由于在施工前所得的地质资料主要是通过地质调查、地面勘探和钻孔测量等方法获得的，很难充分了解掘进面前方不良地质体的情况，在宝林隧洞进口钻爆段发生突水突泥事故，影响到施工安全和工程进度。
传统地质调查法对于构造比较复杂的地区和深埋隧道的情况，该方法工作难度较大，准确性难以保证，必须借助于物探方法，才能取得较好的效果。物探方法中，探水常用的地质雷达（GPR）检测方法，由于雷达记录易受洞内侧壁和金属机具的干扰，尤其是需要占用掌子面，不能适应TBM工况。常规反射地震预报方法对于TBM工况也不能良好适应，许多占用掌子面观测的方法被排除，且震源不能使用*药炸**。
为了避免工程事故的发生，中国水利水电第六工程局采用综合物探法进行超前预报，结合TST地震波法(采用TD-IS冲击震源)和CFC电磁波反射法预报TBM工作面前方地质构造、围岩性状及围岩含水发育情况，对围岩级别进行动态划分，便于及时采取相应措施通过不良地质区域，为TBM施工提供科学的指导依据，确保了施工安全。
2 方法原理
2.1 TST方法原理[8]
隧洞地质超前预报系统TST（Tunnel Seismic Tomography），是隧洞散射地震成像技术的简称，其观测系统采用空间布置，接收与激发系统布置在隧洞两侧围岩中。地震波由小规模*破爆**、电火花或冲击震源产生，并由地震检波器接收。TST可有效地判别和滤除侧面和上下地层的地震回波，仅保留掌子面前方回波，避免虚报误报；同时提供掌子面前方围岩的准确波速和地质界面位置图像。波速为岩体的工程类别划分提供依据，界面用于地质构造解释。
图1 TST超前预报系统观测方式平面示意图
当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。数据通过地震波软件处理，便可了解隧洞工作面前方不良地质体的性质（软弱带、破碎带、断层等）和位置及规模。
2.1 CFC方法原理[10]
CFC是一种新的电磁波探水技术，是复频电导率法的简称。CFC技术以含水岩体电导与电容率增大、波阻抗降低特性为基础，使用100KHz～10MHz频段电磁波进行探测。在含水岩体与干燥岩体接触带电磁波发生反射，依据接收点电磁波的相干特性来实现掌子面前方围岩含水性的预测。
复频探水技术使用中频率电磁波，中心频率为1MHz，主频段为200kHz至10MHz。电磁波的波长在10到500m之间，波长等于探测距离。由于电磁波一个周期还没有传播完，反射波就回来了，分析方法不能像地质雷达那样通过反射波的传播时间来确定反射界面的位置。利用中频探测时，入射和反射的电磁波在空间和时间上是相互干涉，相干的结果在发射点与反射面之间形成驻波，有波腹点与波节点。对于含水界面，反射波具有半波损失，并且波腹的相干条件是从接收点到反射界面的距离是1/4波长的奇数倍，波节点的条件是1/2波长的整数倍。对于不同的频率，波腹、波节点的位置是不同的。也可以说，对于确定的反射界面，不同接收点的相干频率是不同的。在波腹点可得到最强的记录，获得相干频率。利用频率-距离的1/4波长原理，建立起反射波相干频率法。从观测记录中频谱分析的极值点中，可发现接收点位置的相干频率，依据λ/4波长原理，就可获得含水体的位置。相干幅度的大小，反射波的强度，都与含水量相关。
3 宝林隧洞应用实例
3.1 工程概述
宝林隧洞属于湖北省鄂北地区水资源配置工程，是从丹江口水库清泉沟隧洞进口引水，向沿线城乡生活、工业和唐东地区农业供水，解决鄂北地区干旱缺水问题的一项大型水资源配置工程。
隧洞穿越区地面高程 100-748m。属于丘陵-低山地貌类型，隧洞穿越的地层主要有：下元古界红安群七角山组白云钠长片麻岩、钾长片麻岩，分布在桩号 244+650～247+070 之间；太古界桐柏山群新店组混合片麻岩，分布在桩号 247+070～251+450 之间；太古界桐柏山群黄土寨组黑云奥长混合片麻岩，分布在桩号 251+450～258+490 之间。
洞线褶皱主要为关门山倒转复式背斜的次一级背斜，背斜轴线桩号 247+700 左右与线路相交，轴线走向为 310°～320°，两翼出露地层为太古界桐柏山群新店组混合片麻岩和黄土寨组黑云奥长混合片麻岩，南翼被孙家畈—广水逆断层所断，构造不完整，连续性被破坏。
3.2 仪器设备
TST系统硬件包括地震信号采集系统和地震震源两部分。信号采集系统由数字信号记录器、检波器及连接线缆组成；本次预报的震源采用了TDIS编码冲击震源。地震信号记录器24通道，24位A/D转换，最大采样频率156Khz，最大采样长度100K。检波器为内置IC放大器的压电晶体带阻尼，频带0.5Hz~5000Hz。
TDIS编码冲击震源是一种新型震源。它的工作原理是通过编码控制震源的重复频率，通过相关处理将小能量信号累集成大能量信号，提高信噪比。
冲击震源的优点是使用方便，不用打孔，不破坏洞壁。
图2 TDIS编码冲击震源
本次预报中，冲击震源使用的参数为：重复频率2-8次/秒，冲击时间50s，冲击次数250次/点，冲击能量为1.2万焦耳/点。
本次CFC工程实例使用的北京同度工程物探技术有限公司研究的发射机与电磁波数字采集仪，技术参数如表1所示：
表1 CFC仪器技术参数
图3 CFC激发与接收仪器
3.3 TST测线布置
本次TST数据采集采用如下观测方案：①检波器8个，布置在两侧壁内，每侧4个，间距2.0m；②震源激发8个点，布置在两侧壁，每侧4个。除每侧第1个震源孔距检波器2m外，其余激发点间距均为8m；③检波器采用手枪钻打孔，用快粘粉进行耦合。如图4所示。
图4 TST激发与接收方式
3.4 CFC测线布置
CFC探水技术是通过发射电磁波、接收电磁波并确定相干频率来实现的。用偶极子天线来发射与接收电磁波，并且天线用埋在隧道左右两侧的电极。一组发射，3组接收。发射与接收天线排成阵列观测方式。阵列接收的目的是改善观测系统的方向性，从而增强掌子面前方的信号，压制侧向信号。成像的方向性随接收的电极的增加而增强。电极埋设于围岩中，并与围岩紧密接触，确保传导电流与位移电流同时起作用，这与传统的雷达天线不同。一对电极发射，位置不变，另一对电极移动接收，每发射一次，接收电极移动一次。结合多次发射和接收，形成一个完整的阵列。发射与接收电极分布于围岩中，有效地减小了隧道内各种干扰，提高了信噪比。
CFC观测系统方案具体布置，如图2所示：①3对接收电极，分别为M1N1、M2N2、M3N3，排列在两个侧壁上，每侧3个，间距10m，电极埋深1.8m；②1对发射电极AB，布置在两侧壁内，每侧1个，距离接收电极10米，埋深1.8m。③发射电极和接收电极长度2m。④发射电极和接收电极需要与围岩很好地耦合。
图5 CFC激发与接收位置
3.5 预报结果与地质解释
外业工作结束后随即转入室内资料整理及解释工作，即时对当天采集数据进行分析、整理并检查和复核，在此基础上对所采集的数据进行综合分析、评价。
外业工作结束后随即转入室内资料整理及解释工作，即时对当天采集数据进行分析、整理并检查和复核，然后转入数据处理。
TST的资料处理流程分为5大步骤，包括资料预处理、观测几何系统编辑、方向滤波与波场分离、围岩波速分布扫描分析、地质构造偏移成像和地质解释预报等环节，处理流程如图6所示。
图6 TST资料处理流程
图7 TD-IS冲击震源激发合成的弹炮记录
CFC室内资料整理及解释主要经过记录选取、数据预处理、观测系统几何位置编辑、频谱归一化、CFC电磁波速扫描、CFC合成孔径偏移成像计算等过程。
根据能量最大化原理进行围岩电磁波速扫描，得到预报区段隧洞围岩电磁波速为0.158m/ns，相对介电常数为3.605左右，说明绝大部分围岩处于弱含水状态。
数据处理结果得到宝林隧洞掌子面248+962前方100m围岩含水结构的CFC偏移图像。为了方便解释我们将TST和CFC的计算图像拼在一起，如图8所示。
图8 TST图像（上）与CFC图像（下）对照
通过对综合成果的分析，并结合掌子面地质观察，根据围岩波速的判定与地质体构造偏移图像与特征波速的对应关系，得出本次预报不良地质体的分布统计如表2所示。
表2 不良地质体统计
该段围岩为混合片麻岩，可能为断裂影响带，岩体破碎，节理裂隙发育，存在裂隙水的可能性大，水量稍多。开挖后，破碎岩体自稳性差，施工中应注意岩体破碎引起的掉块和塌方。
地质预报结果
该段围岩波速较低，在构造偏移图像上呈现有红蓝组合带交替现象，波速下降界面明显，推测为断层影响带，该段裂隙水发育，富水性较强且动态变化大。围岩稳定性差，可能出现掉块或者塌方，对隧洞开挖的安全造成威胁。建议围岩级别为IIIa级。
预报建议
开挖前施用地质超前水平钻确定富水带的存在，探测出水情况，确保施工安全。对破碎围岩进行锚杆加固，加密钢筋网防护，并进行喷浆支护。
3.6 现场地质素描
在洞身掘进至248+962~24+932里程段，洞身围岩与设计围岩(II级)相差较大，实际为揭露地层岩性为青灰色片麻岩，裂隙发育，沿裂隙面有线状涌水。围岩类别为Ⅲ类。
图9 局部围岩裂隙线装涌水
由开挖验证可以看出，本次CFC预报结果与实际开挖情况较为吻合，预报含水段围岩位置的误差较小。
4 小结
本文结合宝林隧洞的工程实例阐述了TST与CFC综合物探法的原理和实际应用情况。该输水工程隧洞埋深超过90m，隧洞处于裂隙水以下，被逆断层所断，构造不完整，连续性被破坏，施工安全和工程质量受影响较大，所以有必要对隧洞前方的地质情况进行预报。通过实践证明，TST与CFC综合物探法探测距离大，达到100m，分辨率高，可分辨1-3m的含水破碎带；不占用掌子面，并可有效避免隧道内金属机具的电磁干扰；适用于TBM工况，具有实用性和推广前景。