周浩宇，陸 超，楊永平

(1.江西交通咨詢有限公司 南昌市 330008； 2.中聯(lián)建設集團股份有限公司 南昌市 330038)

常用的地質超前預報方法有超前鉆探法、物探法、超前導坑法等，在實際工程中，超前地質預報需要因地制宜，需要全面考量地質條件等因素，針對不同的情況，采用合適的方法和手段。論文研究的隧道采用物探法中的TSP方法和地質雷達的方法開展超前地質預報[1-2]。

1 工程概況

1.1 隧道情況

某隧道位于江西省境內，項目起點樁號為K73+800，終點樁號為K78+365.978，路線全長4.57km。本隧道圍巖級別為Ⅴ～Ⅲ級，巖性主要為砂巖。隧道洞身分界樁號位于直線上，隧道出口位于平曲線上，左、右幅隧道均為R-3000m右轉曲線。左、右線間有車行橫洞1處，人行橫洞1處。 隧道左線長1337 m( ZK72+433～ ZK73+770)，右線長1364 m( YK72+436～ YK73+800)。隧道平面設計為左右線分離雙向四車道隧道。

1.2 水文地質條件

風化帶孔隙裂隙水：賦存在第四系坡積層底部以及基巖風化帶(主要是強風化到中風化巖層中)，屬于潛水，其富水性受到地形地貌條件以及風化裂隙的發(fā)育程度影響，富水性不均勻，因為隧道區(qū)地形起伏較大，巖石的風化帶厚度有限，一般富水性較弱。主要接受大氣的降水及地下水的側向補給，受季節(jié)的影響變化大，向下游地下水進行排泄。

基巖裂隙水：賦存于隧道區(qū)域的基巖裂隙當中，富水性和導水性相對比較差，而且較不均勻，主要接受大氣的降水以及地下水的側向補給，向下游地下水進行排泄。

構造裂隙水：賦存于隧道區(qū)域內的破碎帶和節(jié)理裂隙密集區(qū)，富水性、導水性相對較好，但不均勻，主要接受大氣降水及地下水的側向補給，向下游地下水排泄。

2 超前預報方法

2.1 TSP

TSP工作原理是采用排列方法在隧道圍巖中發(fā)射彈性波，彈性波朝著三維空間傳播，途中碰見巖溶和巖溶發(fā)育帶、構造破碎帶等聲阻抗界面，彈性波會反射，布置在隧道圍巖內的檢波裝置接收反射回來的反射波，并且輸送到能夠進行信號的放大、數(shù)字采集和處理的儀器中，分析反射波傳遞的隧道掌子面前方的信息，完成超前地質預報。采集的 TSP數(shù)據(jù)，通過 TSPwin軟件進行處理，獲得 P波、 SH波、 SV波的時間剖面、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[3]。

2.2 地質雷達

地質雷達的基本原理是：發(fā)射機依靠發(fā)射天線發(fā)射一種脈沖電磁波訊號。發(fā)射的訊號在巖層中傳播，遇到被測目標時，產生反射訊號。直達訊號和反射訊號可以經(jīng)過接收天線記錄到接收機中，經(jīng)過處理，示波器將信號表現(xiàn)出來。通過觀察是否有反射訊號來判斷是否有探測目標；獲得反射訊號與直達訊號到達時間的差值及探測目標反射平均波速，經(jīng)過計算，得到接收點到探測目標的大致距離。

3 隧道現(xiàn)場應用

本項目A6標隧道進口和A7隧道出口，地質完整性較差，整個線路存在斷層破碎帶、軟弱地層、巖溶等不良地質，隧道施工風險較大。

3.1 TSP

3.1.1測試儀器及探測步驟

使用TSP203型超前地質預報系統(tǒng)設備進行超前地質預報。探測的基本步驟為：先布置鉆孔，然后完成鉆孔施工，其次進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，最后提交分析報告。

測線測點布置：人為制造小型爆破，產生振動波，在一側的隧道洞壁施作24個孔距1.5m、孔深1.5m爆破孔；炮孔垂直于邊墻向下傾斜15°～200°，這么做的目的是后期利于灌水堵孔。在距離末端的爆破點15～20m的地方，在一側或者雙側設置接收器點位，接收器安裝孔的要求是，孔深為2m，同時需將接收傳感器放置其中。

探測：探測中，按順序引爆炸藥，產生小型的地震波，地震波傳播途中，遇到異常界面時，產生反射波，不良地質界面的產狀、性質、界面至接收點的距離可以由產生的反射波的強度和反射波傳送的時間分析得到。記錄儀電腦儲存有傳感器傳輸?shù)姆瓷洳〝?shù)據(jù)，經(jīng)過軟件處理，獲得隧道影像點圖，再由分析人員解釋，得到工程中隧道前方的地質情況。

3.1.2資料分析與處理

在成果解釋中，以P波資料劃分主對巖層，并綜合橫波的資料進行解釋。解釋中，遵循以下準則：

(1)正反射、負反射振幅分別對應硬巖層、軟巖層。

(2)S波的反射如果相比于P波強，表明巖層飽含水。

(3)一般情況下，當發(fā)生Vp/Vs增大或δ突然增大，是因為流體的存在而引起。

(4)若Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加。

3.1.3本隧道TSP探測地質預報結果分析

數(shù)據(jù)采集使用TSP203plus儀器，隧道右側墻布置震源，共設24炮，實際上共激發(fā)22炮。設計參數(shù)方面，采樣率調整到62.5μs，記錄長度調至451ms，接收使用三分量檢波器。探測深度為掌子面前方90m。TSP預報成果解譯如圖1所示，分析可知，范圍內的硐段未發(fā)現(xiàn)異常，圍巖在掌子面前方30m范圍內條件較好，在30～60m范圍內條件差，存在安全隱患，然后圍巖條件逐漸變優(yōu)。因此施工過程中，為了更準確地掌握掌子面前方的情況，每開挖15m，需使用地質雷達進行超前探測。在實際的現(xiàn)場開挖后，發(fā)現(xiàn)確實在掌子面前方大約45m處，圍巖條件差，存在小型掉落、塌方的情況，而后方的圍巖條件變好，可見，實際情況和預測情況一致度高。

圖1 TSP探測巖體物性圖

3.2 地質雷達

3.2.1測試儀器及探測流程

儀器采用的是型號為SIR-3000的探測美國地質雷達，天線主頻為100MHz。

地質雷達探測時主要流程：

(1)對隧道掌子面的圍巖情況進行檢查和記錄。

(2)連接和調試雷達主機、天線以及專用采集筆記本電腦。

(3)做好進入采集模式的準備，盡量避免各種電磁的干擾和串擾。

(4)通過采集方式，確定天線的運動方式，采集數(shù)據(jù)。

3.2.2地質雷達地質預報結果分析

數(shù)據(jù)處理采用美國雷達專用處理軟件以及本單位自行開發(fā)的二次處理軟件。布設一條長度8m的側線，側線位于掌子面底部。本次預測范圍為掌子面前方25m，地質雷達的成果解譯如圖2所示。分析結果來看，預測范圍內圍巖條件差，表現(xiàn)為巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體呈中風化。另外實際施工時需要注意，在掌子面前方10m發(fā)育一條含水裂隙。實際開挖后，發(fā)現(xiàn)掌子面前面9m左右存在強滲水，可見，實際情況和預測情況一致度高。

4 結論

(1)對于復雜地質條件下隧道，地質超前預報可有效識別掌子面前方的不良地質，為隧道施工提供指導。

(2)TSP203和地質雷達均可有效識別掌子面前方的不良地質，其中TSP203對斷層破碎帶的識別精度高，地質雷達對地下水的探測具有較好的效果，對于復雜地質條件，需開展綜合超前地質預報。