TSP 和地质雷达在隧道超前地质预报中的综合应用

王志军

(昌九城际铁路股份有限公司，南昌 330000)

1 引言

随着我国基础设施的不断完善， 隧道工程建设日益增多[1-2]。 超前地质预报是隧道建设过程中必不可少的环节，探测掌子面后的地质情况，为隧道开挖施工提供有力参考[3-4]。

韩侃等[5]将TSP 法应用于岩溶隧道，探测溶洞以及含水体的位置及规模，与实际较为一致；白亮等[6]以北疆供水二期工程为例， 紧密结合地震波物探法及激发极化探水法，取得良好超前地质预报成效；秦良等[7]基于物理模拟相似性准则，对隧道超前地质预报进行物理模拟，对传统方法进行改良；王远超等[8]进行TBM 施工超前地质预报，有机结合了TRT、TSP、微震监测及超前地质钻孔等探测方法，精准判识了隧道断层破碎带。

本文以赣州市龙南隧道为例， 结合TSP 和地质雷达对隧道进口进行超前地质预报， 并系统介绍两种预测方法的基本原理，比较两者之间预测结果和优缺点。研究结论可为高风险隧道安全施工提供一定参考。

2 研究区概况

2.1 隧道概况

龙南隧道位于江西省赣州市全南县和龙南县境内，线路近正北、北西走向。 场区以剥蚀构造低山为主，地形起伏，局部陡峭，沟谷狭长，多呈“V”字型。 隧道穿越变质砂岩、花岗岩、砂岩、石英砂岩等地层，本隧道起讫里程为DK91+531～DK101+775.27，全长10244.27 m。 隧道穿越低山区，沿线地面标高210～860 m，隧道地质构造及水文地质条件较复杂，属控制性重点隧道工程。

2.2 掌子面地质概况及物性特征

隧道当前掌子面(DK99+429.6)开挖揭示为砂岩，强风化，褐黄色，节理发育，岩体多呈块状及碎块状，整体稳定性差，有多处渗水。 掌子面照片如图1 所示。 当隧道前方存在断层、破碎带、较大规模溶洞以及岩性变化等，岩体地震波波速以及波阻抗等物性参数会发生变化， 为开展隧道弹性波反射法超前预报工作提供了物性基础。

图1 DK99+429.6 掌子面

3 探测原理及方法

3.1 TSP 探测原理

隧道地震弹性波法(TSP 法)超前预报原理是利用地震反射波和绕射波原理， 对隧道掌子面前方的地质条件进行探测。 由震源产生的地震波向隧道前方传播的过程中，遇到岩体中相对大的声阻抗界面会产生反射波，遇到相对小的声阻抗界面会产生绕射波，统称为地震回波。利用设备采集隧道围岩中界面的地震回波， 通过专业处理系统提取回波的界面位置、空间分布、回波极性和回波能量等信息，并结合隧道地质勘察资料综合分析，实现隧道地质超前预报目的。 TSP 超前预报原理如图2 所示。

图2 TSP 超前预报原理示意图

3.2 地质雷达探测原理

地质雷达检测是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式， 其工作过程是由置于地面的发射天线发送入地下一高频电磁脉冲波(主频为数十兆赫至数百兆赫乃至千兆)，地层系统的结构层可以根据其电磁特性如介电常数来区分，当相邻的结构层材料的电磁特性不同时，就会在其界面间影响射频信号的传播，发生透射和反射。一部分电磁波能量被界面反射回来， 另一部分能量会继续穿透界面进入下一层介质， 电磁波在地层系统内传播的过程中，每遇到不同的结构层，就会在层间界面发生透射和反射，由于介质对电磁波信号有损耗作用，所以透射的雷达信号会越来越弱。探地雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备(计算机)等组成。地质雷达测试原理如图3 所示，雷达测线布置如图4 所示。

图3 地质雷达测试原理图

图4 雷达测线布置

4 TSP 和地质雷达预测结果

4.1 TSP 预测结果

通过TSP 法预报DK99+429.6～DK99+549.6 段，TSP探测结果如图5 所示。

分析图5 可知，DK99+429.6～DK99+435 段纵横波波速整体变化不大，纵横波速比、泊松比变化起伏较大，推测该里程段围岩岩体与掌子面基本一致，岩体破碎，节理裂隙发育，裂隙水较发育，围岩分级评定为Ⅴ级。 DK99+435～DK99+549.6 段纵波波速下降， 横波波速呈平稳趋势，纵横波速比、泊松比变化起伏较大，且存在较多负反射界面， 推测该里程段围岩整体稳定性变差， 岩体极破碎，节理裂隙发育，裂隙水发育，围岩分级评定为Ⅵ级。

图5 TSP 预报2D 成果图

4.2 地质雷达预测结果

由于地质雷达预测范围在20 m 以内更精准，通过地质雷达预报DK99+429.6～DK99+449.6 段， 地质雷达波形如图6 所示。

图6 地质雷达波形图

在掌子面前方0～20 m 范围内，雷达波振幅加强，频率变低， 局部散射波特征明显， 推测对应里程DK99+429.6～DK99+449.6 段岩体破碎，节理裂隙发育，裂隙水发育。

4.4 地质雷达与TSP 比较

在DK99+429.6～DK99+449.6 段的预测结果中，TSP和地质雷达探测较高程度上保持一致。 两者探测都认为岩体破碎、节理裂隙发育，裂隙水发育，现场开挖后，发现实际情况与两者探测较为吻合，围岩分级评定为Ⅴ级。而后对DK99+449.6～DK99+549.6 段继续采用了地质雷达，20 m 为一段，与TSP 进行对比。其中DK99+435.2～DK99+549.6 段岩体极破碎，裂隙水发育，最终将该段评定为为Ⅵ级， 与TSP 探测得到Ⅵ级围岩进口起始点仅有0.2 m误差，辅助验证了TSP 探测的正确性。

综合比较TSP 法和地质雷达的原理、操作方法、探测范围、精准度等，TSP 法和地质雷达各有优缺点。 TSP 法的优点是易于操作、探测范围大(可达200 m)、成本较低、可对隧道围岩分级， 其缺点是不能描述结构面在掌子面中具体方位，受外界因素干扰易出现误差。地质雷达的优点是能探测掌子面不同位置， 精度相比TSP 更高， 对溶洞、水更敏感，其缺点是探测范围小(一般为20～30 m)，无法对隧道围岩分级。

5 结论

(1)TSP 探测范围可达200 m， 地质雷达探测范围一般为20～30 m，隧道超前地质预报中，可先采用TSP 大范围探测，在采用地质雷达小范围排查，有效提高预测精度。

(2)通过TSP 和地质雷达对龙南隧道进行探测，两者预测结果在较高程度上保持一致， 其中DK99+429.6-DK99+435 段围岩评定为Ⅴ级，DK99+435.2-DK99+549.6段围岩评定为Ⅵ级。

(3)TSP 和地质雷达在隧道超前地质预报的同时使用，可达到相互佐证、提高预测精度的目的，有效地减小了误差，为高风险隧道安全施工提供一定参考。