长短结合法在隧道施工地质预报中的应用

陈凯江 李孟倩

(1.华北理工大学建筑工程学院，河北 唐山 063009； 2.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009)



长短结合法在隧道施工地质预报中的应用

陈凯江1李孟倩2

(1.华北理工大学建筑工程学院，河北 唐山 063009； 2.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009)

介绍了地质雷达与TRT6000的探测原理，并以云南龙瑞高速公路黑山门隧道为例，采用地质雷达与TRT相结合的方法进行了超前地质预报，准确直观地了解了掌子面前方的地质情况。

隧道，地质雷达，TRT，超前地质预报

0 引言

随着国家对西部交通基础设施建设的不断投入，隧道工程已经成为西部山区交通建设中重点、难点工程。特别是近几年，长、大隧道的建设有了快速的发展。长大隧道的建成在极大地方便人们交通出行的同时，如何保证安全、经济的施工成为了制约特长隧道发展的重要因素。作为地下隐蔽工程，仅依靠设计之初的地质勘查显然不能准确掌握隧道各部分的地质情况，由于不良的地质情况所引发的突发安全事故也时有发生。

为了更加全面的掌握隧道周边围岩的地质情况，减少不良的地质对隧道建设的危害，目前国内常用的工程手段就是在施工中对隧道进行超前地质预报，以便能够根据隧道前方一定范围内实际地质状况及时调整设计支护参数保证隧道安全施工。

1 探测方法基本原理

在当前隧道施工技术水平下，隧道的施工的快慢与超前地质预报的距离和准确性有密不可分的关系。通常依据预报距离长短将其分为：短距离和长距离预报。在实际的超前地质预报中，地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)法由于其检测方便快速以及探测结果准确可靠，是目前短距离超前地质预报最主要的物探方法[1]。TRT技术(True Reflection Tomography，隧道地震波反射层析成像技术)采用锤击震源代替多数长距离超前地质预报中采用的炸药震源，既可以保障隧道围岩以及衬砌结构不因探测而发生破坏，又可以通过多次锤击激发地震波实现叠加运算，提高探测的准确性[2]。

长、短距离探测方式各有利弊，短距离预报虽然探测过程较为简单、精度较高，但是由于探测距离通常30 m以内，对于长大隧道而言探测频率较高，特别是整体围岩情况较好的地段，由于缺乏对于掌子面较远距离围岩情况的认识，多次短距离报告地质情况较好的探测结果，可能会使施工人员盲目乐观，加快进度，甚至出现安全事故。长距离预报虽然预报距离长，但是相对精度却低于短距离探测且无法对具体的下一施工循环的具体围岩情况进行准确预报，单独使用时缺乏令人信服的依据。

故而在进行隧道超前地质预报时，需要对隧道先进行长距离超前地质预报，确定隧道洞身范围内围岩的整体情况，了解在哪段里程范围内的围岩属于不良地质条件，哪段里程围岩情况良好。对于围岩良好的地段，在进行地质雷达短距离探测时可以调节仪器参数适当加大探测距离，减少测线数量；而对于长距离探测的不良地质地段则可以适当减小探测距离，增加雷达测线数，尽可能对不良的地质条件进行全面探测，为合理施工提供依据保障。结合工程实际，文章对应用地质雷达和TRT技术结合法进行超前地质预报进行了探讨。

1.1 地质雷达基本原理

地质雷达进行超期地质预报是根据雷达发射的电磁波在不同介质中产生透射、反射的特性来判断前方地质情况的方法。地质雷达法的波源是由电磁振荡所产生的高频或特高频电磁波。该电磁波沿着隧道围岩向掌子面前方传播，在传播到围岩界面时，如果界面两侧的围岩介电常数差异较大，如界面前方有溶洞、富水区以及破碎带等地质异常体时，就会在界面处发生折射、透射和反射等现象。发生折射和透射的电磁波继续向前传播，通过接收、记录和处理反射回的电磁波信号，就能得到该围岩界面的雷达的扫描图像。经过对雷达图像的判读，地质超前预报作业人员就可以得到掌子面前方围岩的实际地质情况[3]。

雷达电磁波的行程需时t可以按照式(1)确定：

(1)

其中，h为目标深度，m；x为发射天线(T)与接收天线(R)的距离，m；v为电磁波速度，m/ns。

在进行隧道超前地质预报中，隧道围岩为非铁磁性介质，雷达发射的电磁波在围岩中的传播速度可以用式(2)确定：

(2)

其中，c为光速，c=0.3 m/ns；ε为围岩介质的相对介电常数。

目前工程中常用的地质雷达中，通常都将发射天线和接收天线进行一体化设计，如此设计可以极大地增加对于探测目标深度的计算准确性，探测深度可以用式(3)表示：

(3)

1.2 TRT6000探测原理

应用TRT技术进行隧道超前地质预报时，由锤击震源所产生的地震波会沿着隧道围岩向前传播，在两侧岩层密度与地震波在该岩层传播速度的乘积差异较大的界面处(即声学阻抗差异较大时，通常界面两侧围岩地质情况差异越大，阻抗也越大)，地震波会在界面处产生穿过界面的透射和在界面处的反射两种现象。根据技术要求在靠近掌子面的隧拱腰和拱顶处布置的信号采集器会捕获反射回来的地震波信号，通过专业的信号处理分析，就可以得到隧道掌子面前方围岩的地质情况。地震波在围岩界面处的反射系数可以由式(4)计算：

(4)

其中，R为反射系数；ρ1，ρ2均为岩层的密度；V1，V2均为地震波在岩层中的传播速度。

由式(4)可知，反射系数的正负和界面两侧的阻抗差异密切相关，地震波由低阻抗围岩传播到高阻抗围岩时，反射系数为正，反之为负。一旦界面前方的围岩内部存在松散破裂带时在该界面处的地震反射波的极性会发生反转。不良地质体的规模越大，与其他围岩的声学阻抗差别越大，界面处的反射波就越明显，越容易被捕获。通过计算机软件分析以及工程技术人员的判读，就可以得到掌子面前方围岩的性质，比如：是否存在软弱带、破碎带、断层、含水等不良地质情况以及其位置和规模大小。

2 实例分析

2.1 工程概况

云南龙瑞高速公路黑山门隧道位于云南省德宏州畹町镇境内，隧道设计全长8 376/2 m，双向四车道，为左右线分离式隧道。在黑山门隧道的施工超前地质预报中，对部分里程段应用TRT与GPR相结合的探测方式进行了科学实验分析并取得了较好的效果。

2.2 TRT探测结果

以黑山门隧道左洞TRT探测为例，工程人员在掌子面里程为K106+510时，采用TRT技术对隧道进行了实地探测，本次探测深度取120 m。在距离掌子面15 m处开始布置检波器，在隧道掌子面前方2 m范围内按照图1布置震源位置。TRT数据判读可以通过对比背景场来完成，通常采用掌子面的地质情况作为本次探测的背景场，根据探测区域的反射信号与掌子面差异值的大小来解释隧道前方的地质情况。

探测结果立体图见图2，P波波速图见图3。

据此进行隧道围岩地质情况判读时需遵循以下原则：1)一般来说，判读软件对于较背景场地质松散、破碎等不良区域以蓝色显示，围岩地质情况优于背景场时呈黄色显示；2)TRT数据判读必须从整体上进行解释，单独参照一个断面的图像结果没有实际意义。

由探测结果可知，围岩探测K106+610～K106+630段为地震波低速带或反射面密集带，围岩完整性较探测其余地段差，破碎，自稳能力差，通过勘测区域的地震波反射扫描成像三维图、P波波速、掌子面地质情况，参照JTG C20—2011公路工程地质勘察规范、JTJ 063—85公路隧道勘测规程及JTG D63—2007公路桥涵地基与基础设计规范，结合地质情况综合分析，可以得出如下结论：掌子面前100 m与当前掌子面情况相似，之后20 m隧道围岩破碎，建议加强支护。

2.3 地质雷达探测结果

结合TRT长距离探测结果，现场工程人员对K106+510～K106+610范围内进行地质雷达探测时将探测距离调为30 m，经过现场探测隧道地质情况与K106+510基本相同，没有明显异常，在K106+610～K106+630段时恢复为20 m的探测距离，通过现场检测，对地质雷达探测得到的原始雷达波进行时间静校正、去直流漂移、增益、背景去除、巴特沃斯带通一维滤波及滑动平均等二维滤波处理，压制和剔除干扰波，突出有效波，处理后的雷达波如图4所示。

根据地质雷达探测剖面综合分析：

1)掌子面探测前方，时间深度40 ns～200 ns范围内(探测深度2 m～10 m)，参考速率0.1 m/ns：雷达波震荡频率中等，振幅中等，同相轴延续1 m～3 m，波形紊乱，衰减速度慢，判断该范围岩体裂隙较发育，较破碎。

2)掌子面探测前方，从左至右1 m～5 m，时间深度200 ns～420 ns范围内(探测深度10 m～21 m)，参考速率0.1 m/ns：雷达波震荡频率中等，振幅中等，波形紊乱，衰减速度慢，判断该范围岩体裂隙较发育，较破碎。

根据现场地质雷达检测结果与TRT长距离探测结果的对比，可以发现两种探测方法在K106+610～K62+630处得到了相同的探测结果，雷达预报结果更加的详细，通过现场施工观察在该段施工过程中，围岩情况与雷达解译结果一致。

3 结语

1)根据已有的隧道工程地质勘查资料结合现场施工的具体情况，项目人员充分利用两种超前预报方法的优缺点，选择TRT6000进行长距离地质预报，在长距离预报地质良好段适当加大雷达探测距离，在不良地质段时，再进行地质雷达短距离的精确地质预报。

2)TRT6000超前预报可以得到较为直观的探测结果，适用于富水岩溶地段探测，同时，地质雷达法操作简单快速，且预报的距离短，具有更高的精确性，对于长距离预报的不良地质地段可以进行有效的补充。

3)通过在4座隧道进行TRT与地质雷达相结合的探测实验，长短结合能够准确直观地了解掌子面前方的地质情况，能及时地给出合理的施工建议，保证隧道的开挖安全。

[1] 高树全，牟元存.岩溶隧道地质雷达超前预报及典型图像分析[J].铁道建筑技术，2015(10)：12-14.

[2] 王明华，王国斌，利奕年.TRT在岩溶隧道地质超前预报中的应用研究[J].水资源与水工程学报，2010(5)：40-42，46.

[3] 裴 强，王桂萱，白雪冰，等.探地雷达在隧道超前预报及衬砌质量检测中的应用[A].隧道、地下工程及岩石破碎理论与应用——隧道、地下工程及岩石破碎学术研讨会论文集[C].2007：118-129.

[4] 刘 静.地质雷达与TRT法在隧道涌水预报中的应用[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

陈凯江(1988- )，男，助教

U456.32

A