1.2 隧洞超前地质预报发展历史与现状
隧洞建设中对工程地质条件的认知和掌握程度是确保快速、安全修建的决定性因素之一。尽管在勘察设计阶段进行了地质勘察工作，但由于受地形条件、勘察技术、经济条件的限制，加上地质体的复杂多变，地质勘察工作满足不了隧洞安全施工要求，很难细致地反映实际的地质情况，导致隧洞施工中地质灾害时有发生，延误工期并造成人员伤亡和财产损失。如我国台湾地区北宜高速公路雪山隧洞，虽采用目前世界较为先进的TBM法进行施工，但由于地质条件复杂加之勘察资料不准确，施工前对一些不良地质体不了解、施工中对可能发生的地质灾害准备不足，导致施工中断，延误工期，一条长约13km的隧洞用了13年时间才贯通；又如渝怀铁路园梁山隧洞施工中的突水、突泥问题，龙溪隧洞的大变形问题等，造成的工期延误和损害都与勘察阶段的地质工作精度不够有关。
因此，世界各国的隧洞设计者均采用施工期超前地质预报方法加以补充，解决施工地质灾害问题。国外如英、法、日、德等国均将隧洞超前地质预报列为隧洞工程建设的重要研究内容，在隧洞勘察设计阶段主要采用钻探和大量的地球物理勘探方法，在隧洞施工期采用水平超前钻探、TSP（地震反射）超前地质预报仪、TRT （地震反射层析成像）超前地质预报仪、高精度地震折射法等来实施超前地质预报工作[1]。
国内隧洞施工期超前地质预报研究始于20世纪50年代中期，时任原铁道部第二勘察设计院川黔铁路凉风垭隧洞施工设计配合组地质工程师的陈成宗先生根据隧洞施工掌子面的地质情况，开展了对掌子面前方地质情况的预测预报，预报距离亦可达到近30m；70年代，以我国工程地质界老前辈谷德振教授等根据矿巷施工进度和掌子面地质形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，真正开始了我国隧洞施工期超前地质预报的研究和应用。目前，我国隧洞施工期超前地质预报主要采用工程地质调查法、超前平行导坑法、地球物理探测方法 （TSP、HSP、地震反射负速度法、地质雷达、陆地声呐法等，有的还利用PIT桩完整无损检测仪等）和以地质法为基础结合物探的综合方法[24]。
当今世界各国为摆脱隧洞施工中对地质情况认识不详的被动局面，不断探索有效的预报方法，在早期的预报方法中，多通过导坑或平行导洞的方法来了解前方不良地质和严重涌水段，有的则在隧洞轴线上打超前孔取岩芯进行预报，都有明显效果。但这些预报方法成本高，占用大量施工时间。
随着科学技术的发展，特别是电子技术和计算机技术应用到地质勘探领域，为地质勘探技术的发展打开了良好的局面。目前，国内外在隧洞建设中使用较广泛的超前地质预报技术主要有两大类：钻孔探测 （直接法）和地球物理探测法 （间接法）。直接法采用平行导洞、超前水平钻探等手段；间接法采用地震反射、地质雷达等物探方法。
超前水平钻探法与超前导洞 （坑）法的原理基本相同，使用钻探设备向掌子面前方钻探，从而直接揭露掌子面前方地层岩性、构造、地下水、岩溶及其性质、岩体的可钻性、岩体的完整程度等资料，是最直接有效的超前地质预报方法，但一次钻探距离短、费用高且占用施工时间长。目前国内采用这种方法进行隧洞施工期超前地质预报主要在水工隧洞工程中，国外已经较为普遍，英吉利海峡隧洞、日本青函海底隧洞更是大量采用该方法进行施工期的超前地质预报。
地质雷达探测法能发现掌子面前方地层变化，对于断层带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力，在深埋隧洞和富水地层以及岩溶发育区，也是一种很好的预报手段。但是地质雷达目前探测距离较短，一般在20～30m，同时雷达记录易受洞内开挖设备干扰，探测分析中要注意波相识别。目前地质雷达探测法已广泛应用于隧洞工程的超前预报中，特别岩溶发育区的隧洞工程。如贵州的索风营水电站、思林水电站、光照水电站的引水隧洞施工中应用地质雷达探测法进行超前地质预报探测岩溶与地下涌水、突泥上取得明显的预报效果[7，8]。
TSP探测法是一种用于超前预报隧洞开挖面前方地质情况变化的地下反射地震波技术，是利用地震波的反射原理进行地质探测。TSP地震预报系统是由瑞士Amberg（安伯格）测量技术公司为隧洞及地下工程施工期超前地质预报而研发的，TSP预报系统共推出了202、203、303等多代产品，它的预报范围是地质雷达的4～10倍，主要有以下优点：①适用范围广，即适用极软岩到极硬岩的任何地质情况；②预报距离长，理论上能预报掌子面前方500m，考虑地震波干扰等因素，一般能预报掌子面前方100～250m；③对隧洞施工干扰小；④探测距离较短；⑤节约投资费用，据国外隧洞施工经验估计，采用TSP法比不进行预报可节约是全部工程费用的15%；⑥提交资料及时。TSP探测已在我国取得了可喜成果，得到施工单位的信赖[914]。
目前超前地质预报按预报距离可分为中长期 （长距离）超前地质预报和短距离超前地质预报，中长期 （长距离）超前地质预报的距离一般可达工作面前方150～200m，甚至更远。现在较成熟的广泛应用于隧洞施工的方法是TSP探测法，它能较准确查明工作面前方150～200m范围内规模较大、严重影响隧洞施工 （造成塌方）的不良地质体的性质、位置、规模及含水情况，并按照不良地质体的理论特征、断层影响带的理论特征，结合预测段内出露的岩石及涌水量的理论分析，初步预测围岩类别 （当然要以设计为基础）。它的目的是为开挖指明工作面前方概略的地质轮廓，使施工决策人对不良地质和围岩类别的变化做好思想准备，做到心里有数，防患于未然。因此，仅依靠TSP并不能完全准确的预报掌子面前方的地质情况，还必须依赖其他的预报方法来进一步准确探明前方的地质情况。
对于短期 （短距离）超前地质预报，它的任务是通过观测、鉴别和分析，并结合长距离超前预报成果，推断掌子面前方20～30m范围内可能出现的地层、岩性情况，推断掌子面实见的各种不良地质体向掌子面前方延伸的情况；对掌子面涌水量的观测，结合岩性、构造特征，推断工作面前方20～30m范围内可能的地下水涌出情况；并在上述推断的基础上、预测工作面前方20～30m范围内的隧洞岩体类别、断层位置、规模、断层破碎带位置、宽度等，从而为断层成灾可能性预报和施工方案确定提供依据[15，16]。
目前，所有隧洞施工期超前地质预报的方法亦仅是对施工掌子面前方地质界面 （不良地质体带）位置的预报，对不良地质体带成灾的预报仍然是预报人员根据对施工掌子面前方地质界面性质即不良地质体带的分析研究作出的判断。比如锦屏辅助洞工程由于其高水头、大流量地下水、超深埋、高地应力岩爆的地质特征，预报内容以地下水探测以及结合岩体的物理力学特征对岩爆进行预警。