陳凱江 李孟倩

(1.華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009； 2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

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長短結(jié)合法在隧道施工地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

陳凱江1李孟倩2

(1.華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009； 2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

介紹了地質(zhì)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(zhì)雷達與TRT相結(jié)合的方法進行了超前地質(zhì)預(yù)報，準確直觀地了解了掌子面前方的地質(zhì)情況。

隧道，地質(zhì)雷達，TRT，超前地質(zhì)預(yù)報

0 引言

隨著國家對西部交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷投入，隧道工程已經(jīng)成為西部山區(qū)交通建設(shè)中重點、難點工程。特別是近幾年，長、大隧道的建設(shè)有了快速的發(fā)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(jīng)濟的施工成為了制約特長隧道發(fā)展的重要因素。作為地下隱蔽工程，僅依靠設(shè)計之初的地質(zhì)勘查顯然不能準確掌握隧道各部分的地質(zhì)情況，由于不良的地質(zhì)情況所引發(fā)的突發(fā)安全事故也時有發(fā)生。

為了更加全面的掌握隧道周邊圍巖的地質(zhì)情況，減少不良的地質(zhì)對隧道建設(shè)的危害，目前國內(nèi)常用的工程手段就是在施工中對隧道進行超前地質(zhì)預(yù)報，以便能夠根據(jù)隧道前方一定范圍內(nèi)實際地質(zhì)狀況及時調(diào)整設(shè)計支護參數(shù)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(shù)水平下，隧道的施工的快慢與超前地質(zhì)預(yù)報的距離和準確性有密不可分的關(guān)系。通常依據(jù)預(yù)報距離長短將其分為：短距離和長距離預(yù)報。在實際的超前地質(zhì)預(yù)報中，地質(zhì)雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)法由于其檢測方便快速以及探測結(jié)果準確可靠，是目前短距離超前地質(zhì)預(yù)報最主要的物探方法[1]。TRT技術(shù)(True Reflection Tomography，隧道地震波反射層析成像技術(shù))采用錘擊震源代替多數(shù)長距離超前地質(zhì)預(yù)報中采用的炸藥震源，既可以保障隧道圍巖以及襯砌結(jié)構(gòu)不因探測而發(fā)生破壞，又可以通過多次錘擊激發(fā)地震波實現(xiàn)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(yù)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(nèi)，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(zhì)情況較好的探測結(jié)果，可能會使施工人員盲目樂觀，加快進度，甚至出現(xiàn)安全事故。長距離預(yù)報雖然預(yù)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(huán)的具體圍巖情況進行準確預(yù)報，單獨使用時缺乏令人信服的依據(jù)。

故而在進行隧道超前地質(zhì)預(yù)報時，需要對隧道先進行長距離超前地質(zhì)預(yù)報，確定隧道洞身范圍內(nèi)圍巖的整體情況，了解在哪段里程范圍內(nèi)的圍巖屬于不良地質(zhì)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(zhì)雷達短距離探測時可以調(diào)節(jié)儀器參數(shù)適當加大探測距離，減少測線數(shù)量；而對于長距離探測的不良地質(zhì)地段則可以適當減小探測距離，增加雷達測線數(shù)，盡可能對不良的地質(zhì)條件進行全面探測，為合理施工提供依據(jù)保障。結(jié)合工程實際，文章對應(yīng)用地質(zhì)雷達和TRT技術(shù)結(jié)合法進行超前地質(zhì)預(yù)報進行了探討。

1.1 地質(zhì)雷達基本原理

地質(zhì)雷達進行超期地質(zhì)預(yù)報是根據(jù)雷達發(fā)射的電磁波在不同介質(zhì)中產(chǎn)生透射、反射的特性來判斷前方地質(zhì)情況的方法。地質(zhì)雷達法的波源是由電磁振蕩所產(chǎn)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(cè)的圍巖介電常數(shù)差異較大，如界面前方有溶洞、富水區(qū)以及破碎帶等地質(zhì)異常體時，就會在界面處發(fā)生折射、透射和反射等現(xiàn)象。發(fā)生折射和透射的電磁波繼續(xù)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(jīng)過對雷達圖像的判讀，地質(zhì)超前預(yù)報作業(yè)人員就可以得到掌子面前方圍巖的實際地質(zhì)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(fā)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(zhì)預(yù)報中，隧道圍巖為非鐵磁性介質(zhì)，雷達發(fā)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(zhì)的相對介電常數(shù)。

目前工程中常用的地質(zhì)雷達中，通常都將發(fā)射天線和接收天線進行一體化設(shè)計，如此設(shè)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(yīng)用TRT技術(shù)進行隧道超前地質(zhì)預(yù)報時，由錘擊震源所產(chǎn)生的地震波會沿著隧道圍巖向前傳播，在兩側(cè)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(xué)阻抗差異較大時，通常界面兩側(cè)圍巖地質(zhì)情況差異越大，阻抗也越大)，地震波會在界面處產(chǎn)生穿過界面的透射和在界面處的反射兩種現(xiàn)象。根據(jù)技術(shù)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(yè)的信號處理分析，就可以得到隧道掌子面前方圍巖的地質(zhì)情況。地震波在圍巖界面處的反射系數(shù)可以由式(4)計算：

(4)

其中，R為反射系數(shù)；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(shù)的正負和界面兩側(cè)的阻抗差異密切相關(guān)，地震波由低阻抗圍巖傳播到高阻抗圍巖時，反射系數(shù)為正，反之為負。一旦界面前方的圍巖內(nèi)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(fā)生反轉(zhuǎn)。不良地質(zhì)體的規(guī)模越大，與其他圍巖的聲學(xué)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(shù)人員的判讀，就可以得到掌子面前方圍巖的性質(zhì)，比如：是否存在軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等不良地質(zhì)情況以及其位置和規(guī)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(zhèn)境內(nèi)，隧道設(shè)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(zhì)預(yù)報中，對部分里程段應(yīng)用TRT與GPR相結(jié)合的探測方式進行了科學(xué)實驗分析并取得了較好的效果。

2.2 TRT探測結(jié)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(shù)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(nèi)按照圖1布置震源位置。TRT數(shù)據(jù)判讀可以通過對比背景場來完成，通常采用掌子面的地質(zhì)情況作為本次探測的背景場，根據(jù)探測區(qū)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(zhì)情況。

探測結(jié)果立體圖見圖2，P波波速圖見圖3。

據(jù)此進行隧道圍巖地質(zhì)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(zhì)松散、破碎等不良區(qū)域以藍色顯示，圍巖地質(zhì)情況優(yōu)于背景場時呈黃色顯示；2)TRT數(shù)據(jù)判讀必須從整體上進行解釋，單獨參照一個斷面的圖像結(jié)果沒有實際意義。

由探測結(jié)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(wěn)能力差，通過勘測區(qū)域的地震波反射掃描成像三維圖、P波波速、掌子面地質(zhì)情況，參照JTG C20—2011公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范、JTJ 063—85公路隧道勘測規(guī)程及JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范，結(jié)合地質(zhì)情況綜合分析，可以得出如下結(jié)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(zhì)雷達探測結(jié)果

結(jié)合TRT長距離探測結(jié)果，現(xiàn)場工程人員對K106+510～K106+610范圍內(nèi)進行地質(zhì)雷達探測時將探測距離調(diào)為30 m，經(jīng)過現(xiàn)場探測隧道地質(zhì)情況與K106+510基本相同，沒有明顯異常，在K106+610～K106+630段時恢復(fù)為20 m的探測距離，通過現(xiàn)場檢測，對地質(zhì)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(jù)地質(zhì)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(nèi)(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(xù)1 m～3 m，波形紊亂，衰減速度慢，判斷該范圍巖體裂隙較發(fā)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(nèi)(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(fā)育，較破碎。

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

3 結(jié)語

1)根據(jù)已有的隧道工程地質(zhì)勘查資料結(jié)合現(xiàn)場施工的具體情況，項目人員充分利用兩種超前預(yù)報方法的優(yōu)缺點，選擇TRT6000進行長距離地質(zhì)預(yù)報，在長距離預(yù)報地質(zhì)良好段適當加大雷達探測距離，在不良地質(zhì)段時，再進行地質(zhì)雷達短距離的精確地質(zhì)預(yù)報。

2)TRT6000超前預(yù)報可以得到較為直觀的探測結(jié)果，適用于富水巖溶地段探測，同時，地質(zhì)雷達法操作簡單快速，且預(yù)報的距離短，具有更高的精確性，對于長距離預(yù)報的不良地質(zhì)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(zhì)雷達相結(jié)合的探測實驗，長短結(jié)合能夠準確直觀地了解掌子面前方的地質(zhì)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(zhì)雷達超前預(yù)報及典型圖像分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2015(10)：12-14.

[2] 王明華，王國斌，利奕年.TRT在巖溶隧道地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用研究[J].水資源與水工程學(xué)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(yù)報及襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[A].隧道、地下工程及巖石破碎理論與應(yīng)用——隧道、地下工程及巖石破碎學(xué)術(shù)研討會論文集[C].2007：118-129.

[4] 劉 靜.地質(zhì)雷達與TRT法在隧道涌水預(yù)報中的應(yīng)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