長短結合法在隧道施工地質預報中的應用

陳凱江 李孟倩

(1.華北理工大學建筑工程學院，河北 唐山 063009； 2.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063009)

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長短結合法在隧道施工地質預報中的應用

陳凱江1李孟倩2

(1.華北理工大學建筑工程學院，河北 唐山 063009； 2.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063009)

介紹了地質雷達與TRT6000的探測原理，并以云南龍瑞高速公路黑山門隧道為例，采用地質雷達與TRT相結合的方法進行了超前地質預報，準確直觀地了解了掌子面前方的地質情況。

隧道，地質雷達，TRT，超前地質預報

0 引言

隨著國家對西部交通基礎設施建設的不斷投入，隧道工程已經成為西部山區交通建設中重點、難點工程。特別是近幾年，長、大隧道的建設有了快速的發展。長大隧道的建成在極大地方便人們交通出行的同時，如何保證安全、經濟的施工成為了制約特長隧道發展的重要因素。作為地下隱蔽工程，僅依靠設計之初的地質勘查顯然不能準確掌握隧道各部分的地質情況，由于不良的地質情況所引發的突發安全事故也時有發生。

為了更加全面的掌握隧道周邊圍巖的地質情況，減少不良的地質對隧道建設的危害，目前國內常用的工程手段就是在施工中對隧道進行超前地質預報，以便能夠根據隧道前方一定范圍內實際地質狀況及時調整設計支護參數保證隧道安全施工。

1 探測方法基本原理

在當前隧道施工技術水平下，隧道的施工的快慢與超前地質預報的距離和準確性有密不可分的關系。通常依據預報距離長短將其分為：短距離和長距離預報。在實際的超前地質預報中，地質雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)法由于其檢測方便快速以及探測結果準確可靠，是目前短距離超前地質預報最主要的物探方法[1]。TRT技術(True Reflection Tomography，隧道地震波反射層析成像技術)采用錘擊震源代替多數長距離超前地質預報中采用的炸藥震源，既可以保障隧道圍巖以及襯砌結構不因探測而發生破壞，又可以通過多次錘擊激發地震波實現疊加運算，提高探測的準確性[2]。

長、短距離探測方式各有利弊，短距離預報雖然探測過程較為簡單、精度較高，但是由于探測距離通常30 m以內，對于長大隧道而言探測頻率較高，特別是整體圍巖情況較好的地段，由于缺乏對于掌子面較遠距離圍巖情況的認識，多次短距離報告地質情況較好的探測結果，可能會使施工人員盲目樂觀，加快進度，甚至出現安全事故。長距離預報雖然預報距離長，但是相對精度卻低于短距離探測且無法對具體的下一施工循環的具體圍巖情況進行準確預報，單獨使用時缺乏令人信服的依據。

故而在進行隧道超前地質預報時，需要對隧道先進行長距離超前地質預報，確定隧道洞身范圍內圍巖的整體情況，了解在哪段里程范圍內的圍巖屬于不良地質條件，哪段里程圍巖情況良好。對于圍巖良好的地段，在進行地質雷達短距離探測時可以調節儀器參數適當加大探測距離，減少測線數量；而對于長距離探測的不良地質地段則可以適當減小探測距離，增加雷達測線數，盡可能對不良的地質條件進行全面探測，為合理施工提供依據保障。結合工程實際，文章對應用地質雷達和TRT技術結合法進行超前地質預報進行了探討。

1.1 地質雷達基本原理

地質雷達進行超期地質預報是根據雷達發射的電磁波在不同介質中產生透射、反射的特性來判斷前方地質情況的方法。地質雷達法的波源是由電磁振蕩所產生的高頻或特高頻電磁波。該電磁波沿著隧道圍巖向掌子面前方傳播，在傳播到圍巖界面時，如果界面兩側的圍巖介電常數差異較大，如界面前方有溶洞、富水區以及破碎帶等地質異常體時，就會在界面處發生折射、透射和反射等現象。發生折射和透射的電磁波繼續向前傳播，通過接收、記錄和處理反射回的電磁波信號，就能得到該圍巖界面的雷達的掃描圖像。經過對雷達圖像的判讀，地質超前預報作業人員就可以得到掌子面前方圍巖的實際地質情況[3]。

雷達電磁波的行程需時t可以按照式(1)確定：

(1)

其中，h為目標深度，m；x為發射天線(T)與接收天線(R)的距離，m；v為電磁波速度，m/ns。

在進行隧道超前地質預報中，隧道圍巖為非鐵磁性介質，雷達發射的電磁波在圍巖中的傳播速度可以用式(2)確定：

(2)

其中，c為光速，c=0.3 m/ns；ε為圍巖介質的相對介電常數。

目前工程中常用的地質雷達中，通常都將發射天線和接收天線進行一體化設計，如此設計可以極大地增加對于探測目標深度的計算準確性，探測深度可以用式(3)表示：

(3)

1.2 TRT6000探測原理

應用TRT技術進行隧道超前地質預報時，由錘擊震源所產生的地震波會沿著隧道圍巖向前傳播，在兩側巖層密度與地震波在該巖層傳播速度的乘積差異較大的界面處(即聲學阻抗差異較大時，通常界面兩側圍巖地質情況差異越大，阻抗也越大)，地震波會在界面處產生穿過界面的透射和在界面處的反射兩種現象。根據技術要求在靠近掌子面的隧拱腰和拱頂處布置的信號采集器會捕獲反射回來的地震波信號，通過專業的信號處理分析，就可以得到隧道掌子面前方圍巖的地質情況。地震波在圍巖界面處的反射系數可以由式(4)計算：

(4)

其中，R為反射系數；ρ1，ρ2均為巖層的密度；V1，V2均為地震波在巖層中的傳播速度。

由式(4)可知，反射系數的正負和界面兩側的阻抗差異密切相關，地震波由低阻抗圍巖傳播到高阻抗圍巖時，反射系數為正，反之為負。一旦界面前方的圍巖內部存在松散破裂帶時在該界面處的地震反射波的極性會發生反轉。不良地質體的規模越大，與其他圍巖的聲學阻抗差別越大，界面處的反射波就越明顯，越容易被捕獲。通過計算機軟件分析以及工程技術人員的判讀，就可以得到掌子面前方圍巖的性質，比如：是否存在軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等不良地質情況以及其位置和規模大小。

2 實例分析

2.1 工程概況

云南龍瑞高速公路黑山門隧道位于云南省德宏州畹町鎮境內，隧道設計全長8 376/2 m，雙向四車道，為左右線分離式隧道。在黑山門隧道的施工超前地質預報中，對部分里程段應用TRT與GPR相結合的探測方式進行了科學實驗分析并取得了較好的效果。

2.2 TRT探測結果

以黑山門隧道左洞TRT探測為例，工程人員在掌子面里程為K106+510時，采用TRT技術對隧道進行了實地探測，本次探測深度取120 m。在距離掌子面15 m處開始布置檢波器，在隧道掌子面前方2 m范圍內按照圖1布置震源位置。TRT數據判讀可以通過對比背景場來完成，通常采用掌子面的地質情況作為本次探測的背景場，根據探測區域的反射信號與掌子面差異值的大小來解釋隧道前方的地質情況。

探測結果立體圖見圖2，P波波速圖見圖3。

據此進行隧道圍巖地質情況判讀時需遵循以下原則：1)一般來說，判讀軟件對于較背景場地質松散、破碎等不良區域以藍色顯示，圍巖地質情況優于背景場時呈黃色顯示；2)TRT數據判讀必須從整體上進行解釋，單獨參照一個斷面的圖像結果沒有實際意義。

由探測結果可知，圍巖探測K106+610～K106+630段為地震波低速帶或反射面密集帶，圍巖完整性較探測其余地段差，破碎，自穩能力差，通過勘測區域的地震波反射掃描成像三維圖、P波波速、掌子面地質情況，參照JTG C20—2011公路工程地質勘察規范、JTJ 063—85公路隧道勘測規程及JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎設計規范，結合地質情況綜合分析，可以得出如下結論：掌子面前100 m與當前掌子面情況相似，之后20 m隧道圍巖破碎，建議加強支護。

2.3 地質雷達探測結果

結合TRT長距離探測結果，現場工程人員對K106+510～K106+610范圍內進行地質雷達探測時將探測距離調為30 m，經過現場探測隧道地質情況與K106+510基本相同，沒有明顯異常，在K106+610～K106+630段時恢復為20 m的探測距離，通過現場檢測，對地質雷達探測得到的原始雷達波進行時間靜校正、去直流漂移、增益、背景去除、巴特沃斯帶通一維濾波及滑動平均等二維濾波處理，壓制和剔除干擾波，突出有效波，處理后的雷達波如圖4所示。

根據地質雷達探測剖面綜合分析：

1)掌子面探測前方，時間深度40 ns～200 ns范圍內(探測深度2 m～10 m)，參考速率0.1 m/ns：雷達波震蕩頻率中等，振幅中等，同相軸延續1 m～3 m，波形紊亂，衰減速度慢，判斷該范圍巖體裂隙較發育，較破碎。

2)掌子面探測前方，從左至右1 m～5 m，時間深度200 ns～420 ns范圍內(探測深度10 m～21 m)，參考速率0.1 m/ns：雷達波震蕩頻率中等，振幅中等，波形紊亂，衰減速度慢，判斷該范圍巖體裂隙較發育，較破碎。

根據現場地質雷達檢測結果與TRT長距離探測結果的對比，可以發現兩種探測方法在K106+610～K62+630處得到了相同的探測結果，雷達預報結果更加的詳細，通過現場施工觀察在該段施工過程中，圍巖情況與雷達解譯結果一致。

3 結語

1)根據已有的隧道工程地質勘查資料結合現場施工的具體情況，項目人員充分利用兩種超前預報方法的優缺點，選擇TRT6000進行長距離地質預報，在長距離預報地質良好段適當加大雷達探測距離，在不良地質段時，再進行地質雷達短距離的精確地質預報。

2)TRT6000超前預報可以得到較為直觀的探測結果，適用于富水巖溶地段探測，同時，地質雷達法操作簡單快速，且預報的距離短，具有更高的精確性，對于長距離預報的不良地質地段可以進行有效的補充。

3)通過在4座隧道進行TRT與地質雷達相結合的探測實驗，長短結合能夠準確直觀地了解掌子面前方的地質情況，能及時地給出合理的施工建議，保證隧道的開挖安全。

[1] 高樹全，牟元存.巖溶隧道地質雷達超前預報及典型圖像分析[J].鐵道建筑技術，2015(10)：12-14.

[2] 王明華，王國斌，利奕年.TRT在巖溶隧道地質超前預報中的應用研究[J].水資源與水工程學報，2010(5)：40-42，46.

[3] 裴 強，王桂萱，白雪冰，等.探地雷達在隧道超前預報及襯砌質量檢測中的應用[A].隧道、地下工程及巖石破碎理論與應用——隧道、地下工程及巖石破碎學術研討會論文集[C].2007：118-129.

[4] 劉 靜.地質雷達與TRT法在隧道涌水預報中的應用[J].西部交通科技，2015(11)：72-77，112.

On application of long-and-short space method in geological forecasting of tunnel construction

Chen Kaijiang1Li Mengqian2

(1.CollegeofArchitecturalEngineering,NorthChinaUniversityofTechnology,Tangshan063009,China; 2.CollegeofMineralEngineering,NorthChinaUniversityofTechnology,Tangshan063009,China)

The paper introduces the detection principle for the Ground Penetrating Radar and TRT6000, undertakes the advanced geological forecasting by integrating the Ground Penetrating Radar and TRT by taking Heishanmen tunnel along Longling-Ruili expressway in Yunnan, and grasps the geological circumstance of the tunnel face.

tunnel, Ground Penetrating Radar, TRT, advanced geological forecast

1009-6825(2016)28-0165-03

2016-07-23

陳凱江(1988- )，男，助教

U456.32

A