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【摘 要】在矿山、隧道等地质工程施工过程，掌子面中存在着多种类型的不良地质体。隐伏的不良地质体不仅减缓施工进度，而且对设备以及施工人员的人身安全构成威胁。本文研究地质、地球物理等多种不良地质体预测手段，对不良地质体采用从地表到地下立体预测，以避免地下地质工程施工过程中地质灾害的发生。
【关键词】不良地质体;地表预测;地下预测;地球物理预测;地质预测
中图分类号：G4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2016.10.186
在矿山工程、岩土工程、隧道工程等坑道开挖过程中，掌子面前方存在着诸如断层破碎带、软弱夹层、溶洞、空洞、突水、突泥、涌沙、塌方、岩爆等不良地质隐患，进而导致局部崩塌、掉快、落石等地质灾害。不良地质体的存在直接影响着施工人员及设备安全。因此，为避免在坑道开挖过程中地质灾害的发生，保障施工设备和施工人员的安全，需对不良地质体进行超前预测。现有技术主要从地表和地下、地质、地球物理以及地球化学等方法对不良地质体进行超前预测[1]。
一、地表超前预测
地表超前预测方法主要包括地球物理方法，同时也可结合地质、化探等方法。
（一）瞬变电磁法
瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。对低阻体反应敏感的特性使得瞬变电磁法在岩溶洞穴等含水地质、煤矿采空区、深部不规则水体等预测方面适用性较强。
（二）可控源音频大地电磁测深法
可控源音频大地电磁测深法是利用不同岩石的电导率差异观测一次场电位和磁场强度变化的一种电磁勘探方法。该方法探测深度较大，横向分辨率高，可以灵敏地发现断层[2]。
（三）地质雷达法
地质雷达法通过发射天线以款脉冲形式向掌子面前方发射高频电磁波，电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的界面发生反射，接收天线接收反射的电磁波。根据接收到电磁波的波形、振幅和时间的变化特征推断掌子面前方地质体的空间位置、结构、形态和埋藏深度。
（四）地质分析
通过对前期岩土工程勘察报告、水文地质、地层柱状图等的查阅，全面掌握工程区地质构造、地层岩性、地形地貌等地质情况，并对主要不良地质体的种类、展布以及规模作出初步预测。
（五）地球化学探查
地下气体如氡气沿断层带上升至采空区不断聚集。地球化学探查方法通过捕捉、识别地下气体形成的异常分布以探查断层、采空区的存在。地球化学探查方法具有投资小、异常直观等特点。
二、地下超前预测
地下超前预测方法主要包括地球物理方法以及地质方法。
（一）地质编录
在巷道开挖时，对掌子面揭露的地层、岩性、产状、地质界线、地质构造等进行地质素描，重点反映软硬岩展布及风化程度、断层性质、规模、产状、节理间距、组数等不良地质体的产出规模、展布形式，并对掌子面前方可能出现的不良地质体进行预测。
（二）超前钻孔
在巷道开挖过程中，通过对地层进行钻孔取芯编录，准确判断掌子面前方左右两侧的地层岩性、构造、围岩级别以及含水性等地质参数，进而查明地层走向、倾角、厚度等地质参数。
（三）隧道地震勘探法
小药量爆破产生的地震波信号沿隧道方向以球面波的形式传播，在不同岩层中地震波以不同的速度传播，在其界面处被反射，并被高精度的接收器接收。通过计算机软件对前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状况的分析，最终显示各種围岩构造界面与隧道轴线相交呈现的角度及距掌子面的距离，并初步测定岩石的弹性模量、密度、泊松比等参数。高投入的设备以及施工期间的安全风险使得隧道地震勘探法在实际应用中有一定局限性。
（四）水平声波法
水平声波法的原理为惠更斯—菲涅耳原理和费马原理。声波在岩土体中的传播速度及幅度等参数和岩土体的组成成分、密度、弹性模量以及结构状态有关。当声波传播路径中存在两种不同的固体介质界面时，波的传播将发生折射、反射和波型转换。声波由完整岩体传播至碎裂岩或土组成的破碎带时，就是声波从高阻抗介质到低阻抗介质的典型情况。根据断层、岩体风化破碎带、软弱夹层、岩溶以及地下水富集带等不良地质体与周边地质体的声学特性差异，通过探测反射波信号，便可了解前方岩体的变化情况。
（五）陆地声纳法
陆地声纳法在掌子面上采用极小偏移距，单点采集高频地震反射信号形成连续剖面，通过十字形观测系统和宽频带脉冲接收技术，预报掌子面前方断层及其它地质界面的位置和产状。由于该方法需要采集高频地震反射信号，因此也被称为高频地震反射法或垂直地震波反射法。陆地声纳法具有分辨率高的特点，而占用掌子面进而影响生产限制了陆地声纳法的适用性。
（六）真反射层析成像
真反射层析成像法采用空间多点接收和激发系统，基于围岩中岩层边界或不连续带存在的声阻抗差异，通过速度扫描和偏移成像对数据进行后续处理。为充分获得空间波场信息，提高对前方不良地质体的定位精度，检波器和激发的炮点在掌子面迎头、顶板及两个侧帮上呈空间分布。真反射层析成像法在岩体中反射界面位置确定、岩体波速和工程类别划分等应用中具有较高的精度，但过高的实施成本影响了其普遍适用性。
三、结论
隐伏的不良地质体降低了地下工程的进度，对施工设备和施工人员的安全生产造成隐患。通过对不良地质体进行地表、地下的立体探测以及地质、地球物理、地球化学等多种探测方法，瞬变电磁法、地质雷达法、水平声波法、陆地声纳法等多种探测技术的有效结合，能够有效预测不良地质体的空间展布形态以及规模，为巷道掘进、支护提供可靠的技术情报与服务支撑，避免地质灾害的发生，进而保障施工设备和施工人员的安全生产。
参考文献
[1] 陈勇，纪传宾，朱建华. 隧道施工不良地质灾害预测及处理措施[J].内蒙古石油化工，2013，（15）： 59～60.
[2]常帅斌.综合地质-物探探测某隧道不良地质体的实际应用[J].福建地质，2011，（3）：233～238.
【关键词】不良地质体;地表预测;地下预测;地球物理预测;地质预测
中图分类号：G4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2016.10.186
在矿山工程、岩土工程、隧道工程等坑道开挖过程中，掌子面前方存在着诸如断层破碎带、软弱夹层、溶洞、空洞、突水、突泥、涌沙、塌方、岩爆等不良地质隐患，进而导致局部崩塌、掉快、落石等地质灾害。不良地质体的存在直接影响着施工人员及设备安全。因此，为避免在坑道开挖过程中地质灾害的发生，保障施工设备和施工人员的安全，需对不良地质体进行超前预测。现有技术主要从地表和地下、地质、地球物理以及地球化学等方法对不良地质体进行超前预测[1]。
一、地表超前预测
地表超前预测方法主要包括地球物理方法，同时也可结合地质、化探等方法。
（一）瞬变电磁法
瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。对低阻体反应敏感的特性使得瞬变电磁法在岩溶洞穴等含水地质、煤矿采空区、深部不规则水体等预测方面适用性较强。
（二）可控源音频大地电磁测深法
可控源音频大地电磁测深法是利用不同岩石的电导率差异观测一次场电位和磁场强度变化的一种电磁勘探方法。该方法探测深度较大，横向分辨率高，可以灵敏地发现断层[2]。
（三）地质雷达法
地质雷达法通过发射天线以款脉冲形式向掌子面前方发射高频电磁波，电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的界面发生反射，接收天线接收反射的电磁波。根据接收到电磁波的波形、振幅和时间的变化特征推断掌子面前方地质体的空间位置、结构、形态和埋藏深度。
（四）地质分析
通过对前期岩土工程勘察报告、水文地质、地层柱状图等的查阅，全面掌握工程区地质构造、地层岩性、地形地貌等地质情况，并对主要不良地质体的种类、展布以及规模作出初步预测。
（五）地球化学探查
地下气体如氡气沿断层带上升至采空区不断聚集。地球化学探查方法通过捕捉、识别地下气体形成的异常分布以探查断层、采空区的存在。地球化学探查方法具有投资小、异常直观等特点。
二、地下超前预测
地下超前预测方法主要包括地球物理方法以及地质方法。
（一）地质编录
在巷道开挖时，对掌子面揭露的地层、岩性、产状、地质界线、地质构造等进行地质素描，重点反映软硬岩展布及风化程度、断层性质、规模、产状、节理间距、组数等不良地质体的产出规模、展布形式，并对掌子面前方可能出现的不良地质体进行预测。
（二）超前钻孔
在巷道开挖过程中，通过对地层进行钻孔取芯编录，准确判断掌子面前方左右两侧的地层岩性、构造、围岩级别以及含水性等地质参数，进而查明地层走向、倾角、厚度等地质参数。
（三）隧道地震勘探法
小药量爆破产生的地震波信号沿隧道方向以球面波的形式传播，在不同岩层中地震波以不同的速度传播，在其界面处被反射，并被高精度的接收器接收。通过计算机软件对前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状况的分析，最终显示各種围岩构造界面与隧道轴线相交呈现的角度及距掌子面的距离，并初步测定岩石的弹性模量、密度、泊松比等参数。高投入的设备以及施工期间的安全风险使得隧道地震勘探法在实际应用中有一定局限性。
（四）水平声波法
水平声波法的原理为惠更斯—菲涅耳原理和费马原理。声波在岩土体中的传播速度及幅度等参数和岩土体的组成成分、密度、弹性模量以及结构状态有关。当声波传播路径中存在两种不同的固体介质界面时，波的传播将发生折射、反射和波型转换。声波由完整岩体传播至碎裂岩或土组成的破碎带时，就是声波从高阻抗介质到低阻抗介质的典型情况。根据断层、岩体风化破碎带、软弱夹层、岩溶以及地下水富集带等不良地质体与周边地质体的声学特性差异，通过探测反射波信号，便可了解前方岩体的变化情况。
（五）陆地声纳法
陆地声纳法在掌子面上采用极小偏移距，单点采集高频地震反射信号形成连续剖面，通过十字形观测系统和宽频带脉冲接收技术，预报掌子面前方断层及其它地质界面的位置和产状。由于该方法需要采集高频地震反射信号，因此也被称为高频地震反射法或垂直地震波反射法。陆地声纳法具有分辨率高的特点，而占用掌子面进而影响生产限制了陆地声纳法的适用性。
（六）真反射层析成像
真反射层析成像法采用空间多点接收和激发系统，基于围岩中岩层边界或不连续带存在的声阻抗差异，通过速度扫描和偏移成像对数据进行后续处理。为充分获得空间波场信息，提高对前方不良地质体的定位精度，检波器和激发的炮点在掌子面迎头、顶板及两个侧帮上呈空间分布。真反射层析成像法在岩体中反射界面位置确定、岩体波速和工程类别划分等应用中具有较高的精度，但过高的实施成本影响了其普遍适用性。
三、结论
隐伏的不良地质体降低了地下工程的进度，对施工设备和施工人员的安全生产造成隐患。通过对不良地质体进行地表、地下的立体探测以及地质、地球物理、地球化学等多种探测方法，瞬变电磁法、地质雷达法、水平声波法、陆地声纳法等多种探测技术的有效结合，能够有效预测不良地质体的空间展布形态以及规模，为巷道掘进、支护提供可靠的技术情报与服务支撑，避免地质灾害的发生，进而保障施工设备和施工人员的安全生产。
参考文献
[1] 陈勇，纪传宾，朱建华. 隧道施工不良地质灾害预测及处理措施[J].内蒙古石油化工，2013，（15）： 59～60.
[2]常帅斌.综合地质-物探探测某隧道不良地质体的实际应用[J].福建地质，2011，（3）：233～238.