5．2．1 地质雷达探测法
地质雷达技术的提出是在20世纪初期，但直到70年代末期才得到较大的发展。我国自90年代引进和研制以来，已在很多领域解决了许多难题，尤其是在不宜开展钻探勘察的条件下，无损地质雷达探测起到了重要的作用。一套完整的地质雷达系统通常由控制单元、发射机、接收机和电源、光缆、触发盒等辅助元件组成，如图5－1所示。
5．2．1．1 地质雷达工作原理
地质雷达方法（GPR方法）是一种用于确定地下介质分布状态的广谱电磁技术，是一种高分辨率的探测方法。GPR方法是通过发射天线，以脉冲的形式定向地向地下发射高频电磁波（1MHz～1GHz），以达到探测的目的。如图5－2所示，电磁波在地下介质中传播，当遇到存在电性差异介质的界面时，电磁波便发生反射，采集到的数据经过处理后，可以获得时间或深度剖面，分析接收到的地下界面反射回来的电磁波的时间、频率和振幅等特征，就可以推断地下介质的空间位置、结构性质及几何形态，从而达到对地层或地下目标体探测的目的［88］。
图5－1 地质雷达系统组成示意
图5－2 地质雷达反射探测原理
根据波动理论，电磁波的波动方程为：
p＝ |p|e-j（ωt-αr）·e－βr （5．1）
式中，P为振幅；｜P｜为振幅的最大值；ω为角频率；r为波场空间点的位置；t为时间；βr为一个与时间无关的项，它表示电磁波在空间各点的场值随着离场源的距离增大而减小，β为吸收系数；αr为电磁波传播时的相位项，α为相位系数，与电磁波传播速度的关系为：
V＝ω/α （5．2）
当电磁波的频率极高时，上式可简略为：
V＝c/ε （5．3）
式中，c为电磁波在真空中的传播速度；ε为介质的相对介电常数。
地质雷达所使用的是高频电磁波，因此，它在地下介质中的传播速度主要由介质中的相对介电常数来确定。
电磁波向地下介质传播过程中，遇到不同的波阻抗界面时将产生反射波和透射波。反射与透射遵循反射与透射定律。反射波能量大小取决于反射系数R，反射系数的数学表达式为：
式中，ε1、ε2分别表示反射界面两侧的相对介电常数。
由上式可知，预报过程中反射系数的大小主要取决于反射界面两侧介质的相对介电常数的差异。差异越大，反射系数越大，探测出的异常越明显。这些不利的介质与完好基岩的相对介电常数均有较大差异，这为采用地质雷达对隧道掌子面前方进行地质预报提供了良好的地球物理基础［89］。
5．2．1．2 地质雷达预报方法
地质雷达探测技术经过不断地研究、完善，已发展到单点探测和连续实时自动成图。国外的探测地质雷达均为单脉冲雷达，其特点是发射信号为高压窄脉冲，工作频率为50MHz～1 000MHz，分辨率高，但设备不易满足地下工程防爆要求。由于地层使电磁波的衰减随工作频率的升高而增大，所以低频率多用于探测衰减较大的目标或远距离目标，而高频率多用于衰减小的地层浅部或表面探测。中间频率段既有较大的探测距离又兼顾了分辨率，所以多用于普查勘探，而高频段和低频段仪器多用于详查、精查勘探或针对性较强的探测。
在预报中，地质雷达探测的有效距离一般在掌子面前方20m左右的范围内。经过现场多次试验可知，采用100MHz的天线为主要测试频率效果较好。测试剖面布置根据掌子面的情况，一般水平方向布置1～3条，垂直方向沿中心布置1条。由于施工过程中掌子面不规范，测试剖面在现场测试时应进行一定的调整，以满足资料解译要求为准。为提高测试准确性，测试一般至少重复两次。100MHz的天线在每个剖面上应至少进行1次点测和1次连续测试，点测的叠加次数一般不得少于64次［89］。
5．2．1．3 地质雷达成果解译
雷达测试资料的解译是根据现场测试的雷达图像进行异常分析，根据出现异常的形态、特征及电磁波的衰减情况对测试范围内的地质情况进行推断。一般来说，反射波越强则前方地质情况与掌子面的差异就越大，依据掌子面的地质情况就可以对掌子面前方的地质情况作出推断。电磁波的衰减情况对地质情况的判断极为重要，因为完整岩石对电磁波的吸收相对较小，电磁波衰减较慢；当围岩较破碎或含水量较大时对电磁波的吸收较强，衰减较快。解译过程中电磁波的传播速度主要根据岩石类型进行确定，在有已知地质断面的洞段则以现场标定的速度为准。
由于隧道内地质情况比较复杂，仅从雷达测试资料进行地质解译准确度较差，因此，测试过程中应专设地质人员对测试剖面上的地质情况进行现场记录，并结合后面已开挖的围岩地质情况，对掌子面前方的地质情况作出预测（即地质素描法）。之后，把纯地质的预测结果同雷达测试的结果进行对比分析，根据雷达测试的异常特征，结合地质特征作出最后的地质解译［90］。
5．2．2 掌子面编录预测法
掌子面编录预测法是通过对掌子面已揭露地质体（岩层、不良地质等）进行观测与编录，将实见地质体向掌子面前方进行有依据地推断，因此又称为地质素描预测法。地质素描不占用施工时间，不干扰施工，设备简单，操作方便，出结果快，预报效果好，而且还能够为整个隧道提供完整的地质资料。掌子面编录预测法分为岩层岩性及层位预测法、条带状不良地质体影响隧道长度预测法、不规则不良地质体影响隧道长度预测法［36，91］。
5．2．2．1 岩层岩性及层位预测法
1）岩层岩性及层位预测法的基本原理
在大多数情况下，地表岩层的层位、层序、层厚、岩性和岩层组合与隧道中的岩层层位、层序、层厚、岩性和岩层组合是对应的。应用此原理，可以将地表地质复查与调查中所获得的地表岩层的层位、层序、层厚、岩性和岩层组合与隧道掌子面及其附近的岩层相比较，在确认隧道掌子面及其附近所揭露的岩层与地表某岩层为同一岩层的前提下，就可以推断掌子面前方一定范围内将要出现岩层的层位、层厚、岩性和岩层组合以及在隧道中出现的位置。
2）岩层岩性及岩位预测法的技术关键
（1）在地面地质复查与调查中，应用实测剖面法，彻底查明地表在隧道中线处出露岩层的层位、层序、层厚、岩性及其岩层组合。
（2）对掌子面及其附近所揭露岩层的岩石进行准确鉴定，并依据揭露岩层的岩性、结构构造特征、特殊标志和岩层组合特征，与地表岩层对比，确认它位于地表岩层剖面中的位置和层位，然后应用地表对应岩层的层序、层厚、岩性及其岩层组合对隧道掌子面前方的岩层进行预测，如图5－3所示。
图5－3 隧道内岩层短期预报
3）岩层岩性及层位预测法的工作方法和步骤
（1）对掌子面已揭露出的岩层进行编录（观察岩石的矿物成分及其含量、结构构造特征、特殊标志），给予正确定名，测量岩层产状和厚度。
（2）测量该岩层与已揭露的标志性岩层或界面的距离，计算其垂直层面的厚度。
（3）将该岩层与地表实测地层剖面图和地层柱状图相比较，确定其在地表地层（岩层）层序中的位置。
（4）依据实测地层剖面图和地层柱状图的岩层层序，结合TSP探测成果，反复分析比较，最终推断出掌子面前方一定范围内将要出现的岩层在隧道中的位置和规模。
岩溶是歌乐山隧道施工中的主要地质灾害，因此，确定灰岩特别是质纯灰岩的位置和规模成了超前预报的重点。例如，根据地面地质调查，三叠纪须家河组（T3xj）地层过后为雷口坡组（T2l），雷口坡组以灰岩等可溶性岩为主，因此，对雷口坡组位置的预测就成为重点。而要作到预报准确，首先就要把地面地质调查工作做细，在隧道中线的地面位置上准确地区分出须家河组和雷口坡组。在此基础之上，当隧道通过须家河组时，就能目的明确地对掌子面前方进行有效的预测。
5．2．2．2 条带状不良地质体影响隧道长度预测法
1）基本原理
条带状不良地质体包括断层破碎带和各类不良岩层。推断其涉及隧道长度的实质是：利用地面地质调查法、断层参数预测法和TSP探测解译法等长期超前地质预报成果得出的不良地质体厚度（宽度）的资料，依据掌子面揭露的不良地质体的产状、单壁始见位置，经过一系列的三角函数运算，求得该条带状不良地质体在隧道两壁上、下和拱顶的边界位置。
2）技术关键
（1）把条带状不良地质体的真倾角利用公式tanβ′＝tanβsinω换算成隧道剖面上的视倾角，式中β′代表结构面（包括岩层层面、断层面等）的视倾角，β代表结构面的真倾角，ω代表结构面走向与剖面方位（隧道轴线方位）的夹角。
（2）三角函数的正确运算。
3）工作方法与步骤
以株六铁路复线新倮纳隧道F新1断层为例进行介绍，如图5－4所示。
图5－4 新倮纳隧道F新1断层短期预报
已知，F新1断层产状290°/200°∠70°，右壁下始见点里程为DK176＋031，预测宽度B′＝10m，隧道走向313°，主洞底宽5．6m，洞高7m，求F新1断层破碎带影响隧道长度。
已知右壁下破碎带里程为DK176＋031—＋021（小里程），求
（1）右壁上破碎带里程。
利用公式tanβ′＝tanβsinω，求得视倾角β′＝47°；
过B点做BC线（使∠BCA＝47°）和AB、BD线（使AB＝7m，BD＝5．6m，AB⊥AC），则AC＝AB/tan47°＝6．5m；
右壁上破碎带始见里程为DK176＋37．5；
求得右壁上破碎带里程为DK176＋37．5—＋27．5（小里程）。
（2）左壁下破碎带里程。
过B点做BE线（使∠BED＝ω＝23°）；
DE＝BD/tan23°＝13．2m；
左壁下破碎带始见里程为DK176＋17．8；
求得左壁下破碎带里程为DK176＋17．8—＋7．8（小里程）。
（3）左壁上破碎带里程。
过E点做EG线和EF线（使EF⊥FG，∠EGF＝β′＝47°，EF＝7m）；
FG＝EF/tan47°＝6．5m；
左壁上破碎带始见点里程为DK176＋24．3；
求得左壁上破碎带里程为DK176＋24．3—＋14．3（小里程）。
首先得出破碎带涉及隧道底部的里程为DK176＋31—＋7．8，然后得出破碎带涉及隧道拱顶的里程为DK176＋37．5—＋14．3，最后得出F新1断层涉及隧道的总里程为DK176＋37．5—＋7．8，涉及隧道的总长度大约为30m。
5．2．2．3 不规则不良地质体影响隧道长度预测法
不规则不良地质体主要包括岩溶陷落柱、溶洞、暗河、岩溶淤泥带等，它们对隧道的影响只能依靠导洞中始见点的位置（或推测始见点的位置）和不良地质的大致轮廓以及长期超前预报的成果作近似的推测。
5．2．3 不良地质体前兆预测法
不良地质体前兆预测法是本研究提出的一套新的短距离超前地质预报方法，主要是用来解决长距离超前地质预报中无法准确判断的不良地质体性质的问题。
不良地质体前兆预测法是通过各类不良地质体的前兆在短距离内来判断其性质［28，36，91］。
5．2．3．1 隧道洞体不良地质体前兆特征研究
1）断层破碎带前兆
临近断层破碎带时的主要前兆有：
（1）节理组数急剧增多。一般临近断层破碎带时，节理组数可达到6～12组。
（2）临近断层破碎带时，常常出现岩层的牵引褶曲或牵引褶皱，如图5－5和图5－6所示。
（3）临近断层破碎带时，有时会出现由弧形节理形成的小型旋扭构造或反倾节理、小断层（见图5－7、图5－8）。
图5－5 正断层旁侧的牵引褶曲
图5－6 逆断层旁侧的牵引褶皱
图5－7 断层旁侧的小型旋扭构造
图5－8 断层旁侧的反倾小断层
（4）临近断层破碎带时，一般会出现岩石强度明显降低带。
（5）临近断层破碎带时，逆断层会出现压裂岩，平移断层会出现密集节理带（见图5－9、图5－10）。
图5－9 逆断层旁侧的压裂岩
图5－10 平移断层旁侧的密集节理
2）岩溶陷落柱前兆
（1）岩溶陷落柱两侧岩层有内倾现象，有时影响范围可达15～20m，如图5－11所示。
（2）岩溶陷落柱两侧岩层有时会出现内倾节理或小断层（见图5－12）。
图5－11 岩溶陷落柱两侧的内倾现象
图5－12 岩溶陷落柱旁侧的内倾节理
（3）水型岩溶陷落柱旁侧的岩层常常被湿化。
（4）岩溶陷落柱旁侧的岩层常常出现疏松或光泽变暗现象。
3）规模较大的溶洞前兆
（1）较大溶洞的旁侧常常出现一系列的小溶洞。
（2）较大溶洞的旁侧常常出现较多的铁锈染或夹泥裂隙。
（3）钻孔或超前钻孔中，常常出现涌泥或喷出大量泥水混合物（位于溶洞底部），也可能以清水为主（位于溶洞上部），但均有较大压力。
4）暗河的前兆
（1）大量铁锈染裂隙和小溶洞，且很多小溶洞中含有河沙。
（2）钻孔或超前钻孔中，涌水量剧增，大多数有很大的压力（只有隧道与暗河的水平河道相遇时才例外）且常常夹有很多河沙和小卵石。
（3）钻孔或超前钻孔中，涌出的水相对较清，稍显浑浊。
5）岩溶淤泥带
（1）大量铁锈染裂隙、夹泥裂隙或小溶洞，小溶洞常常涌出清水。
（2）以突泥为主的稠性岩溶淤泥带，在钻孔或超前钻孔时，会突然感觉压力减小，并出现沿钻孔涌泥或钻头带泥现象；以突水为主的稀性岩溶淤泥带，在钻孔或超前钻孔中，则常有夹带大量泥沙、小石块并有很大压力的泥水混合物喷出，这些泥水混合物喷出后，常常在掌子面后方形成5～10cm高的堆积物，钻孔中喷出的水始终很浑浊。
6）断层富水带
（1）具有断层破碎带的一系列前兆。
（2）在泥岩、页岩中掘进的隧道，当临近断层富水带时，常有湿化现象。
（3）钻孔或超前钻孔中，有大量的、具有较大压力的清水涌出。
5．2．3．2 不良地质体的判断方法和步骤
在长距离超前地质预报对某一不良地质体较准确地定位和粗略定性的基础上，通过对不良地质前兆的仔细观察与描述，再结合该不良地质体形成的地层、构造等地质条件的分析，即可较准确地判断掌子面前方临近的不良地质体的性质。
5．2．4 超前钻探
超前钻探是超前地质预报技术体系的主要组成部分，占有重要的地位，特别是在岩溶隧道的超前地质预报中更具有突出的作用［91］。
超前钻探一般是在隧道洞体长距离、短距离超前地质预报的基础上进行的，并侧重那些长、短距离超前地质预报已经基本认定的主要不良地质区段内进行。除非在特殊情况下，一般不宜在全隧道内连续进行。
总体上来说，超前钻探分为长距离（≥80m）、中距离（40～60m）和短距离（15～30m）三种形式，分取芯和不取芯两种类型。
超前钻探的布孔数量，视不良地质的性质和可能发生施工地质灾害的严重程度来决定。对于较大的断层破碎带，布置1孔，至多2～3孔即可达到目的；对于溶洞、暗河或岩溶淤泥带等可能发生突水突泥的区段，则以布置5孔为宜。布孔的位置，则主要依据长短距离超前地质预报的结论来确定。
超前钻探既可对隧道洞体长短距离超前地质预报进行验证，又可为施工地质灾害临近警报提供信息。
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