王志軍

(昌九城際鐵路股份有限公司，南昌 330000)

1 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善， 隧道工程建設(shè)日益增多[1-2]。 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道建設(shè)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)，探測(cè)掌子面后的地質(zhì)情況，為隧道開(kāi)挖施工提供有力參考[3-4]。

韓侃等[5]將TSP 法應(yīng)用于巖溶隧道，探測(cè)溶洞以及含水體的位置及規(guī)模，與實(shí)際較為一致；白亮等[6]以北疆供水二期工程為例， 緊密結(jié)合地震波物探法及激發(fā)極化探水法，取得良好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成效；秦良等[7]基于物理模擬相似性準(zhǔn)則，對(duì)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行物理模擬，對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行改良；王遠(yuǎn)超等[8]進(jìn)行TBM 施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，有機(jī)結(jié)合了TRT、TSP、微震監(jiān)測(cè)及超前地質(zhì)鉆孔等探測(cè)方法，精準(zhǔn)判識(shí)了隧道斷層破碎帶。

本文以贛州市龍南隧道為例， 結(jié)合TSP 和地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道進(jìn)口進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)， 并系統(tǒng)介紹兩種預(yù)測(cè)方法的基本原理，比較兩者之間預(yù)測(cè)結(jié)果和優(yōu)缺點(diǎn)。研究結(jié)論可為高風(fēng)險(xiǎn)隧道安全施工提供一定參考。

2 研究區(qū)概況

2.1 隧道概況

龍南隧道位于江西省贛州市全南縣和龍南縣境內(nèi)，線路近正北、北西走向。 場(chǎng)區(qū)以剝蝕構(gòu)造低山為主，地形起伏，局部陡峭，溝谷狹長(zhǎng)，多呈“V”字型。 隧道穿越變質(zhì)砂巖、花崗巖、砂巖、石英砂巖等地層，本隧道起訖里程為DK91+531～DK101+775.27，全長(zhǎng)10244.27 m。 隧道穿越低山區(qū)，沿線地面標(biāo)高210～860 m，隧道地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，屬控制性重點(diǎn)隧道工程。

2.2 掌子面地質(zhì)概況及物性特征

隧道當(dāng)前掌子面(DK99+429.6)開(kāi)挖揭示為砂巖，強(qiáng)風(fēng)化，褐黃色，節(jié)理發(fā)育，巖體多呈塊狀及碎塊狀，整體穩(wěn)定性差，有多處滲水。 掌子面照片如圖1 所示。 當(dāng)隧道前方存在斷層、破碎帶、較大規(guī)模溶洞以及巖性變化等，巖體地震波波速以及波阻抗等物性參數(shù)會(huì)發(fā)生變化， 為開(kāi)展隧道彈性波反射法超前預(yù)報(bào)工作提供了物性基礎(chǔ)。

圖1 DK99+429.6 掌子面

3 探測(cè)原理及方法

3.1 TSP 探測(cè)原理

隧道地震彈性波法(TSP 法)超前預(yù)報(bào)原理是利用地震反射波和繞射波原理， 對(duì)隧道掌子面前方的地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)。 由震源產(chǎn)生的地震波向隧道前方傳播的過(guò)程中，遇到巖體中相對(duì)大的聲阻抗界面會(huì)產(chǎn)生反射波，遇到相對(duì)小的聲阻抗界面會(huì)產(chǎn)生繞射波，統(tǒng)稱(chēng)為地震回波。利用設(shè)備采集隧道圍巖中界面的地震回波， 通過(guò)專(zhuān)業(yè)處理系統(tǒng)提取回波的界面位置、空間分布、回波極性和回波能量等信息，并結(jié)合隧道地質(zhì)勘察資料綜合分析，實(shí)現(xiàn)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)目的。 TSP 超前預(yù)報(bào)原理如圖2 所示。

圖2 TSP 超前預(yù)報(bào)原理示意圖

3.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式， 其工作過(guò)程是由置于地面的發(fā)射天線發(fā)送入地下一高頻電磁脈沖波(主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫乃至千兆)，地層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層可以根據(jù)其電磁特性如介電常數(shù)來(lái)區(qū)分，當(dāng)相鄰的結(jié)構(gòu)層材料的電磁特性不同時(shí)，就會(huì)在其界面間影響射頻信號(hào)的傳播，發(fā)生透射和反射。一部分電磁波能量被界面反射回來(lái)， 另一部分能量會(huì)繼續(xù)穿透界面進(jìn)入下一層介質(zhì)， 電磁波在地層系統(tǒng)內(nèi)傳播的過(guò)程中，每遇到不同的結(jié)構(gòu)層，就會(huì)在層間界面發(fā)生透射和反射，由于介質(zhì)對(duì)電磁波信號(hào)有損耗作用，所以透射的雷達(dá)信號(hào)會(huì)越來(lái)越弱。探地雷達(dá)主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)和終端設(shè)備(計(jì)算機(jī))等組成。地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試原理如圖3 所示，雷達(dá)測(cè)線布置如圖4 所示。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試原理圖

圖4 雷達(dá)測(cè)線布置

4 TSP 和地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測(cè)結(jié)果

4.1 TSP 預(yù)測(cè)結(jié)果

通過(guò)TSP 法預(yù)報(bào)DK99+429.6～DK99+549.6 段，TSP探測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

分析圖5 可知，DK99+429.6～DK99+435 段縱橫波波速整體變化不大，縱橫波速比、泊松比變化起伏較大，推測(cè)該里程段圍巖巖體與掌子面基本一致，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水較發(fā)育，圍巖分級(jí)評(píng)定為Ⅴ級(jí)。 DK99+435～DK99+549.6 段縱波波速下降， 橫波波速呈平穩(wěn)趨勢(shì)，縱橫波速比、泊松比變化起伏較大，且存在較多負(fù)反射界面， 推測(cè)該里程段圍巖整體穩(wěn)定性變差， 巖體極破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水發(fā)育，圍巖分級(jí)評(píng)定為Ⅵ級(jí)。

圖5 TSP 預(yù)報(bào)2D 成果圖

4.2 地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測(cè)結(jié)果

由于地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測(cè)范圍在20 m 以?xún)?nèi)更精準(zhǔn)，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)DK99+429.6～DK99+449.6 段， 地質(zhì)雷達(dá)波形如圖6 所示。

圖6 地質(zhì)雷達(dá)波形圖

在掌子面前方0～20 m 范圍內(nèi)，雷達(dá)波振幅加強(qiáng)，頻率變低， 局部散射波特征明顯， 推測(cè)對(duì)應(yīng)里程DK99+429.6～DK99+449.6 段巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水發(fā)育。

4.4 地質(zhì)雷達(dá)與TSP 比較

在DK99+429.6～DK99+449.6 段的預(yù)測(cè)結(jié)果中，TSP和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)較高程度上保持一致。 兩者探測(cè)都認(rèn)為巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水發(fā)育，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后，發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況與兩者探測(cè)較為吻合，圍巖分級(jí)評(píng)定為Ⅴ級(jí)。而后對(duì)DK99+449.6～DK99+549.6 段繼續(xù)采用了地質(zhì)雷達(dá)，20 m 為一段，與TSP 進(jìn)行對(duì)比。其中DK99+435.2～DK99+549.6 段巖體極破碎，裂隙水發(fā)育，最終將該段評(píng)定為為Ⅵ級(jí)， 與TSP 探測(cè)得到Ⅵ級(jí)圍巖進(jìn)口起始點(diǎn)僅有0.2 m誤差，輔助驗(yàn)證了TSP 探測(cè)的正確性。

綜合比較TSP 法和地質(zhì)雷達(dá)的原理、操作方法、探測(cè)范圍、精準(zhǔn)度等，TSP 法和地質(zhì)雷達(dá)各有優(yōu)缺點(diǎn)。 TSP 法的優(yōu)點(diǎn)是易于操作、探測(cè)范圍大(可達(dá)200 m)、成本較低、可對(duì)隧道圍巖分級(jí)， 其缺點(diǎn)是不能描述結(jié)構(gòu)面在掌子面中具體方位，受外界因素干擾易出現(xiàn)誤差。地質(zhì)雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是能探測(cè)掌子面不同位置， 精度相比TSP 更高， 對(duì)溶洞、水更敏感，其缺點(diǎn)是探測(cè)范圍小(一般為20～30 m)，無(wú)法對(duì)隧道圍巖分級(jí)。

5 結(jié)論

(1)TSP 探測(cè)范圍可達(dá)200 m， 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)范圍一般為20～30 m，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，可先采用TSP 大范圍探測(cè)，在采用地質(zhì)雷達(dá)小范圍排查，有效提高預(yù)測(cè)精度。

(2)通過(guò)TSP 和地質(zhì)雷達(dá)對(duì)龍南隧道進(jìn)行探測(cè)，兩者預(yù)測(cè)結(jié)果在較高程度上保持一致， 其中DK99+429.6-DK99+435 段圍巖評(píng)定為Ⅴ級(jí)，DK99+435.2-DK99+549.6段圍巖評(píng)定為Ⅵ級(jí)。

(3)TSP 和地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的同時(shí)使用，可達(dá)到相互佐證、提高預(yù)測(cè)精度的目的，有效地減小了誤差，為高風(fēng)險(xiǎn)隧道安全施工提供一定參考。