黃 果

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)交通建設(shè)的投入也進(jìn)一步加大，隧道作為交通建設(shè)中一種主要形式，一直是交通建設(shè)的重難點(diǎn)部分。其主要原因在于：隧道穿山而過(guò)時(shí)可能會(huì)遇到很多不良地質(zhì)情況給施工帶來(lái)影響。為避免不良地質(zhì)的影響和不必要的工程突發(fā)事故，減少工程施工中的經(jīng)濟(jì)損失，隧道超前預(yù)報(bào)的存在就顯得尤其重要。

1 地震波法(TSP)

1.1 TSP方法及原理

地震波法是目前中長(zhǎng)超前預(yù)報(bào)的主流方法，包括HSP、TSP、負(fù)視速度法等，其中TSP法應(yīng)用最為廣泛。TSP法是基于反射理論，通過(guò)巖石波阻抗差異來(lái)工作的。在隧道邊墻處等間距安置24個(gè)炮眼以作震源，炮眼略向下傾斜，以便灌水密封，在距離最后一個(gè)炮眼一定距離處布置一道三分量檢波器用以接受反射回來(lái)的地震波。布置妥當(dāng)后通過(guò)引爆炸藥激發(fā)震源產(chǎn)生震動(dòng)，震動(dòng)產(chǎn)生體波向巖石內(nèi)部傳播，當(dāng)前方巖石完好，無(wú)不良地質(zhì)時(shí)，體波會(huì)一直向前傳播，直到遇到邊界時(shí)才會(huì)反射回來(lái)。當(dāng)體波遇到溶洞、斷層、破裂帶等不良地質(zhì)時(shí)，由于波阻抗的不同，一部分能量會(huì)發(fā)生反射，這些反射回來(lái)的體波通過(guò)三分量檢波器接受，然后再用專(zhuān)用的TSP處理軟件進(jìn)行放大、濾波等處理來(lái)分析此處的地質(zhì)，通過(guò)波在巖石中傳播的速度可以確定此不良地質(zhì)的位置。

1.2 TSP法的優(yōu)點(diǎn)

(1)TSP法預(yù)報(bào)距離較長(zhǎng)，通常為100～200 m。一次預(yù)報(bào)可指導(dǎo)較長(zhǎng)時(shí)間的工程施工，且操作簡(jiǎn)單，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)要求不高，節(jié)約人力物力。

(2)TSP法是通過(guò)少量炸藥引爆產(chǎn)生地震波，預(yù)報(bào)過(guò)程中對(duì)已有工程基本無(wú)破壞，對(duì)掌子面前方巖石基本無(wú)擾動(dòng)，屬于無(wú)損探測(cè)。

(3)TSP法可以快速查明溶洞、破裂帶、斷層等不良地質(zhì)的位置和大小，具有快速、高效的特點(diǎn)。且TSP法具有較好的連續(xù)性，對(duì)大部分地質(zhì)情況的預(yù)報(bào)都比較準(zhǔn)確可靠。

(4)對(duì)于與隧道軸線方向交角比較大的不良地質(zhì)帶，TSP的預(yù)報(bào)效果比較好，精度較高。

1.3 TSP法的缺點(diǎn)

(1)當(dāng)隧道存在的山地中地形條件比較復(fù)雜時(shí)，波的傳播會(huì)受到很大影響，在不同地質(zhì)構(gòu)造體形成大大小小的干擾波，使得各種干擾波同有用波交織而變得復(fù)雜。所以TSP法考驗(yàn)操作者的分析提取有用波，濾除干擾波的能力，稍有不慎就會(huì)增加誤差，與實(shí)際結(jié)果相去甚遠(yuǎn)。

(2)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中會(huì)存在一定因素產(chǎn)生采集誤差，例如炸藥引爆時(shí)的延時(shí)差、炸藥量過(guò)多或者過(guò)少、炮孔之間的距離不完全等間距、以及記錄人員的個(gè)體差異等等，都會(huì)使得數(shù)據(jù)誤差變大。

(3)TSP法進(jìn)行速度分析時(shí)，圍巖的波速是根據(jù)地勘資料及圍巖參數(shù)假定的，可能導(dǎo)致不良地質(zhì)體的位置出現(xiàn)一定的偏差，不能特別準(zhǔn)確地確定不良地質(zhì)體的位置，只能根據(jù)假定波速大致定位，取值對(duì)誤差的影響較大。

(4)對(duì)于走向與隧道軸線平行或者近似平行的不良地質(zhì)體，TSP探測(cè)結(jié)果較差。

(5)TSP對(duì)含水體的探測(cè)結(jié)果較差，精度很低。

2 地質(zhì)雷達(dá)法(GPR)

2.1 GPR方法及原理

地質(zhì)雷達(dá)由天線，主機(jī)等組成。其工作原理是用發(fā)射天線向巖層中發(fā)射一個(gè)高頻的寬帶電磁波，電磁波在地層中傳播，其波形，電場(chǎng)強(qiáng)度等都會(huì)隨著介質(zhì)的導(dǎo)電性和介電性變化。在遇到斷層，破裂帶、溶洞或巖層發(fā)生變化時(shí)，電磁波發(fā)生反射和透射，接收天線能接收到反射回地面的這部分反射波，沿著測(cè)線方向布置多點(diǎn)進(jìn)行取樣，接收多道反射波數(shù)據(jù)，并將信號(hào)放大且數(shù)字化后儲(chǔ)存于主機(jī)中。根據(jù)反射波的旅行時(shí)間、波形等特征，即可確定不良地質(zhì)帶的位置和類(lèi)型。

地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度和分辨率主要取決于電磁波的頻率，當(dāng)使用高頻電磁波進(jìn)行探測(cè)時(shí)，雷達(dá)的分辨率較高，但是探測(cè)深度會(huì)比較淺。反之，當(dāng)使用低頻電磁波進(jìn)行探測(cè)時(shí)，雷達(dá)的分辨率常常顯得不夠，但是探測(cè)深度更深。因此根據(jù)不同工程情況和地質(zhì)條件選擇不同頻率的天線才能使得探測(cè)結(jié)果更加精確。電磁波的傳播深度還和巖層的導(dǎo)電性有關(guān)，巖層與不良地質(zhì)帶之間的導(dǎo)電性差異也影響著雷達(dá)的分辨率。

2.2 GPR法的優(yōu)點(diǎn)

(1)GPR法是以電磁波在巖石和不良地質(zhì)帶間的反射而得以實(shí)現(xiàn)的，巖層和不良地質(zhì)帶間導(dǎo)電性的不同影響著電磁波的波形、幅值。因此兩者之間導(dǎo)電性差異越大，雷達(dá)接收到的信號(hào)就越好。所以GPR法在預(yù)報(bào)含水地質(zhì)體的時(shí)候效果很好。

(2)GPR法中的連續(xù)剖面掃描探測(cè)法可以連續(xù)快速的進(jìn)行預(yù)報(bào)，其對(duì)場(chǎng)地要求不高，能在噪聲環(huán)境下有效的工作，可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)也比較直觀，易于分析比較。

(3)GPR法是通過(guò)天線向掌子面后的巖層發(fā)射電磁波，然后接受反射回來(lái)的電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。此種方法對(duì)現(xiàn)有工程無(wú)破壞，能最大化的保留現(xiàn)有工程場(chǎng)地和設(shè)施，屬于無(wú)損探測(cè)。

(4)對(duì)走向和隧道軸線相同或者交角較小的不良地質(zhì)帶進(jìn)行探測(cè)時(shí)，GPR法的預(yù)報(bào)精度較高。

(5)GPR法對(duì)張性結(jié)構(gòu)面(如張裂隙面、正斷層面)的預(yù)報(bào)較為精確。

2.3 GPR法的缺點(diǎn)

(1)GPR法由于受制于電磁波的傳播深度和雷達(dá)的分辨率，所以要得到較為精確的數(shù)據(jù)就只有犧牲探測(cè)深度，由此GPR法進(jìn)行隧道超前預(yù)報(bào)時(shí)，探測(cè)深度一般較淺，由于天線選擇不同和地質(zhì)條件不同，GPR法的探測(cè)深度一般為15～30 m，所以需要根據(jù)隧道開(kāi)挖進(jìn)度隨時(shí)補(bǔ)進(jìn)，較耗費(fèi)人力。

(2)GPR法對(duì)閉合結(jié)構(gòu)面(如剪性構(gòu)造節(jié)理面、大多數(shù)層理面、侵入接觸面等)的預(yù)報(bào)精度不高。

(3)對(duì)走向和隧道軸線交角較大的不良地質(zhì)帶進(jìn)行探測(cè)時(shí)，GPR法的預(yù)報(bào)精度較低，不建議采用此種方法。

(4)用GPR法進(jìn)行隧道超前預(yù)報(bào)時(shí)，隧道掌子面要盡量平整，最好豎直且盡量減少掌子面的障礙物，以免對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。

(5)GPR法的操作不如其他方法容易，探測(cè)時(shí)需要幾個(gè)人抬著天線緊貼著隧道掌子面移動(dòng)，天線一邊移動(dòng)，操作主機(jī)的工作人員要大致估計(jì)位置打點(diǎn)記錄，操作不便，操作上帶來(lái)的誤差會(huì)比較大。

3 GPR法與TSP法對(duì)比

GPR法和TSP法這兩種常用的超前預(yù)報(bào)方法對(duì)不同工程情況下的隧道適用性也各不相同。例如，對(duì)于掌子面后富水地質(zhì)體的探測(cè)最好用GPR法，因?yàn)楦凰w導(dǎo)電性好，有利于電磁波的傳播，能得到更精確的結(jié)果，如果此時(shí)用TSP法得到的結(jié)果就可能很模糊，甚至探測(cè)不到富水地質(zhì)體。長(zhǎng)距離超前預(yù)報(bào)時(shí)建議選用TSP法，能節(jié)省人力物力，提高工程進(jìn)度，短距離超前預(yù)報(bào)時(shí)選用GPR法比選用TSP法精度稍高。若需要對(duì)掌子面各處的巖層進(jìn)行探測(cè)甄別，則建議選用GPR法。當(dāng)反射面間距較小時(shí)，用TSP法往往無(wú)法識(shí)別，建議試試GPR法或者其他方法。掌子面前方巖性變化較大時(shí)選用TSP法探測(cè)得到的結(jié)果較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

GPR法和TSP法各有自己的優(yōu)勢(shì)和局限性，在具體工程中要結(jié)合實(shí)際情況選用。建議采用長(zhǎng)距離探測(cè)和短距離探測(cè)相結(jié)合，TSP法和GPR法相結(jié)合，盡量發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，避免各自的短處，以求更準(zhǔn)確地探測(cè)隧道掌子面后的不良地質(zhì)狀況，得到更為精確的結(jié)果。