观地质背景的微观把握。

采用除层析成像法外的所有地球物理探测方法进行隧道地质超前预报，其最终结果均是施工掌子面前方地质界面的位置，反射界面前方介质的性质判定，尽管可以参考介质波阻抗、反射系数及波幅变化特征，但更重要的是需要结合对探测界面前方隧道施工将遇到的地质条件的宏观把握和参与施工地质预报人员丰富的地质经验。地质工程师的参与，无疑将起极为重要的作用。

6.1.3地质工作的详细程度决定预报准确率

隧道地质预报准确率的高低，与参与预报工作人员对隧道施工掌子面前方地层岩性、构造等的分布、界面产状及其变化、不同波在不同介质预报中的传播特性的掌握程度紧密相关。

详细的地质工作，可以推侧界面间介质的性质并大致给出不同波在该介质中的传播速度，推断界面产状的变化趋势并推侧界面在掌子面前方出露的大致位置，为探测结果的分析提供参考依据，提高预报的准确率。

6.1.4验证地质工作是总结和提高隧道地质预报准确率的重

要途径

随开挖进行不良地质体（带）的位置、性质、规模和地质灾害出现的位置、规模等的记录，需要地质工程师的工作，决非几个毫无地质基础知识和地质工作经验的只经过仪器使用操作培训的技术员便可完成．总结和分析预报成功经验和失败的原因，对探测布置、提高地质预报准确率，无疑具有重要的现实意义。

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6.2地质与物探的结合

尽管地质法隧道地质超前预报有牢固的理论基础，不占或很少占用施工时间，适用性强，成本低，操作简便，但靠有限之“见”预报范围有限，特别是在地层岩性变化极为复杂（如强烈褶皱地层）的隧道中预报的准确率更是如此。

物探方法如 TSP 、地质雷达、HSP声波反射、声波 CT 、地震波反射，等等。有成熟的理论基础、占用施工时间较除地质法以外的其他方法短、预报距离长短均可、费用较低，但属于间接方法，且至今为止波反射法所预报的仍然是地质界面，对界面性质的判断仍离不开地质学的知识。

以补充地质调查结果为基础，以物探方法作手段，用补充地质调查结果和隧道施工期掌子面地质条件，如岩体结构面产状及发育状况、岩体破碎程度、岩石的变质程度等的变化特征，指导物探法探测结果的判释，既避免了波反射法探测结果特别是界面性质判释的盲目性，又充分利用了补充地质调查结果、洞内地质调查结果和波反射法探测距离远的优点，提高物探法探测结果判释的准确率。

大量的隧道工程实践表明，无论在隧道的可行性研究、勘察、设计乃至施工阶段，采用了多少地质方法或地球物理方法进行勘探、预报，实际隧道开挖揭示的地质情况与设计、预报的情况仍有差别，地质与物探的结合是解决此问题的重要手段，这也是时至今天以地质法为基础，以地球物理探测方法为手段的隧道综合地质超前预报方法，成为隧道工程界的共识并得到广泛的认同的重要原因。

6.3 界面位置探测结果的产状修正

众所周知，在任意介质中传播的波，当其传播到该介质与另一介质的分界面时，一部分产生反射，另一部分穿过界面折射继续在另一介质中传播。显然，信号采集系统采集的反射信号波在发射换能器、界面及接收换能器之间沿最短距离传播，该距离并不一定是隧道掌子面前方界面距探测面所在位置的水平距离，应根据界面产状进行预报距离修正。

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显然，当探测界面与隧道轴线垂直时，探测得到的界面与探侧位置间的距离即界面与探测位置在隧道轴线上的距离，不需进行产状校正；探测界面与隧道轴线不垂直时，均应对其进行产状校正。

6.4 隧道施工期地质超前预报的准确率

提高隧道施工期地质超前预报的准确率，是隧道施工期地质超前预报工作者的愿望和努力的方向，也是隧道工程建设对隧道施工期地质超前预报提出的要求。

应该指出的是，对隧道地质超前预报准确率应有一个正确的理解。影响隧道施工期地质超前预报准确率的因素众多，一方面是从业人员知识面的问题，另一方面则是严密的理论应用于极为复杂的地质体所造成。

6.4.1从业人员知识面

不容讳言，时下从事隧道施工期地质超前预报工作的人员知识面参差不齐，或地质人员，或物探人员，既具有扎实地质基础理论知识、地质工作经验又能熟练掌握地球物理探测手段者仍在少数。

物探人员从事隧道施工期地质超前预报，由于地质基础理论知识和地质工作经验方面的欠缺，仅依据探侧结果，往往易导致预报结果对界面性质的判断失误或错误，而不进行界面产状的修正又造成隧道掌子面前方界面距探测面所在位置距离不准。

地质人员从享隧道施工期地质超前预报，由于所掌握的物探知识有限，往往难以作出更准确的判断。

因此，培养具有扎实地质基础理论知识、地质工作经验又能熟练掌握地球物理探测手段的隧道施工期地质超前预报人员乃当务之急，地质学家与地球物理学家的联合在当前条件下亦不失为解决间题的捷径。

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6.4.2严密的理论与极为复杂的地质体问的矛盾

严格地说，波在各向异性介质中各部分的传播速度是不同的。采用波在探测面岩体中直达波传播速度作为波在探测面与隧道掌子面前方第一界面间岩体介质中的传播速度来计算第一界面距探测面的距离已经存在误差，而人为确定波在第一界面与第二界面间、第二界面与第三界面间??岩体介质中的传播速度并借以计算第二界面、第三界面??距探测面何的距离则误差更大。

界面反射信号的叠加、硬盖，则加大了对第一界面后的界面反射信号判释的难度，这也是造成目前第一界面预报较准而其后界面预报准确率下降甚至未能预报的原因。

此外，界面产状的变化致使预报距离产状修正值出现误差也是造成隧道施工期地质超前预报的又一原因。

对于隧道掌子面前方第二及其后界面的预报准确率低的问题，目前仍只有通过加大预报频度、以第一界面距预报掌子面的距离作为预报长度、采用跟踪预报等方法来解决．

6.4.3对隧道地质超前预报准确率的正确理解

不容讳言，时下对隧道地质超前预报准确率的问题，存在着一种片面理解的现象，即要求预报结果的绝对准确。显然，这与对隧道地质超前预报的最终目的的误解相关。隧道地质超前预报的最终目的是对施工掌子面前方可能遇到的各种地质条件及可能发生的地质灾害的性质、分布位置、规模的预铡，其落脚点是地质灾害，对可能形成地质灾害的各种地质条件的预报，目的在于为设计和施工提供预先采取预防地质灾害发生的对策措施决策的依据，减小因地质灾害发生带来的经济损失及其对施工人员的危害。可以设想，一个百分之九九点九准确率的预报．如果因百分之零点一的预报错误带来重大人员伤亡事故和经济损失，算得上是成功的预报？企求百分之百的预报准确率和一厘米都不差的预报，是施工单位对隧道地

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质超前预报的要求，可以理解。但却是对地质超前预报的苛求，是对极为复杂的地质体认识不够清楚的表现．入类对大气层的认识，远较对地球内部结构的认识详细，天气预报尚且如此，况乎隧道地质超前预报？

6.5预报与预报探测设备仪器

如前述，尽管在各级领导的重视和众多专家的呼吁下，隧道施工地质预报工作作为施工工序的一个重要组成部分已经在许多隧道工程招标文件中明确要求并在施工中实施，但片面强调并强行规定使用某一种物探设备进行施工地质超前预报、忽视隧道施工期地质工作的现象仍普遍存在：由于缺乏地质工程师或对隧道地质超前预报地质工作重要性认识不足仅仅靠几个毫无地质基础知识的只经过仪器操作和分析软件使用培训人员便开展隧道施工地质预报的情况亦不少见。

诚然，先进的预报探测设备仪器是开展隧道施工地质超前预报的重要基础，但并不是唯一的前提条件．开展隧道施工地质超前预报，选择物探方法的第一条原则就是要有牢固的理论基础，在各种地球物理探测方法中，地震波反射、声波反射、电磁波反射、声波透视等方法无一不具有牢固的理论基础，而根据各种方法的理论基础生产的设备仪器均可用于地质预报工作。不同频率的波在不同介质中的传播能量有所不同、由于衰减的不同传播距离有所差异，也就造成了地震波反射、声波反射、电磁波反射、声波透视等设备在隧道施工地质预报中预报距离的差异，但并不能就此说明哪种物探设备不能用于隧道施工地质预报。合理选用不同的物探设备开展不同目的或者说针对性不同的隧道施工地质超前预报工作，不仅可以充分发挥各种不同物探设备仪器的长处，还可起到互为补充、互为验证的作用。

各种物探设备仪器在实际隧道施工地质超前预报中．占用掌子面施工时间、对场地的适应性、操作的难易程度各有不同，这也正是隧道施工地质超前预报工作者在进行物探设备仪器选择中豁要考虑的问题，可视预报的目的（宏观指导性预报、微观控制性预报）和隧道施工对预报的要求来选择。

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必须指出，就目前各种地球物理探测方法而言，除了层析成像方法外，均是对隧道施工掌子面前方地质界面位置的预报，界面与界面间介质性质的判断仍然需要借助预报人员丰富的地质经验和对隧道所在地区地质环境背景的掌握程度。因此，过分强调探测设备的预报距离或仪器本身的功能是毫无道理的，隧道施工地质超前预报仍然是在一定物探设备前提下的预报人员地质工作经验、对隧道所在地区地质环境背景的掌握程度、对各种不同的不良地质体可能引发的地质灾害及．其施工预防处理措施掌握能力的比拼。

6.6隧道地质超前预报存在的问题与展望

实事求是地说，尽管隧道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、煤层采空区的预报尚处在摸索研究的阶段。

随着隧道工程建设的发展，深埋长大隧道越来越多，施工涌水、岩溶涌水、岩溶涌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。

因此，在未来的隧道施工期地质超前预报中，以地质方法为基础的集各种方法之长的综合超前预报方法将越来越显示出其优越性。重大隧道工程、重点地段（地层变化极为复杂、大型构造断裂、岩溶发育）将采用超前水平钻孔结合声波CT进行地质超前预报；一般隧道、一般地段用波反射法进行地质超前预报。TSP长距离宏观指导性预报和短距离微观预报相结合的应用将越来越广泛。可以预见，新技术将进一步应用于隧道施工期地质超前预报。核磁共振（NMR）、地（岩）温、水温变化监测等新技术从研究阶段进人到隧道施工掌子面前方地下水状况预测预报的实施阶段， TRT 地震反射层析成像技术的引进将使隧道地质超前预报

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