1 地质预报目的和意义 隧道在设计与施工前期，要进行详细的地质勘查，但是由于地质条件的复杂性，在设计阶段准确摸清待建隧道的地质情况是十分困难的，因此， 开挖前对地质情况的了解对于隧洞建设有着十分重要的作用。通过超前预报，可以及时发现掌子面前方的异常情况，了解前方地质情况，据此可以选择正确的开挖断面、支护参数并优化施工方案，并可以事先做好防水、防塌方、防突泥等各种施工预案，确保施工安全，同时还可节约大量资金和施工工期。所以隧洞超前预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。
1 地质预报目的和意义
隧道在设计与施工前期，要进行详细的地质勘查，但是由于地质条件的复杂性，在设计阶段准确摸清待建隧道的地质情况是十分困难的，因此， 开挖前对地质情况的了解对于隧洞建设有着十分重要的作用。通过超前预报，可以及时发现掌子面前方的异常情况，了解前方地质情况，据此可以选择正确的开挖断面、支护参数并优化施工方案，并可以事先做好防水、防塌方、防突泥等各种施工预案，确保施工安全，同时还可节约大量资金和施工工期。所以隧洞超前预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。
2 隧道超前地质预报技术
隧道地质预报方法很多，在实际的应用过程中应根据地质条件的不同结合各种预报方法的优劣点综合选择合适的预报方法。以下对各种地质预报方法优劣点做简单介绍。
2.1 收集并熟悉已有的资料
在隧道开工之前应及时收集隧道的设计及地质资料，并详细对所收集资料进行阅读和研究，了解隧道的工程地质和水文地质情况，掌握隧道所处区域的地形地貌、地质构造、地层岩性、气候情况、和河流分布情况等， 做到对隧道所处地质情况有一个比较全面和深刻的认识。然后据此制定预报方案，做到未雨绸缪。
2.2 地质素描法
掌子面地质素描法又称地质调查与推断法，是超前地质预报的最基本的方法。是对已开挖掌子面的地质状况在现场作实地调查，并进行详细分析，采集必要的数据。
在隧道施工循环过程中，一般要在出碴后对掌子面进行地质素描。地质素描是对开挖面的地质情况如实而准确的反映，主要内容有：
a) 岩性 是最基本的地质资料。主要描述岩石名称、颜色、结构、构造、矿物成分、风化程度等。
b) 断层 主要描述断层位置、产状、断层破碎带宽度及构造类型、断层性质及其与其它断层的关系、派生节理产状、密度及充填物等。
c) 贯穿性节理 主要描述节理产状、密度、宽度、延伸情况、节理面特征（光滑、粗糙、起伏不平）、出露位置等。
d) 岩脉 主要描述岩脉的岩性，出露位置、宽度、接触关系、破碎情况、风化程度等。
e) 水 主要描述出水点位置及其与断层和节理的关系、出水量大小及流速、有无异味、水是否清澈或含有泥或其他杂物、水温等，同时了解水是否具有侵蚀性。还应判断隧道出水是否与地表径流或水库及其他水源等是否存在补给关系，并据此提前做好必要的排水措施，以防止造成涌水事故。
在闻垣高速公路中条山隧道的地质预报实践中，我们采用该法进行了掌子面短期地质预报工作，效果较为良好。表 1 为中条山隧道 ZK30+667 断面掌子面素描法应用的实例。
表 1 宝塔山隧道 ZK30+667 断面掌子面素描
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掌子面状况描述及前方预报结果
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开挖实况 |
施工建议
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| 片岩，节理裂隙发育，岩体呈片状构造，裂隙中含粉状物充填和少量裂隙水渗出。前方可能存在软弱破碎夹层，围岩强度及自稳能力较低 |
与预报结果基本相符 |
必须严格实施“弱爆破，短进尺，早支护”，及时对裸露围岩进行初期支护 |
在中条山隧道右洞出口端掘进到 YK30+750 位置处时出现较大涌水，我们通过洞内观察和对隧道顶部地表冲沟情况调查对隧道涌水量及含水区段进行了预测，认为涌水较大区段在桩号 YK30+750 — YK30+600 之间，且判断隧道出水无大水量补给源，主要为山体内部赋存裂隙水，总储备水量预计较小，综合判定不会出现大涌水事故，据此及时为施工单位提供了合理的施工建议，顺利通过涌水区段，当掌子面掘进到桩号 YK30+650 附近时涌水基本消失。
掌子面是隧道施工前方岩体唯一的暴露面，如实记录施工掌子面上的信息对施工前方地质预报有很高的价值，而且地质素描法不占用施工时间，对施工无干扰，应用成本极低，因此该法是最基本最易实施的超前预报方法。
但应该看到该法也有一定的劣势，一是对操作者的素质要求较高，操作者必须有深厚的地质知识和逻辑判断能力，而是在地质条件极为复杂多变的隧道中其预报的准确性较低不宜采用。
2.3 地质雷达法
2.3.1 探测原理及特点
地质雷达法是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面通过发射天线向前发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来 ( 见图 1) ，形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，对雷达图像进行处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。
地质雷达法操作相对简单，探测速度快，对施工干扰小，其对空洞、水体、断裂破碎带等的反映较灵敏，其探测距离一般与岩体的类别、含水量、破碎情况等有较大关系，一般来讲，探测深度可达 20 ～ 40 m 左右，围岩破碎或含水量较大时探测深度较小，甚至低于 10 m.
2.3.2 应用情况
在闻垣高速公路中条山隧道及平榆高速公路宝塔山隧道超前地质预报工作中分别采用国产 LTD-2000 型地质雷达和瑞典 MALA 地质雷达进行短距离地质超前预报，效果均较为良好。成功预测了软弱夹层、小型断裂带、含水夹层等不良地质体，并指导施工单位调整施工方法和支护参数，有效避免了坍塌等不利状况的发生。下面以实例说明。
图 2 为中条山隧道 ZK30+908 掌子面地质雷达频谱图，从图中可以看出左半部有一异常区域，该区域雷达信号极弱，被强烈吸收，而该处对应掌子面区域出露为一约 1.5 m 宽石英岩脉，因此推断该处异常为地质雷达波在整体性较好的石英岩脉中强烈衰减所致，而雷达信号在 10 m 后变大，因此推断该岩脉约在 10 m 后消失；其他区域雷达波较为凌乱、无明显规律，推断这些区域围岩裂隙较为发育，局部较为破碎，导致雷达波信号不均匀反射所致。开挖后石英岩脉在 ZK30+899 处基本消失，而围岩情况则为裂隙较为发育，局部岩石松散破碎，证实了推断的正确性。
图 3 为宝塔山隧道 ZK20+710 掌子面地质雷达频谱图，由地质雷达频谱图结合掌子面情况综合判断距离深度 0 ～ 15 m 范围内电磁波反射信号多，信号振幅较弱，频率较高，同相轴较连续切有断续，初步判断此区段内岩层节理裂隙较为发育，岩体完整性较差，局部裂隙中夹泥，存在裂隙水（股状），水量中等；距离深度 15 ～ 35 m 范围内电磁波反射信号较多，信号振幅偏强，频率中等，初步判断岩层节理裂隙较发育，岩体完整性较差，较为破碎含泥量大，存在加夹泥滴渗水现象；距离深度 35 ～ 40 m 区段内电磁波反射信号较多，信号振幅偏强，频率中等，为一异常区域，初步判断岩层节理裂隙较发育，岩体较为破碎，可能存在较为严重的夹泥现象和出水现象。据此及时将探测结果及时通报相关单位，施工单位及时调整了施工方法并加强了排水工作，顺利通过了该处出水区域，证实了预报的准确性。
2.3.3 应用体会
通过对多条隧道几年来的地质雷达地质超前预报工作，积累了一些应用经验，概括如下：
a) 地质雷达技术是一种先进的地质探测方法，其预测精度高、操作简单、对施工干扰小，但其影响因素多，如天线的布置方向、岩体的特性、含水情况、金属物件的存在、其他电磁信号等都影响到预报结果的准确性。因此地质雷达预报必须要结合地质素描法应用，以掌子面围岩及出水状况结合地质雷达频谱图综合分析推定前方围岩情况。
b) 掌子面平整情况影响到采集数据的真实度，掌子面金属物件也会影响到探测信号的真实性，因此在探测前应尽量保证掌子面相对平整并无金属物件。
c) 在实施探测时，应先进行初步粗略探测，如发现异常情况，必须进行反复探测，用点测和连续探测两种方法对比探测，以尽量提高探测的准确性，确保不遗漏前方重大险情。
d) 地质雷达技术正在不断发展，其技术尚待完善，其判读基本上还是完全靠人完成，客观性较差，受人的主观性影响较大，因此其探测精度因人而异。因此，要提高精度探测，操作者一方面要不断对比分析、积累经验，另一方面要结合其他探测手段综合分析。
2.4 超前钻探法
简言之该法就是从隧道掌子面向前打孔，根据钻进速度的变化，并观察岩粉和泥浆颜色、钻孔的出水情况来预测打孔深度范围内的地质和水文情况。
该法直接的揭示了隧道掌子面前方的地质特征，准确率很高。但是该法操作时占用施工时间较长，应用成本较大，在地质条件极为复杂多变的隧道中其准确度也不令人满意，因而该法在国内一般作为验证性方法使用，即在地质雷达法及其他方法探出前方异常时再进行钻孔探测以准确探知前方实际状况。
在闻垣高速公路中条山隧道和平榆高速公路宝塔山隧道超前地质预报工作中在局部地质条件异常区段也采用了该法进行了短距离地质超前预报，预报结果同地质素描法和地质雷达法结果相互印证，提高了预报结果的准确性。
3 地质预报流程
总体上，公路隧道施工中的地质超前预报的工作流程如图 4 所示。
4 结语
目前我国正在进行大规模的水利水电、高速铁路和高速公路工程建设，需要修建大量的隧道和洞室。而 隧道超前地质预报可以探知前方不良地质状况，据此可以改变施工方法和支护参数，预防灾害和事故发生，可以有效地达到节省工期、节省投资确保安全的目的，因此其应用越来越广泛。
但隧道施工地质超前预报在我国应用时间较短，实践经验有限，有些预报手段或方法还不太成熟。因此操作者在实际预报实践过程中，要不断积累经验，结合多种手段、多种方法，互相印证，以提高预报精度，服务于隧道施工。
