TSP與地質(zhì)雷達(dá)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及其工程應(yīng)用

TSP與地質(zhì)雷達(dá)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及其工程應(yīng)用摘要：該研究通過工程實(shí)例綜合使用了TSP超前預(yù)報(bào)與地質(zhì)雷達(dá)綜合應(yīng)用，介紹了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中地質(zhì)雷達(dá)的工作原理與應(yīng)用方法、地質(zhì)雷達(dá)布線方法以及雷達(dá)探測(cè)結(jié)果及TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中地震勘探的工作原理與應(yīng)用方法。結(jié)合二者在數(shù)據(jù)獲取、處理等方面的優(yōu)勢(shì)，保證了隧道的安全快速施工。關(guān)鍵詞：TSP；地質(zhì)雷達(dá)；隧道；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)0引言近年來我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)尤其是中西部地區(qū)公路和鐵路建設(shè)高速發(fā)展。其中，隧道工程由于其在道路建設(shè)中的重要性，進(jìn)一步引起人們的重視。為了滿足隧道工程中安全性與施工進(jìn)度，就要對(duì)隧道內(nèi)的地質(zhì)信息進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。對(duì)于隧道施工中可能產(chǎn)生的安全性問題，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能夠分析所需的施工前方圍巖與地層情況［1，2］。爭(zhēng)取在施工前掌握巖土體性質(zhì)、狀態(tài)等地質(zhì)信息，為進(jìn)一步的施工提出建議，防止在施工過程中發(fā)生涌水、巖爆等地質(zhì)災(zāi)害，從而實(shí)現(xiàn)施工安全高效的進(jìn)行。隧道地震波法（tunnelseismicprediction，簡(jiǎn)稱TSP）是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要方法［3,4］。該方法通過高精度的接收儀器獲取爆破所產(chǎn)生的地震波信號(hào)并通過計(jì)算機(jī)軟件初步探查前方圍巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙分布、及含水狀況等；地質(zhì)雷達(dá)法具有簡(jiǎn)單實(shí)用，精度較高，可用來查明斷層破碎帶、滑坡面、巖溶和土洞，適合在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中進(jìn)行短距離探測(cè)，根據(jù)處理后的雷達(dá)圖像可以直觀的得出工程所需的地質(zhì)信息［5，6］。1隧道地震波法（TSP）與地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)原理（1）TSP預(yù)報(bào)原理周家山隧道預(yù)報(bào)采用瑞士安伯格公司生產(chǎn)的最新型號(hào)的TSP203plus隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。TSP測(cè)量系統(tǒng)是通過在掌子面后方一定距離內(nèi)的鉆孔中以微震爆破來發(fā)射信號(hào)的，爆破引發(fā)的地震波在巖體中以球面的形式向四周傳播，其中一部分向隧道前方傳播，經(jīng)隧道前方的界面反射回來，反射信號(hào)經(jīng)接受傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大［3,4］。從起爆到發(fā)射信號(hào)被接收的這段時(shí)間是與反射面的距離成比例的。通過反射時(shí)間與地震波傳播速度的換算就可以將反射面的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進(jìn)面的距離確定下來，同時(shí)還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置方便的探測(cè)出來。振動(dòng)波由在特定位置人為制造的小型爆破產(chǎn)生，一般是沿隧道一側(cè)洞壁布置24個(gè)爆破點(diǎn)，爆破點(diǎn)平行于隧道底面呈直線排列，孔距1.5m，孔深1.5m，炮孔垂直于邊墻向下傾斜10~15°，以利于灌水堵孔。距最后的爆破點(diǎn)15~20m處設(shè)接收器點(diǎn)（在一側(cè)或雙側(cè)），接收器安裝孔的孔深2m，向上傾斜15度，內(nèi)置接收傳感器。圖1TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)布孔要求在測(cè)量過程中，逐次引爆爆破點(diǎn)的炸藥（約50-150g，根據(jù)圍巖不同適時(shí)調(diào)整），制造出小型地震波，地震波遇到節(jié)理面、地層層面、破碎帶界面和溶洞、暗河等不良地質(zhì)界面時(shí)，將產(chǎn)生反射波，反射波的強(qiáng)度及傳送時(shí)間反映了相關(guān)界面的性質(zhì)、產(chǎn)狀、距離接收點(diǎn)的距離。利用TSPwin軟件對(duì)采集的TSP數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面和反射層提取以及巖石物性參數(shù)等一系列成果。在成果解釋中，以P波資料為主對(duì)巖層進(jìn)行劃分，結(jié)合橫波資料對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。解釋中，遵循以下準(zhǔn)則：正反射振幅表明硬巖層，負(fù)反射振幅表明軟巖層。若S波反射較P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水。Vp/Vs增加或6突然增大，常常由于流體的存在而引起。若Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加。（2）地質(zhì)雷達(dá)原理地質(zhì)雷達(dá)（GroundPenetratingRadar（GPR））是一種利用高頻電磁波探測(cè)地下物體的電子設(shè)備。地質(zhì)雷達(dá)通過發(fā)射天線發(fā)射中心頻率為12.5M至1200M、脈沖寬度為0.1ns的脈沖電磁波訊號(hào)。當(dāng)這一訊號(hào)在巖層中遇到探測(cè)目標(biāo)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射訊號(hào)。直達(dá)訊號(hào)和反射訊號(hào)通過接收天線輸入到接收機(jī)，放大后由示波器顯示出來。根據(jù)示波器有無反射汛號(hào)，可以判斷有無被測(cè)目標(biāo)；根據(jù)反射訊號(hào)到達(dá)滯后時(shí)間及目標(biāo)物體平均反射波速，可以大致計(jì)算出探測(cè)目標(biāo)的距離［7-9］。2工程概況周家灣隧道是擬建銀川至北海高速公路建始（隴里）至恩施（羅針田）段上的一座分離式隧道。起訖里程樁號(hào)：左隧道ZK95+377?ZK97+815，長(zhǎng)2438m，右隧道YK95+415?YK97+819，長(zhǎng)2404m，為長(zhǎng)隧道。隧道最大埋深約246m，洞軸線方位角210°；單洞凈空10.50mx5.0m，進(jìn)口洞門均采用端墻式，燈光照明，機(jī)械通風(fēng)。隧道地表土層為坡積（Q4dl）粘性土和碎石、崩積坡積成因的粘性土和塊石土（Q4c+dl），巖層為志留系中統(tǒng)紗帽組（S2s）粉砂巖、粉砂巖夾石英細(xì)砂巖、炭質(zhì)灰?guī)r、斷層角礫巖，二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r、含炭鈣質(zhì)頁巖、薄煤層、茅口組（P1m）微晶灰?guī)r（含燧石結(jié)核）、上統(tǒng)吳家坪組（P2w）炭質(zhì)頁巖、大隆組（P2d）炭質(zhì)頁巖夾硅質(zhì)巖，三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）灰?guī)r、灰?guī)r夾頁巖、底部頁巖夾灰?guī)r，主要為灰?guī)r易發(fā)育溶洞等不良地質(zhì)體。3TSP超前探測(cè)（1）探測(cè)結(jié)果用TSPwin軟件對(duì)接收到的地震波信號(hào)進(jìn)行處理，得到掌子面前方巖體波速、界面及巖體物性參數(shù)等成果。（表1，圖2）。圖2地震波處理結(jié)果（左：P波提取的反射界面右：2D結(jié)果顯示與巖體物性圖）表1探測(cè)結(jié)果（2）該段施工建議綜合TSP探測(cè)結(jié)果及地質(zhì)資料分析，預(yù)報(bào)段總體情況如掌子面揭露所見，中-微風(fēng)化灰?guī)r，局部夾雜泥質(zhì)，其中YK96+284~YK96+280、YK96+274~YK96+270段、YK96+270~YK96+256段、巖體較破碎，節(jié)理裂隙及巖溶裂隙發(fā)育，圍巖強(qiáng)度降低，含有裂隙。施工時(shí)應(yīng)結(jié)合TSP超前預(yù)報(bào)結(jié)果和掌子面圍巖揭露情況，可能存在異常段要注意防止塌方等工程事故的發(fā)生，保證隧道施工安全。4地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)（1） 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置2018年12月13日，周家灣隧道出口YK96+215掌子面開展了一次短距離地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)工作，采用天線頻率為100MHz，采集樣本點(diǎn)為1024。（2） 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果本次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)距離為30m，里程樁號(hào)范圍為YK96+215~YK96+185，處理后雷達(dá)圖像如圖3。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況分析，具體探測(cè)結(jié)論描述如下：①掌子面前方Y(jié)K96+214~YK96+202中部至右側(cè)范圍內(nèi)信號(hào)紊亂，根據(jù)雷達(dá)信息特征，推測(cè)該處圍巖受風(fēng)化作用影響強(qiáng)烈，圍巖相對(duì)較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育且存在較大裂隙或細(xì)小空洞，局部夾雜泥質(zhì)，易發(fā)生脫落掉塊，施工時(shí)應(yīng)注意安全防范措施。②掌子面前方Y(jié)K96+211~YK96+209范圍內(nèi)左側(cè)3m雷達(dá)反應(yīng)強(qiáng)烈，根據(jù)雷達(dá)特征，推測(cè)該處圍巖破碎，膠結(jié)能力較差，成分主要由土夾石組成。施工時(shí)應(yīng)注意塌方掉塊。圖3測(cè)線處理結(jié)果圖該段施工建議該段圍巖以中風(fēng)化灰?guī)r為主，圍巖完整性較好，巖體較破碎，局部節(jié)理裂隙發(fā)育，可能存在小型溶洞，裂隙中夾雜泥質(zhì)及裂隙水。需要說明的是，掌子面凹凸不平及施工現(xiàn)場(chǎng)的金屬物對(duì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果有一定影響。因此，根據(jù)分析結(jié)果，反應(yīng)異常區(qū)建議做好防范措施，施工時(shí)應(yīng)施作超前炮孔和超前水平鉆，注意掌子面地質(zhì)變化情況，注意現(xiàn)場(chǎng)施工安全，確保施工質(zhì)量和安全。5結(jié)論周家灣隧道同時(shí)采用TSP超前預(yù)報(bào)與地質(zhì)雷達(dá)共同探測(cè)，分別探測(cè)YK96+380~YK96+250段落與YK96+215?YK96+185段落，并就探測(cè)結(jié)果給出了施工建議。通過長(zhǎng)程預(yù)報(bào)與短程預(yù)報(bào)相結(jié)合極大的提高了隧道施工的預(yù)報(bào)精度與施工安全性，提高了施工效率。參考文獻(xiàn)：李術(shù)才，許振浩，黃鑫，林鵬，趙曉成，張慶松，楊磊，張霄，孫懷鳳，潘東東隧道突水突泥致災(zāi)構(gòu)造分類、地質(zhì)判識(shí)、孕災(zāi)模式與典型案例分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018,37(05)：1041-1069.許振浩，李術(shù)才，李利平，侯建剛，隋斌，石少帥.基于層次分析法的巖溶隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].巖土力學(xué)，2011，32(06)：1757-1766.席錦州，周捷.TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在新銅鑼山隧道中的運(yùn)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49(05)：137-141.許振浩，李術(shù)才，張慶松，劉斌，張霄，葛顏慧.TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)地震波反射特性研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008(04)：640-644.岳彬，鐘凌云，王貴和.地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在客專隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].工程勘察，2014，42(09)：89-93.余志雄，薛桂玉，周創(chuàng)兵.復(fù)信號(hào)分析技術(shù)及其在地質(zhì)雷達(dá)數(shù)字處理中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，