两种不同超前地质预报技术在隧道施工中的应用分析

时间：2024-09-03

喻海军

（重庆航天职业技术学院，重庆 400021）

1 引言

山岭地区地质条件较复杂，要在勘察设计阶段完全确定隧道工程所在区域不良地质体的准确位置和规模是非常困难的，因此在隧道开挖中经常出现预料不到的地质灾害，如节理发育围岩、软弱破碎带、断层、冒顶、涌水、涌泥（砂）、高瓦斯和强地震带等不可预见的地质灾害[1，2]，给施工带来很大困难。目前国内外从单一的预报手段和理论分析等角度来研究地质超前预报的成果颇丰，为类似公路隧道施工提供了宝贵的实践经验[3，4]。但单一的预报手段对地质预报的准确度并不够可靠，使用不同的方法（如地质雷达、TSP、红外探水等）[5]对不同地质缺陷的预报效果也不尽相同，如鲁建邦[6]对干扰数据解译图像识别进行一定研究，提高了干扰图像识别的准确率。而在隧道内特定环境中地质雷达探测干扰方面的研究较少，且关于隧道中常见干扰因素的分析不全面，对减少或消除干扰的措施讨论不详细。何生龙[7]指出TSP研究应用中存在的缺陷，在资料处理过程中，对参数的设置需根据不同情况进行多次尝试，这就有了不确定性解。

鉴于此，若能从前期地质工程勘察成果选定超前地质预报方法就显得尤为重要。本文结合石塘隧道（TSP）长距离探测与莫洛隧道（GPR）短距离探测，结合施工阶段地质分析法来实现超前地质预报，及时准确地预报了不良地质情况，不仅可以提前采取相应的措施提高隧道施工效率，还可以保证安全施工，可为类似工程提供参考。

2 隧道地质缺陷超前勘探方法

隧道施工的超前地质预报可分为不良地质预报、灾害地质预报、有害气体预报、水文地质预报、围岩类别预报等，常见的几种地质超前预报方法见表1[1，2]。

表1 地质超前预报方法

超前地质预报技术在公路隧道建设中得到了广泛应用，但也有其自身的局限性。比如地球物理勘探方法具有多解性，单一预报方法地质预报的准确性不够可靠，同时不同方法对不同地质缺陷预报的效果也不同，因此没有万能的地球物理勘探法，更没有万能的软件可以自动得出地质结论。相比而言，地质分析法基于区域地质状况，结合前期工程勘察成果，具有很强的针对性。为了更好地发挥各种预报方法的优点，根据“不能漏报，不能误报”的特点，可采用地质分析与地球物理勘探相结合的方法实现超前预报，相互弥补，相互验证，取长补短，才能取得最佳的预报效果，积极指导工程施工。

3 不同超前地质预报技术分析

目前市场上主流的两种物探方法是基于高频电磁波的反射原理GPR和地震波的反射原理TSP。

3.1 GPR探测原理分析

GPR是利用高频电磁波决定地下介质内部物质分布的广域电磁技术。该技术利用天线向地下或纵深发射高频宽带电磁脉冲波，利用接收天线接收结构层内不同介质层面的反射雷达波，根据介质电磁特性的不同，收集、处理、分析回波的反射特征，判断地下界面、地质体的空间位置、几何形态。GPR 探测的工作原理和基本组成及工作程序如图1所示。

图1 GPR探测的工作原理示意图

在已知地下介质波速的情况下，结合对反射电磁波频率和振幅的处理和分析，可以根据实测的t值确定地下界面和地质体的空间位置和几何形状[1，2]。

电磁脉冲波走时见式（1）[8]：

当发射天线和接收机器相距不远时，检测目标深度的简化计算公式见式（2）[8]：

式中，z为勘察目标深，m；t为脉冲波走时，s；v为电磁波在介质中的传播速度，m/s；x为发射与接收天线的距离，m（其中z＞x，故x可忽略）。

电磁波的传播速度见式（3）[9]：

式中，εr为介质的相对介电常数；μr为介质的相对磁导率，一般取值为1；c 为电磁波在真空中的传播速度，3×108m/s。

电磁波的反射系数见式（4）[10，11]：

某些介质的介电常数差别很大，与其岩性及其内部所含的电导体有关，主要媒质的物性相对差异见表2[3]。

表2 主要媒质的物性相对差异[8]

3.2 TSP探测原理分析

该系统利用地震波在不均匀、不连续地质体中产生的反射波来采集地震波在岩体中的传播信息，并借助相关软件进行数据处理。结合现有地质资料的综合分析，可以推断前方岩体的地质条件，达到隧道地质超前预报的目的。TSP 在岩体中探测时以球面波的形式传播，当局部地震波遇到断层、岩石破碎带、岩性变化或岩溶发育带等不同弹性波阻抗的界面时，一部分地震信号被反射回来，而另一部分信号被传入前方介质继续传播或反射。反射地震信号由高灵敏度地震检波器接收，反射信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比[12]。通过测量直达波速度v、反射回波时间t、波形和强度，可以预测隧道掌子面前方的地质情况，探测推断隧道内岩性变化带的大致位置。TSP探测的工作原理和基本组成及工作程序如图2所示。

图2 TSP探测的工作原理示意图

4 工程实例

4.1 GPR系列的应用

仁怀至赤水高速路莫洛隧道为分离式隧道，左线进口ZK57+077～ZK57+106（29m）、右线进口YK57+053～YK57+081（28m），采用美国研制生产（型号：SIR-20型）的地质雷达进行隧道地质超前预报，根据现场实际情况和测试技术标准，可选择单（多）天线连测或点测等多种方式，可以选用100MHz、80MHz、40MHz 以内的屏蔽接收-发射一体天线，每秒可进行64次信号数字叠加，增益可根据探测深度的变化进行指数放大。数据处理和反演解释使用仪器制造商和加州大学联合开发的地质雷达（型号：RADAN6.6）处理软件对雷达信号进行处理、解释和计算。

左线入口处掌子面岩性主要为灰色中灰岩，浅灰色～浅灰黑色薄至中层泥灰岩，煤线和灰黑色薄页岩，构造松散，节理裂隙发育，呈碎裂状结构，弱风化带。莫洛隧道ZK57+077、YK57+053掌子面地质雷达测线均为从左到右布置，如图3所示。

图3 莫洛隧道掌子面地质雷达测线布置图

借助掌子面和周边地质情况以及地质雷达探测结果综合分析（表3），施工建议如下：

表3 莫洛隧道地质雷达测试综合分析表

①莫洛隧道左线如图4 所示，ZK57+079～ZK57+094（15m）段围岩完整性较差，节理裂隙较发育，岩体破碎化程度较高，局部断面围岩含泥量较重，岩体松散呈软弱状。结合掌子面出露围岩情况，施工时应注意该段局部失稳或坍塌情况的发生。该段原设计支护类型为Ⅳb 级偏弱，可根据围岩实际开挖情况，及时修正支护参数，同时缩短循环开挖进尺，关注前方围岩变化及开挖情况，确保安全施工。ZK57+094～ZK57+096（2m）段左侧及中部留有未充填的采空区，施工到此阶段时应采取适当的充填及加固方案，建议缩短循环开挖进度，降低对围岩的扰动，防止局部发生块体坠落或碎石坍塌，顺利通过此路段。

图4 莫洛隧道左线ZK57+077～ZK57+106段掌子面地质雷达波形图

②莫洛隧道右线如图5、图6 所示，YK57+054～YK57+069（15m）段围岩完整性较差，岩体较软弱和破碎，泥质和煤层含量较重，施工到该阶段时发生围岩失稳或局部塌方情况，该阶段原设计支护类型为Ⅳb级偏弱，超前地质预报建议可提高该段的支护参数类别，同时缩短循环开挖进尺，同时关注前方围岩变化及开挖情况，确保安全施工。

图5 莫洛隧道右线YK57+053～YK57+081段掌子面上部地质雷达波形图

图6 莫洛隧道右线YK57+053～YK57+081段掌子面下部地质雷达波形图

鉴于此，对于软弱煤层、节理裂隙带较密集的围岩地段，应严格遵循“弱爆破、短开挖、多循环、早支护”的施工原则，做好超前支护，防止围岩坍塌，加强瓦斯监测预警措施，及时降低隧道瓦斯含量，防止隧道瓦斯超限引发瓦斯事故；此外应采取超前水平岩芯钻探探明隧道前方采空区位置和规模大小、地层及不良地质情况，以便及时调整掘进及支护方案，预防瓦斯突出及突水突泥等事故的发生。

4.2 TSP系列的应用

城口至万源快速路石塘隧道K61+900～K62+060段采用地质超前预报仪（型号：TGP206）进行预报，在隧道进口方向掌子面前位于K61+852里程处两侧洞壁上布置预报接收检波器，接收孔距掌子面48m，激发炮孔在左壁K61+892～K61+872 段20m 内。在隧道进口方向左侧壁上同一水平线，由内向外布置21个炮孔，炮孔之间距离为1m，炮孔之间高度为1.1m，距接收孔最近距离约为20m。

收集到的TSP 数据采用TGPwin 软件进行分析处理，得到了SH波、p波、SV波的时间截面、相关偏移回归截面等成果。石塘隧道进口K61+900～K62+060 段通过SH 波、p波、SV 波原始记录分析岩体段地质条件，再与偏移回归剖面预报推测前方岩体地质条件，综合预报分析时推断以p 波剖面资料为主[7]，结合横波资料加以解释（表4），解释应遵循以下准则：如果s波的反射强于p波，则表明岩层含水；如果左右孔壁相比较，则采用同一侧激发和接收的资料为主的原则；如果纵波资料与横波资料相对比，则采用以纵波资料为主的原则[8]。

表4 石塘隧道进口K61+900～K62+060（160m）段TSP探测结果解释