TGP與GPR在巖溶地區公路隧道超前預報中的綜合應用

摘要：文章介紹了TGP與GPR的工作原理與方法，綜合應用TGP與GPR進行巖溶地區隧道的超前地質預報，通過分析波速、反射界面等，推斷開挖面前方圍巖的狀況，并對照圍巖的實際開挖情況，驗證分析了綜合應用TGP與GPR的實用性和可行性，為巖溶地區公路隧道超前地質預報提供參考。

關鍵詞：隧道;巖溶;超前地質預報;TGP;GPR

0 引言

在巖溶地區修建隧道一直是困擾隧道施工的重大難題，在巖溶地區進行隧道施工常常會遇到溶洞、斷層破碎帶、突水突泥、軟弱夾層等地質災害[1]。因此需要采用適當的超前預報方法來對隧道開挖工作面前方的圍巖進行探測，然后通過對探測采集到的數據進行分析、判釋，對前方地質情況以及不良地質體進行預報，從而能夠有效指導隧道施工[2-3]。

在隧道的施工階段采用的預報方法主要包括：地質雷達法（GPR）、地震預報法（TGP）、陸地聲納法、紅外線測水法、掌子面超前鉆探法等。考慮到實際應用的效果、費用的高低、風險、作業時間等因素，使用最多的方法為地質雷達法（GPR）和地震預報法（TGP）。超前地質預報方法從距離上可劃分為長距離預報與短距離預報。作為長距離超前地質預報方法之一，TGP（TunnelGeologicalPrediction）在公路隧道施工超前地質預報中已得到廣泛應用，并且取得了很好的效果，但存在分辨率不夠高的問題[4]。而地質雷達法（GPR）在探測空洞、富水的地質體時較為敏銳，能夠較為準確地探測出開挖掌子面前方溶洞、暗河、破碎帶、節理裂隙發育區等不良地質體，但該方法探測距離有限，無法從宏觀上了解地質構造。

本文結合工程實例，將超前地質預報方法——地震預報法（TGP）與短距離超前地質預報方法——地質雷達法（GPR）綜合應用于巖溶地區工程實踐中，并對超前地質預報的效果進行分析研究。

1 TGP法

TGP（TunnelGeologicalPrediction）是按一定的順序在隧道圍巖內引爆隧道邊墻處炮點的炸藥[JP+1]來激發的彈性波。在三維空間傳播的過程中，當彈性波遇到巖性突變的界面、構造破碎帶、巖溶及巖溶發育區等彈性阻抗界面時，會在界面處產生反射回波，這些反射回波會被隧道檢波點處的接收裝置記錄下來。通過后期的軟件處理，依據對反射回波旅行的時間、信號的衰減以及相位的改變等進行分析，從而對掌子面前方的圍巖地質條件做出預報判斷，為隧道的施工和設計變更提供重要的參考資料。詳見圖1。[KH-*3]

TGP的優勢在于它是將反射波與繞射波相結合，在預報大界面型的地質情況下應用反射波觀察，例如構造帶、巖性接觸帶、規模溶洞等界面規模大于波長的地質情況;而對于小溶洞、溶腔、孤石等規模小于波長的狀況，主要是觀測和分析繞射波的特征來判定。

2 GPR法

地質雷達法（GPR）是利用寬帶高頻電磁波來確定地下介質分布狀況的一種地球物理方法[5]。如圖2所示，地質雷達主機能夠控制微毫秒級脈沖信號的產生，這種信號經由發射天線發射出去，以高頻電磁波的形式在探測巖層中傳播，當遇到異常體時，反射電磁波會有明顯異常反應[6]。影響電磁波在地下介質中傳播的因素包括介電常數、電導率和磁導率等電磁參數。地質雷達法是短距離超前地質預報最重要的手段之一[7-8]。GPR的優勢在于它在探測小溶洞、溶腔、富水區等小規模地質異常時精度和準確度較高。

3 工程應用分析研究

金洞長隧道位于南丹至河池背斜的西南翼，隧道區屬巖溶峰叢洼地地貌，地層主要由第四系沖洪積層（Qal+pl）、第四系殘坡積層（Qel+dl）、三迭系下統（T1）、二迭系上統（P2）、二迭系下統（P1）、石炭系上統（C3）、石灰系中統（C2）和石炭系下統（C1）組成。為了探測隧道出口端左洞Z3K9+368掌子面前方的巖土體的含水、空洞和破碎情況，首先采用TGP方法進行了超前地質預報工作，圖3～6為相關的TGP解譯圖。

根據隧道掌子面圍巖情況及前期勘察資料，再結合TGP物探數據分析（圖3～6），在掌子面前方150m范圍內，圍巖以中風化燧石灰巖為主，巖質較硬，巖體較破碎，裂隙較發育。圖6為縱波反射和橫波反射計算的結果。因TGP使用的是炸藥震源，屬于球面膨脹點源，掌子面前方異常體反射波的縱橫波強度相當，預報時一般以縱波為主。由圖6可知，在里程Z3K09+352～Z3K09+307區間內，縱橫波估算速度均降低，而且縱波降低幅度明顯較大。據此推斷預報段灰巖巖體破碎嚴重或存在裂隙水，該段巖溶發育，具有垮塌的可能，該段處還發育溶蝕破碎帶，施工中會出現局部線狀滲水現象，圍巖穩定性差。

隨著隧道的開挖，當接近TGP預報的異常段區域，圍巖狀況明顯變差，如圖7所示，掌子面揭露圍巖為強～中風化灰巖為主，溶蝕裂隙較發育，掌子面局部出現泥質夾層，拱部易掉塊。

在里程Z3K09+350～Z3K09+320區間內，采用GPR方法進行了超前地質預報工作，根據地質雷達波列圖分析顯示（如圖8所示）：前方6～11m段雷達回波存在傾斜狀較強反射，結合掌子面情況推斷該段巖體呈強～中風化較破碎狀，含泥質夾層發育，溶蝕裂隙發育，呈鑲嵌碎裂狀結構，局部溶槽或溶洞發育;前方20～25m段雷達回波信號存在較強反射異常，推斷該段巖體溶蝕裂隙發育，巖體破碎，局部發育有泥質夾層;其他段雷達回波信號以高頻低幅反射為主，推斷該段巖體整體呈中風化狀，巖體較破碎，局部溶蝕裂隙較發育;該段整體處于巖溶發育段，圍巖穩定性差。

綜合TGP和GPR兩種超前預報成果分析：在該段預報范圍內，巖體較破碎～破碎，溶蝕裂隙較發育;局部發育一定規模的溶蝕破碎帶;地下水較發育，特別是從Z3K09+350開始，圍巖狀況明顯變差。開挖驗證情況為（如圖9所示）：從Z3K09+355里程開始，發育有溶蝕破碎帶，巖體從較破碎逐步變為破碎，裂隙組數增多，局部溶槽或溶洞發育，且層間夾有泥質逐漸增多，圍巖穩定性差。隨著掌子面開挖的推進，軟弱夾層增多，掌子面出現滴水現象，局部有線狀出水。

4 結語

預報區屬于灰巖地區，在該區域內巖體破碎、巖溶發育、地下水較為富集。本文采用以TGP和GPR為組合的綜合超前地質預報技術對該區域進行預報。實踐證明，TGP法依據巖體波阻抗變化能較準確預報出掌子面前方巖體異常位置及其規模;GPR法利用寬帶高頻電磁波來確定掌子面前方各種介質分布，尤其是能有效預報出掌子面前方溶洞、溶槽的具體位置。綜合TGP和GPR這兩種預報方法能充分發揮它們各自的優勢，提高地質預報的準確性，從而更有效地指導施工，避免在施工期中突發地質災害。

參考文獻：

[1]吳真瑋，潘隆武，鄧家喜.地質雷達在巖溶地區公路隧道超前探測中的研究與應用[J].西部交通科技，2017（6）：71-75.

[2]張慶松，李術才，孫克國，等.公路隧道超前地質預報應用現狀與技術分析[J].地下空間與工程學報，2008，4（4）：766-771.

[3]李文勝.綜合地質超前預報在巖溶隧道施工中的應用[J].西部交通科技，2012（5）：49-53.

[4]劉云禎.TGP隧道地震波預報系統與技術[J].物探與化探，2009，33（2）：170-177.

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[6]邵鴻皓.綿茂路籃家巖隧道涌水預測技術研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2015.

[7]李術才，李樹忱，張慶松，等.巖溶裂隙水與不良地質情況超前預報研究[J].巖石力學與工程學報，2007，26（2）：217-225.

[8]葛顏慧，李術才，張慶松，等.基于風險評價的巖溶隧道綜合超前地質預報技術研究[J].巖土工程學報，2010（7）：1124-1130.