淺談兩種常用的隧道超前預報方法

黃 果

(西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

隨著國家經濟的發展，國家對交通建設的投入也進一步加大，隧道作為交通建設中一種主要形式，一直是交通建設的重難點部分。其主要原因在于：隧道穿山而過時可能會遇到很多不良地質情況給施工帶來影響。為避免不良地質的影響和不必要的工程突發事故，減少工程施工中的經濟損失，隧道超前預報的存在就顯得尤其重要。

1 地震波法(TSP)

1.1 TSP方法及原理

地震波法是目前中長超前預報的主流方法，包括HSP、TSP、負視速度法等，其中TSP法應用最為廣泛。TSP法是基于反射理論，通過巖石波阻抗差異來工作的。在隧道邊墻處等間距安置24個炮眼以作震源，炮眼略向下傾斜，以便灌水密封，在距離最后一個炮眼一定距離處布置一道三分量檢波器用以接受反射回來的地震波。布置妥當后通過引爆炸藥激發震源產生震動，震動產生體波向巖石內部傳播，當前方巖石完好，無不良地質時，體波會一直向前傳播，直到遇到邊界時才會反射回來。當體波遇到溶洞、斷層、破裂帶等不良地質時，由于波阻抗的不同，一部分能量會發生反射，這些反射回來的體波通過三分量檢波器接受，然后再用專用的TSP處理軟件進行放大、濾波等處理來分析此處的地質，通過波在巖石中傳播的速度可以確定此不良地質的位置。

1.2 TSP法的優點

(1)TSP法預報距離較長，通常為100～200 m。一次預報可指導較長時間的工程施工，且操作簡單，對現場要求不高，節約人力物力。

(2)TSP法是通過少量炸藥引爆產生地震波，預報過程中對已有工程基本無破壞，對掌子面前方巖石基本無擾動，屬于無損探測。

(3)TSP法可以快速查明溶洞、破裂帶、斷層等不良地質的位置和大小，具有快速、高效的特點。且TSP法具有較好的連續性，對大部分地質情況的預報都比較準確可靠。

(4)對于與隧道軸線方向交角比較大的不良地質帶，TSP的預報效果比較好，精度較高。

1.3 TSP法的缺點

(1)當隧道存在的山地中地形條件比較復雜時，波的傳播會受到很大影響，在不同地質構造體形成大大小小的干擾波，使得各種干擾波同有用波交織而變得復雜。所以TSP法考驗操作者的分析提取有用波，濾除干擾波的能力，稍有不慎就會增加誤差，與實際結果相去甚遠。

(2)數據采集過程中會存在一定因素產生采集誤差，例如炸藥引爆時的延時差、炸藥量過多或者過少、炮孔之間的距離不完全等間距、以及記錄人員的個體差異等等，都會使得數據誤差變大。

(3)TSP法進行速度分析時，圍巖的波速是根據地勘資料及圍巖參數假定的，可能導致不良地質體的位置出現一定的偏差，不能特別準確地確定不良地質體的位置，只能根據假定波速大致定位，取值對誤差的影響較大。

(4)對于走向與隧道軸線平行或者近似平行的不良地質體，TSP探測結果較差。

(5)TSP對含水體的探測結果較差，精度很低。

2 地質雷達法(GPR)

2.1 GPR方法及原理

地質雷達由天線，主機等組成。其工作原理是用發射天線向巖層中發射一個高頻的寬帶電磁波，電磁波在地層中傳播，其波形，電場強度等都會隨著介質的導電性和介電性變化。在遇到斷層，破裂帶、溶洞或巖層發生變化時，電磁波發生反射和透射，接收天線能接收到反射回地面的這部分反射波，沿著測線方向布置多點進行取樣，接收多道反射波數據，并將信號放大且數字化后儲存于主機中。根據反射波的旅行時間、波形等特征，即可確定不良地質帶的位置和類型。

地質雷達的探測深度和分辨率主要取決于電磁波的頻率，當使用高頻電磁波進行探測時，雷達的分辨率較高，但是探測深度會比較淺。反之，當使用低頻電磁波進行探測時，雷達的分辨率常常顯得不夠，但是探測深度更深。因此根據不同工程情況和地質條件選擇不同頻率的天線才能使得探測結果更加精確。電磁波的傳播深度還和巖層的導電性有關，巖層與不良地質帶之間的導電性差異也影響著雷達的分辨率。

2.2 GPR法的優點

(1)GPR法是以電磁波在巖石和不良地質帶間的反射而得以實現的，巖層和不良地質帶間導電性的不同影響著電磁波的波形、幅值。因此兩者之間導電性差異越大，雷達接收到的信號就越好。所以GPR法在預報含水地質體的時候效果很好。

(2)GPR法中的連續剖面掃描探測法可以連續快速的進行預報，其對場地要求不高，能在噪聲環境下有效的工作，可以在短時間內獲得大量數據，數據也比較直觀，易于分析比較。

(3)GPR法是通過天線向掌子面后的巖層發射電磁波，然后接受反射回來的電磁波進行數據分析。此種方法對現有工程無破壞，能最大化的保留現有工程場地和設施，屬于無損探測。

(4)對走向和隧道軸線相同或者交角較小的不良地質帶進行探測時，GPR法的預報精度較高。

(5)GPR法對張性結構面(如張裂隙面、正斷層面)的預報較為精確。

2.3 GPR法的缺點

(1)GPR法由于受制于電磁波的傳播深度和雷達的分辨率，所以要得到較為精確的數據就只有犧牲探測深度，由此GPR法進行隧道超前預報時，探測深度一般較淺，由于天線選擇不同和地質條件不同，GPR法的探測深度一般為15～30 m，所以需要根據隧道開挖進度隨時補進，較耗費人力。

(2)GPR法對閉合結構面(如剪性構造節理面、大多數層理面、侵入接觸面等)的預報精度不高。

(3)對走向和隧道軸線交角較大的不良地質帶進行探測時，GPR法的預報精度較低，不建議采用此種方法。

(4)用GPR法進行隧道超前預報時，隧道掌子面要盡量平整，最好豎直且盡量減少掌子面的障礙物，以免對探測結果產生影響。

(5)GPR法的操作不如其他方法容易，探測時需要幾個人抬著天線緊貼著隧道掌子面移動，天線一邊移動，操作主機的工作人員要大致估計位置打點記錄，操作不便，操作上帶來的誤差會比較大。

3 GPR法與TSP法對比

GPR法和TSP法這兩種常用的超前預報方法對不同工程情況下的隧道適用性也各不相同。例如，對于掌子面后富水地質體的探測最好用GPR法，因為富水體導電性好，有利于電磁波的傳播，能得到更精確的結果，如果此時用TSP法得到的結果就可能很模糊，甚至探測不到富水地質體。長距離超前預報時建議選用TSP法，能節省人力物力，提高工程進度，短距離超前預報時選用GPR法比選用TSP法精度稍高。若需要對掌子面各處的巖層進行探測甄別，則建議選用GPR法。當反射面間距較小時，用TSP法往往無法識別，建議試試GPR法或者其他方法。掌子面前方巖性變化較大時選用TSP法探測得到的結果較好。

4 結束語

GPR法和TSP法各有自己的優勢和局限性，在具體工程中要結合實際情況選用。建議采用長距離探測和短距離探測相結合，TSP法和GPR法相結合，盡量發揮各自的優勢，避免各自的短處，以求更準確地探測隧道掌子面后的不良地質狀況，得到更為精確的結果。