TSP 和地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的綜合應(yīng)用

王志軍

(昌九城際鐵路股份有限公司，南昌 330000)

1 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善， 隧道工程建設(shè)日益增多[1-2]。 超前地質(zhì)預(yù)報是隧道建設(shè)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，探測掌子面后的地質(zhì)情況，為隧道開挖施工提供有力參考[3-4]。

韓侃等[5]將TSP 法應(yīng)用于巖溶隧道，探測溶洞以及含水體的位置及規(guī)模，與實際較為一致；白亮等[6]以北疆供水二期工程為例， 緊密結(jié)合地震波物探法及激發(fā)極化探水法，取得良好超前地質(zhì)預(yù)報成效；秦良等[7]基于物理模擬相似性準(zhǔn)則，對隧道超前地質(zhì)預(yù)報進(jìn)行物理模擬，對傳統(tǒng)方法進(jìn)行改良；王遠(yuǎn)超等[8]進(jìn)行TBM 施工超前地質(zhì)預(yù)報，有機(jī)結(jié)合了TRT、TSP、微震監(jiān)測及超前地質(zhì)鉆孔等探測方法，精準(zhǔn)判識了隧道斷層破碎帶。

本文以贛州市龍南隧道為例， 結(jié)合TSP 和地質(zhì)雷達(dá)對隧道進(jìn)口進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報， 并系統(tǒng)介紹兩種預(yù)測方法的基本原理，比較兩者之間預(yù)測結(jié)果和優(yōu)缺點。研究結(jié)論可為高風(fēng)險隧道安全施工提供一定參考。

2 研究區(qū)概況

2.1 隧道概況

龍南隧道位于江西省贛州市全南縣和龍南縣境內(nèi)，線路近正北、北西走向。 場區(qū)以剝蝕構(gòu)造低山為主，地形起伏，局部陡峭，溝谷狹長，多呈“V”字型。 隧道穿越變質(zhì)砂巖、花崗巖、砂巖、石英砂巖等地層，本隧道起訖里程為DK91+531～DK101+775.27，全長10244.27 m。 隧道穿越低山區(qū)，沿線地面標(biāo)高210～860 m，隧道地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，屬控制性重點隧道工程。

2.2 掌子面地質(zhì)概況及物性特征

隧道當(dāng)前掌子面(DK99+429.6)開挖揭示為砂巖，強(qiáng)風(fēng)化，褐黃色，節(jié)理發(fā)育，巖體多呈塊狀及碎塊狀，整體穩(wěn)定性差，有多處滲水。 掌子面照片如圖1 所示。 當(dāng)隧道前方存在斷層、破碎帶、較大規(guī)模溶洞以及巖性變化等，巖體地震波波速以及波阻抗等物性參數(shù)會發(fā)生變化， 為開展隧道彈性波反射法超前預(yù)報工作提供了物性基礎(chǔ)。

圖1 DK99+429.6 掌子面

3 探測原理及方法

3.1 TSP 探測原理

隧道地震彈性波法(TSP 法)超前預(yù)報原理是利用地震反射波和繞射波原理， 對隧道掌子面前方的地質(zhì)條件進(jìn)行探測。 由震源產(chǎn)生的地震波向隧道前方傳播的過程中，遇到巖體中相對大的聲阻抗界面會產(chǎn)生反射波，遇到相對小的聲阻抗界面會產(chǎn)生繞射波，統(tǒng)稱為地震回波。利用設(shè)備采集隧道圍巖中界面的地震回波， 通過專業(yè)處理系統(tǒng)提取回波的界面位置、空間分布、回波極性和回波能量等信息，并結(jié)合隧道地質(zhì)勘察資料綜合分析，實現(xiàn)隧道地質(zhì)超前預(yù)報目的。 TSP 超前預(yù)報原理如圖2 所示。

圖2 TSP 超前預(yù)報原理示意圖

3.2 地質(zhì)雷達(dá)探測原理

地質(zhì)雷達(dá)檢測是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式， 其工作過程是由置于地面的發(fā)射天線發(fā)送入地下一高頻電磁脈沖波(主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫乃至千兆)，地層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層可以根據(jù)其電磁特性如介電常數(shù)來區(qū)分，當(dāng)相鄰的結(jié)構(gòu)層材料的電磁特性不同時，就會在其界面間影響射頻信號的傳播，發(fā)生透射和反射。一部分電磁波能量被界面反射回來， 另一部分能量會繼續(xù)穿透界面進(jìn)入下一層介質(zhì)， 電磁波在地層系統(tǒng)內(nèi)傳播的過程中，每遇到不同的結(jié)構(gòu)層，就會在層間界面發(fā)生透射和反射，由于介質(zhì)對電磁波信號有損耗作用，所以透射的雷達(dá)信號會越來越弱。探地雷達(dá)主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號處理機(jī)和終端設(shè)備(計算機(jī))等組成。地質(zhì)雷達(dá)測試原理如圖3 所示，雷達(dá)測線布置如圖4 所示。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)測試原理圖

圖4 雷達(dá)測線布置

4 TSP 和地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測結(jié)果

4.1 TSP 預(yù)測結(jié)果

通過TSP 法預(yù)報DK99+429.6～DK99+549.6 段，TSP探測結(jié)果如圖5 所示。

分析圖5 可知，DK99+429.6～DK99+435 段縱橫波波速整體變化不大，縱橫波速比、泊松比變化起伏較大，推測該里程段圍巖巖體與掌子面基本一致，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水較發(fā)育，圍巖分級評定為Ⅴ級。 DK99+435～DK99+549.6 段縱波波速下降， 橫波波速呈平穩(wěn)趨勢，縱橫波速比、泊松比變化起伏較大，且存在較多負(fù)反射界面， 推測該里程段圍巖整體穩(wěn)定性變差， 巖體極破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水發(fā)育，圍巖分級評定為Ⅵ級。

圖5 TSP 預(yù)報2D 成果圖

4.2 地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測結(jié)果

由于地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測范圍在20 m 以內(nèi)更精準(zhǔn)，通過地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報DK99+429.6～DK99+449.6 段， 地質(zhì)雷達(dá)波形如圖6 所示。

圖6 地質(zhì)雷達(dá)波形圖

在掌子面前方0～20 m 范圍內(nèi)，雷達(dá)波振幅加強(qiáng)，頻率變低， 局部散射波特征明顯， 推測對應(yīng)里程DK99+429.6～DK99+449.6 段巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水發(fā)育。

4.4 地質(zhì)雷達(dá)與TSP 比較

在DK99+429.6～DK99+449.6 段的預(yù)測結(jié)果中，TSP和地質(zhì)雷達(dá)探測較高程度上保持一致。 兩者探測都認(rèn)為巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水發(fā)育，現(xiàn)場開挖后，發(fā)現(xiàn)實際情況與兩者探測較為吻合，圍巖分級評定為Ⅴ級。而后對DK99+449.6～DK99+549.6 段繼續(xù)采用了地質(zhì)雷達(dá)，20 m 為一段，與TSP 進(jìn)行對比。其中DK99+435.2～DK99+549.6 段巖體極破碎，裂隙水發(fā)育，最終將該段評定為為Ⅵ級， 與TSP 探測得到Ⅵ級圍巖進(jìn)口起始點僅有0.2 m誤差，輔助驗證了TSP 探測的正確性。

綜合比較TSP 法和地質(zhì)雷達(dá)的原理、操作方法、探測范圍、精準(zhǔn)度等，TSP 法和地質(zhì)雷達(dá)各有優(yōu)缺點。 TSP 法的優(yōu)點是易于操作、探測范圍大(可達(dá)200 m)、成本較低、可對隧道圍巖分級， 其缺點是不能描述結(jié)構(gòu)面在掌子面中具體方位，受外界因素干擾易出現(xiàn)誤差。地質(zhì)雷達(dá)的優(yōu)點是能探測掌子面不同位置， 精度相比TSP 更高， 對溶洞、水更敏感，其缺點是探測范圍小(一般為20～30 m)，無法對隧道圍巖分級。

5 結(jié)論

(1)TSP 探測范圍可達(dá)200 m， 地質(zhì)雷達(dá)探測范圍一般為20～30 m，隧道超前地質(zhì)預(yù)報中，可先采用TSP 大范圍探測，在采用地質(zhì)雷達(dá)小范圍排查，有效提高預(yù)測精度。

(2)通過TSP 和地質(zhì)雷達(dá)對龍南隧道進(jìn)行探測，兩者預(yù)測結(jié)果在較高程度上保持一致， 其中DK99+429.6-DK99+435 段圍巖評定為Ⅴ級，DK99+435.2-DK99+549.6段圍巖評定為Ⅵ級。

(3)TSP 和地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報的同時使用，可達(dá)到相互佐證、提高預(yù)測精度的目的，有效地減小了誤差，為高風(fēng)險隧道安全施工提供一定參考。