TSP、地質(zhì)雷達圍巖超前預(yù)報對比研究

劉 海

（廣東天衡工程建設(shè)咨詢監(jiān)理有限公司武漢管理中心 武漢 430063）

山嶺隧道施工的關(guān)鍵在于及時了解掌子面以及掌子面前方的圍巖信息，針對不同的圍巖情況采取不同的襯砌參數(shù)和施工工法，這也是新奧法施工的精髓所在。目前，TSP、地質(zhì)雷達儀作為2種探測掌子面前方圍巖情況的探測工具已經(jīng)在隧道工程的施工中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文就如何發(fā)揮這2種儀器各自的長處，彌補它們的短處，將2種探測結(jié)果進行比較分析，綜合研判前方圍巖情況，更好地為隧道工程施工服務(wù)展開探討。

1 TSP超前預(yù)報技術(shù)

1.1 基本原理

TSP超前預(yù)報是一種通過人工激發(fā)一系列地震波，然后采集地震波在不同介質(zhì)巖面產(chǎn)生的回波，用軟件對回波進行分析，進而對前方圍巖進行判斷的技術(shù)。

1.2 TSP探測儀

目前現(xiàn)場使用最多的TSP超前探測儀器是TSP 203系統(tǒng)。TSP203系統(tǒng)主要由記錄單元、接收單元及附件和爆炸裝置組成。

1.3 TSP野外操作

在使用TSP203探測時，在隧道的左邊墻或右邊墻布設(shè)1條測線，炮點以一定間隔沿測線布置；然后，使用小藥量炮激發(fā)人工地震。通常情況下，數(shù)據(jù)采集可以在隧道任一邊墻上單一的炮點剖面上完成。如果潛在的斷層最先出現(xiàn)在隧道的左邊，在這種情況下，在面對掌子面的方向，炮點應(yīng)布設(shè)在隧道的左側(cè)。如果對隧道的前方圍巖地質(zhì)情況不太了解，經(jīng)濟且能更清晰地探測到隧道兩側(cè)圍巖的做法是使用1個炮點剖面和2個接收單元。對于隧道地質(zhì)條件極為復(fù)雜的情況，則建議在隧道兩側(cè)使用2個炮點剖面進行TSP探測，這樣就可以仔細檢查和對比所有的采集數(shù)據(jù)和預(yù)報結(jié)果［1］。

2 地質(zhì)雷達探測技術(shù)

2.1 基本原理

利用地質(zhì)雷達儀這樣一個高頻電磁波探測場源。由發(fā)射天線向地下介質(zhì)發(fā)射一定中心頻率的高頻電磁脈沖波，接收天線則接收來自地下介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到的波的旅行時間、幅度與波形資料來判斷介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。地質(zhì)雷達在進行圍巖超前預(yù)報時所使用的天線頻率為100MHz。

具體的電磁波演算公式如下：

式中：co為電磁波在真空中的傳播速度，m／s；vi為第i層介質(zhì)的電磁波傳播速度，m／s；εi為第i層介質(zhì)的介電常數(shù)；h為界面埋深，m；t為電磁波雙程走時，s。

通過上述公式就可以求出被探測物體內(nèi)各介質(zhì)的位置以及構(gòu)造情況，從而對圍巖情況進行判斷，對下一步施工提出指導(dǎo)意見［2］。

2.2 設(shè)備組成

目前工程現(xiàn)場使用最多是美國的SIR－20型地質(zhì)雷達儀。它主要由主機、天線、筆記本電腦與電纜線4部分組成。

2.3 測線布置

地質(zhì)雷達在進行隧道圍巖超前預(yù)報時，雷達測線一般布置在掌子面上，也可以根據(jù)需要布置在兩側(cè)邊墻的裸露圍巖上。測線布置方式為橫豎各2條，呈井字形布置。測線面積要盡量覆蓋掌子面。

3 工程實例

六安至武漢高速公路新開嶺隧道位于六安市金寨縣古碑鎮(zhèn)槐樹灣鄉(xiāng)境內(nèi)，為一座上、下行分離的4車道高速公路曲線特長隧道，隧道左線起訖樁號為ZK31＋190～ZK34＋387，全長3 197m，右線起訖樁號為YK31＋185～YK34＋414，全長3 229m。

新開嶺隧道六安端左線掘進到ZK32＋280處時，掌子面中部偏右距離拱頂位置沿炮眼出現(xiàn)涌水，流量約6.2m3／h。由于隧道掘進方向為反坡段，掌子面距離隧道洞口高差達15m，排水不暢，引起隧道積水，掌子面附近的積水深度達1.4 m左右，隧道積水長度達100m，致使隧道無法施工而停工。

新開嶺六安端左線ZK32＋280掌子面圍巖為微風(fēng)化花崗巖，整體呈紅色～褐紅色，巖面較新鮮，巖質(zhì)較堅硬，經(jīng)敲擊聲音清脆，大多節(jié)理寬度小于1mm，結(jié)構(gòu)面為閉合狀。節(jié)理2組，節(jié)理間距0.4～0.7m，產(chǎn)狀分別為 268°∠74°，113°∠75°。隧道走向為265°。根據(jù)現(xiàn)場勘察，該段圍巖為III級圍巖。為了探明掌子面前方地下水的情況，同時判斷前方是否存在不良地質(zhì)構(gòu)造。現(xiàn)場監(jiān)測項目部分別使用了TSP、地質(zhì)雷達儀對ZK32＋280前方圍巖進行了超前預(yù)報。

4 TSP、地質(zhì)雷達儀探測結(jié)果分析

4.1 TSP探測結(jié)果

通過對采集的TSP數(shù)據(jù)的處理，獲得P波，SH波，SV波的波速、深度偏移剖面、反射層面等一系列圍巖參數(shù)成果，見圖1、圖2。

圖1 地震波在圍巖中傳播的各項參數(shù)圖

圖2 地震波2D反射面圖

圖1中標(biāo)注1為橫波波速顯著減小而縱波波速幾乎無變化區(qū)域。由于縱波與橫波波速的改變，同時又造成了標(biāo)注2縱波與橫波比值的顯著變化。因為橫波具有在流體面發(fā)生全反射，且在流體內(nèi)幾乎不傳播的性質(zhì)，因此根據(jù)如標(biāo)注1，2的變化，推斷該區(qū)域為富水區(qū)域。

從圖2中可以看到3道斜向右上方的強反射面。從反射符號上可以判斷為強橫波反射。由于在該處未發(fā)現(xiàn)縱波反射，而橫波又有在液體表面幾乎全反射的特性，因此判斷上述3處為水流通道。

綜合波速、泊松比、密度等參數(shù)，最后得TSP探測結(jié)果如下：

（1）在距隧道軸線29，32，41m處有較強的反射波以43°～45°夾角從右而入與隧道軸線相交于ZK32＋300，＋310，＋329處，大致近南北走向，傾角近乎直立。

（2）在探測范圍ZK32＋280～ZK32＋380段內(nèi)，由TSP反射面圖可看出，前段縱橫波反射波較強。在縱橫波比值曲線上顯示ZK32＋300～ZK32＋347段縱、橫比值起伏明顯，尤其ZK32＋329處，縱波速度升高，橫波降低，推斷該段為富水構(gòu)造破碎帶。

（3）根據(jù)TSP探測成果和工程地質(zhì)條件，推測ZK32＋280～ZK32＋380段圍巖工程地質(zhì)水文、地質(zhì)條件如下：

①ZK32＋280～ZK32＋300，長20m，微風(fēng)化花崗巖，節(jié)理較發(fā)育，巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)，縱波速度5.0km／s，圍巖級別為III級。該段受富水構(gòu)造破碎帶影響，裂隙水發(fā)育。

②ZK32＋300～ZK32＋347，長47m，微風(fēng)化花崗巖，縱波速度4.0km／s，圍巖級別為IV級。推測該段為富水構(gòu)造破碎帶。

③ZK32＋347～ZK32＋380，長33m，微風(fēng)化花崗巖，節(jié)理較發(fā)育，縱波速度5.0km／s，圍巖級別為III級。受富水構(gòu)造破碎帶影響，局部圍巖破碎，裂隙水較發(fā)育。

4.2 地質(zhì)雷達探測結(jié)果

圖3，圖4分別是地質(zhì)雷達豎向與橫向測線所采集的圖像。從圖3中可以看到在圍巖的不同深度存在3條豎向裂隙（標(biāo)注1，2，3）貫穿掌子面，裂隙主要分布在掌子面右上方，而且豎向裂隙內(nèi)存在強反射信號。由于水的介電常數(shù)與圍巖的介電常數(shù)相差很大，電磁波在富水區(qū)域會發(fā)生強反射，所以推斷上述裂隙為水流通道。從圖4中可以看到在掌子面右側(cè)存在一條縱向的強反射信號，表明沿掌子面前進方向發(fā)育有一條縱向裂隙，由于縱向裂隙與豎向裂隙的位置非常接近，因此我們可以推斷上述裂隙相互銜接，構(gòu)成了掌子面涌水的水流通道。

圖3 地質(zhì)雷達豎向測線圖像

圖4 地質(zhì)雷達橫向測線圖像

綜合各條測線結(jié)果，地質(zhì)雷達探測結(jié)果為：總體來看，新開嶺隧道六安端左線ZK32＋280～310段圍巖整體性較好，巖體的硬度高，涌水口前方未發(fā)現(xiàn)有溶洞，同時掌子面前方圍巖內(nèi)含有的裂隙水并不多。通過雷達圖像分析，由于掌子面圍巖豎向節(jié)理發(fā)育，節(jié)理構(gòu)造面內(nèi)為強風(fēng)化物填充，且有縱向裂隙與自貫通，因此上述節(jié)理發(fā)育區(qū)極易形成地下水流通道。同時從地形圖來看，ZK32＋280正位于兩山體的匯水面處，因此判斷掌子面拱頂右側(cè)的涌水大部分應(yīng)來自于地表降水所形成的裂隙水。此次預(yù)報的ZK32＋280～310段圍巖具體情況如下：ZK32＋280～298段除在ZK32＋286，＋294.4處掌子面右上部發(fā)現(xiàn)有豎向節(jié)理構(gòu)造面外，巖體完整性較好，呈大塊狀。ZK32＋298～＋310段為節(jié)理發(fā)育區(qū)，在＋310處發(fā)育有1組豎向節(jié)理，巖體較破碎。探測范圍內(nèi)豎向節(jié)理均分布在掌子面右上方，且有縱向裂隙與之貫通。ZK32＋280～310段的拱頂右側(cè)由于節(jié)理發(fā)育，存在局部的破碎區(qū)域，是地下水主要流徑。

4.3 TSP、地質(zhì)雷達探測結(jié)果比較分析

由于地質(zhì)雷達超前預(yù)報的有效距離為30m，而TSP超前預(yù)報有效距離為120m，因此只比較兩者相同的30m預(yù)報段落，既ZK32＋280～＋310段。從兩者的預(yù)報結(jié)果來看，存在一些相同點與不同點。

（1）兩者相同點：①都探明不同深度存在來自右側(cè)的地下水流徑；②都探明圍巖前20m區(qū)域完整性好，后10m圍巖節(jié)理發(fā)育，圍巖較破碎。

（2）不同點：①TSP探測出了圍巖的各項參數(shù)指標(biāo)，對被測段落的圍巖進行了分級，而地質(zhì)雷達則無法做到這點；②地質(zhì)雷達探測出來自右側(cè)的裂隙水通道位置為ZK32＋286，＋294.4，＋310，TSP探測出的具體位置為ZK32＋300，＋310，兩者對裂隙水流徑發(fā)育的位置的判斷不完全一致；③地質(zhì)雷達對節(jié)理裂隙在掌子面的分布情況有較詳細的描述，而TSP則沒有。

4.4 現(xiàn)場實際施工與圍巖開挖后情況

由于設(shè)計單位根據(jù)地質(zhì)預(yù)報結(jié)果重點對右側(cè)拱頂重新進行了超前導(dǎo)管預(yù)注漿的變更設(shè)計，成功地止住了隧道的涌水，隧道開挖后的圍巖情況為ZK32＋280～ZK32＋300為III級圍巖，ZK32＋300～ZK32＋310為IV級圍巖，與超前預(yù)報基本相符［3］。

4.5 TSP與地質(zhì)雷達儀超前預(yù)報優(yōu)缺點分析

從對兩者探測的結(jié)果分析比較來看，TSP與地質(zhì)雷達儀具有各自的優(yōu)缺點。

（1）TSP的優(yōu)點在于能計算出地震波在圍巖不同段落的傳播速度，因此可以求出圍巖的各項巖性參數(shù)，對圍巖進行分級。而且由于地震波波速是實測的結(jié)果，因此能更準(zhǔn)確地確定各反射層的位置。比地質(zhì)雷達根據(jù)經(jīng)驗電磁波波速確定反射面位置精確度更高。在TSP與地質(zhì)雷達對裂隙等結(jié)構(gòu)面反射位置存在爭議時應(yīng)以TSP所確定的位置為準(zhǔn)。TSP的缺點則在于無法對結(jié)構(gòu)面在掌子面的具體分布位置作出詳細描述。

（2）地質(zhì)雷達的優(yōu)點在于操作靈活，探測時能對掌子面不同區(qū)域進行探測，因此能對裂隙等結(jié)構(gòu)面在掌子面的分布情況作出較詳細的描述。缺點在于無法探測出圍巖的各項物理參數(shù)，無法對圍巖進行分級，同時探測的精度沒有TSP高，尤其是在對反射面位置的確定上。

5 結(jié)語

通過對TSP、地質(zhì)雷達儀探測結(jié)果進行的比較分析，可以看出TSP與地質(zhì)雷達2種探測技術(shù)在進行圍巖超前預(yù)報時存在優(yōu)勢互補，如果在探測時能同時運用2種物探手段，綜合分析探測結(jié)果，將大大提高圍巖預(yù)報的準(zhǔn)確性。

［1］內(nèi)根斯多夫.TSP 203plus野外操作及數(shù)據(jù)采集手冊［M］.瑞士：安伯格技術(shù)公司，2008.

［2］李大心.探地雷達方法與應(yīng)用［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994.

［3］李之達，黃 彬，王花平.公路隧道初期支護結(jié)構(gòu)與圍巖特性分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2011（2）：219－222.