喻海軍

（重慶航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400021）

1 引言

山嶺地區(qū)地質(zhì)條件較復(fù)雜，要在勘察設(shè)計(jì)階段完全確定隧道工程所在區(qū)域不良地質(zhì)體的準(zhǔn)確位置和規(guī)模是非常困難的，因此在隧道開挖中經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)料不到的地質(zhì)災(zāi)害，如節(jié)理發(fā)育圍巖、軟弱破碎帶、斷層、冒頂、涌水、涌泥（砂）、高瓦斯和強(qiáng)地震帶等不可預(yù)見的地質(zhì)災(zāi)害[1，2]，給施工帶來很大困難。目前國內(nèi)外從單一的預(yù)報(bào)手段和理論分析等角度來研究地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的成果頗豐，為類似公路隧道施工提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[3，4]。但單一的預(yù)報(bào)手段對(duì)地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度并不夠可靠，使用不同的方法（如地質(zhì)雷達(dá)、TSP、紅外探水等）[5]對(duì)不同地質(zhì)缺陷的預(yù)報(bào)效果也不盡相同，如魯建邦[6]對(duì)干擾數(shù)據(jù)解譯圖像識(shí)別進(jìn)行一定研究，提高了干擾圖像識(shí)別的準(zhǔn)確率。而在隧道內(nèi)特定環(huán)境中地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)干擾方面的研究較少，且關(guān)于隧道中常見干擾因素的分析不全面，對(duì)減少或消除干擾的措施討論不詳細(xì)。何生龍[7]指出TSP研究應(yīng)用中存在的缺陷，在資料處理過程中，對(duì)參數(shù)的設(shè)置需根據(jù)不同情況進(jìn)行多次嘗試，這就有了不確定性解。

鑒于此，若能從前期地質(zhì)工程勘察成果選定超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法就顯得尤為重要。本文結(jié)合石塘隧道（TSP）長距離探測(cè)與莫洛隧道（GPR）短距離探測(cè)，結(jié)合施工階段地質(zhì)分析法來實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)了不良地質(zhì)情況，不僅可以提前采取相應(yīng)的措施提高隧道施工效率，還可以保證安全施工，可為類似工程提供參考。

2 隧道地質(zhì)缺陷超前勘探方法

隧道施工的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可分為不良地質(zhì)預(yù)報(bào)、災(zāi)害地質(zhì)預(yù)報(bào)、有害氣體預(yù)報(bào)、水文地質(zhì)預(yù)報(bào)、圍巖類別預(yù)報(bào)等，常見的幾種地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法見表1[1，2]。

表1 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在公路隧道建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，但也有其自身的局限性。比如地球物理勘探方法具有多解性，單一預(yù)報(bào)方法地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性不夠可靠，同時(shí)不同方法對(duì)不同地質(zhì)缺陷預(yù)報(bào)的效果也不同，因此沒有萬能的地球物理勘探法，更沒有萬能的軟件可以自動(dòng)得出地質(zhì)結(jié)論。相比而言，地質(zhì)分析法基于區(qū)域地質(zhì)狀況，結(jié)合前期工程勘察成果，具有很強(qiáng)的針對(duì)性。為了更好地發(fā)揮各種預(yù)報(bào)方法的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)“不能漏報(bào)，不能誤報(bào)”的特點(diǎn)，可采用地質(zhì)分析與地球物理勘探相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)超前預(yù)報(bào)，相互彌補(bǔ)，相互驗(yàn)證，取長補(bǔ)短，才能取得最佳的預(yù)報(bào)效果，積極指導(dǎo)工程施工。

3 不同超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)分析

目前市場(chǎng)上主流的兩種物探方法是基于高頻電磁波的反射原理GPR和地震波的反射原理TSP。

3.1 GPR探測(cè)原理分析

GPR是利用高頻電磁波決定地下介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布的廣域電磁技術(shù)。該技術(shù)利用天線向地下或縱深發(fā)射高頻寬帶電磁脈沖波，利用接收天線接收結(jié)構(gòu)層內(nèi)不同介質(zhì)層面的反射雷達(dá)波，根據(jù)介質(zhì)電磁特性的不同，收集、處理、分析回波的反射特征，判斷地下界面、地質(zhì)體的空間位置、幾何形態(tài)。GPR 探測(cè)的工作原理和基本組成及工作程序如圖1所示。

圖1 GPR探測(cè)的工作原理示意圖

在已知地下介質(zhì)波速的情況下，結(jié)合對(duì)反射電磁波頻率和振幅的處理和分析，可以根據(jù)實(shí)測(cè)的t值確定地下界面和地質(zhì)體的空間位置和幾何形狀[1，2]。

電磁脈沖波走時(shí)見式（1）[8]：

當(dāng)發(fā)射天線和接收機(jī)器相距不遠(yuǎn)時(shí)，檢測(cè)目標(biāo)深度的簡化計(jì)算公式見式（2）[8]：

式中，z為勘察目標(biāo)深，m；t為脈沖波走時(shí)，s；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，m/s；x為發(fā)射與接收天線的距離，m（其中z＞x，故x可忽略）。

電磁波的傳播速度見式（3）[9]：

式中，εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；μr為介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，一般取值為1；c 為電磁波在真空中的傳播速度，3×108m/s。

電磁波的反射系數(shù)見式（4）[10，11]：

某些介質(zhì)的介電常數(shù)差別很大，與其巖性及其內(nèi)部所含的電導(dǎo)體有關(guān)，主要媒質(zhì)的物性相對(duì)差異見表2[3]。

表2 主要媒質(zhì)的物性相對(duì)差異[8]

3.2 TSP探測(cè)原理分析

該系統(tǒng)利用地震波在不均勻、不連續(xù)地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波來采集地震波在巖體中的傳播信息，并借助相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。結(jié)合現(xiàn)有地質(zhì)資料的綜合分析，可以推斷前方巖體的地質(zhì)條件，達(dá)到隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的目的。TSP 在巖體中探測(cè)時(shí)以球面波的形式傳播，當(dāng)局部地震波遇到斷層、巖石破碎帶、巖性變化或巖溶發(fā)育帶等不同彈性波阻抗的界面時(shí)，一部分地震信號(hào)被反射回來，而另一部分信號(hào)被傳入前方介質(zhì)繼續(xù)傳播或反射。反射地震信號(hào)由高靈敏度地震檢波器接收，反射信號(hào)的傳播時(shí)間與傳播距離成正比，與傳播速度成反比[12]。通過測(cè)量直達(dá)波速度v、反射回波時(shí)間t、波形和強(qiáng)度，可以預(yù)測(cè)隧道掌子面前方的地質(zhì)情況，探測(cè)推斷隧道內(nèi)巖性變化帶的大致位置。TSP探測(cè)的工作原理和基本組成及工作程序如圖2所示。

圖2 TSP探測(cè)的工作原理示意圖

4 工程實(shí)例

4.1 GPR系列的應(yīng)用

仁懷至赤水高速路莫洛隧道為分離式隧道，左線進(jìn)口ZK57+077～ZK57+106（29m）、右線進(jìn)口YK57+053～YK57+081（28m），采用美國研制生產(chǎn)（型號(hào)：SIR-20型）的地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可選擇單（多）天線連測(cè)或點(diǎn)測(cè)等多種方式，可以選用100MHz、80MHz、40MHz 以內(nèi)的屏蔽接收-發(fā)射一體天線，每秒可進(jìn)行64次信號(hào)數(shù)字疊加，增益可根據(jù)探測(cè)深度的變化進(jìn)行指數(shù)放大。數(shù)據(jù)處理和反演解釋使用儀器制造商和加州大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的地質(zhì)雷達(dá)（型號(hào)：RADAN6.6）處理軟件對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理、解釋和計(jì)算。

左線入口處掌子面巖性主要為灰色中灰?guī)r，淺灰色～淺灰黑色薄至中層泥灰?guī)r，煤線和灰黑色薄頁巖，構(gòu)造松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，弱風(fēng)化帶。莫洛隧道ZK57+077、YK57+053掌子面地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線均為從左到右布置，如圖3所示。

圖3 莫洛隧道掌子面地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置圖

借助掌子面和周邊地質(zhì)情況以及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果綜合分析（表3），施工建議如下：

表3 莫洛隧道地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試綜合分析表

①莫洛隧道左線如圖4 所示，ZK57+079～ZK57+094（15m）段圍巖完整性較差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎化程度較高，局部斷面圍巖含泥量較重，巖體松散呈軟弱狀。結(jié)合掌子面出露圍巖情況，施工時(shí)應(yīng)注意該段局部失穩(wěn)或坍塌情況的發(fā)生。該段原設(shè)計(jì)支護(hù)類型為Ⅳb 級(jí)偏弱，可根據(jù)圍巖實(shí)際開挖情況，及時(shí)修正支護(hù)參數(shù)，同時(shí)縮短循環(huán)開挖進(jìn)尺，關(guān)注前方圍巖變化及開挖情況，確保安全施工。ZK57+094～ZK57+096（2m）段左側(cè)及中部留有未充填的采空區(qū)，施工到此階段時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)某涮罴凹庸谭桨福ㄗh縮短循環(huán)開挖進(jìn)度，降低對(duì)圍巖的擾動(dòng)，防止局部發(fā)生塊體墜落或碎石坍塌，順利通過此路段。

圖4 莫洛隧道左線ZK57+077～ZK57+106段掌子面地質(zhì)雷達(dá)波形圖

②莫洛隧道右線如圖5、圖6 所示，YK57+054～YK57+069（15m）段圍巖完整性較差，巖體較軟弱和破碎，泥質(zhì)和煤層含量較重，施工到該階段時(shí)發(fā)生圍巖失穩(wěn)或局部塌方情況，該階段原設(shè)計(jì)支護(hù)類型為Ⅳb級(jí)偏弱，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)建議可提高該段的支護(hù)參數(shù)類別，同時(shí)縮短循環(huán)開挖進(jìn)尺，同時(shí)關(guān)注前方圍巖變化及開挖情況，確保安全施工。

圖5 莫洛隧道右線YK57+053～YK57+081段掌子面上部地質(zhì)雷達(dá)波形圖

圖6 莫洛隧道右線YK57+053～YK57+081段掌子面下部地質(zhì)雷達(dá)波形圖

鑒于此，對(duì)于軟弱煤層、節(jié)理裂隙帶較密集的圍巖地段，應(yīng)嚴(yán)格遵循“弱爆破、短開挖、多循環(huán)、早支護(hù)”的施工原則，做好超前支護(hù)，防止圍巖坍塌，加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測(cè)預(yù)警措施，及時(shí)降低隧道瓦斯含量，防止隧道瓦斯超限引發(fā)瓦斯事故；此外應(yīng)采取超前水平巖芯鉆探探明隧道前方采空區(qū)位置和規(guī)模大小、地層及不良地質(zhì)情況，以便及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)及支護(hù)方案，預(yù)防瓦斯突出及突水突泥等事故的發(fā)生。

4.2 TSP系列的應(yīng)用

城口至萬源快速路石塘隧道K61+900～K62+060段采用地質(zhì)超前預(yù)報(bào)儀（型號(hào)：TGP206）進(jìn)行預(yù)報(bào)，在隧道進(jìn)口方向掌子面前位于K61+852里程處兩側(cè)洞壁上布置預(yù)報(bào)接收檢波器，接收孔距掌子面48m，激發(fā)炮孔在左壁K61+892～K61+872 段20m 內(nèi)。在隧道進(jìn)口方向左側(cè)壁上同一水平線，由內(nèi)向外布置21個(gè)炮孔，炮孔之間距離為1m，炮孔之間高度為1.1m，距接收孔最近距離約為20m。

收集到的TSP 數(shù)據(jù)采用TGPwin 軟件進(jìn)行分析處理，得到了SH波、p波、SV波的時(shí)間截面、相關(guān)偏移回歸截面等成果。石塘隧道進(jìn)口K61+900～K62+060 段通過SH 波、p波、SV 波原始記錄分析巖體段地質(zhì)條件，再與偏移回歸剖面預(yù)報(bào)推測(cè)前方巖體地質(zhì)條件，綜合預(yù)報(bào)分析時(shí)推斷以p 波剖面資料為主[7]，結(jié)合橫波資料加以解釋（表4），解釋應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則：如果s波的反射強(qiáng)于p波，則表明巖層含水；如果左右孔壁相比較，則采用同一側(cè)激發(fā)和接收的資料為主的原則；如果縱波資料與橫波資料相對(duì)比，則采用以縱波資料為主的原則[8]。

表4 石塘隧道進(jìn)口K61+900～K62+060（160m）段TSP探測(cè)結(jié)果解釋

4.3 施工驗(yàn)證

通過對(duì)石塘隧道、莫洛隧道分別采用TSP、地質(zhì)雷達(dá)GPR地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，與地質(zhì)分析法相結(jié)合，根據(jù)掌子面圍巖出露情況推斷前方圍巖地質(zhì)體產(chǎn)狀，基于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果實(shí)施動(dòng)態(tài)信息的優(yōu)化施工，經(jīng)開挖驗(yàn)證，隧道實(shí)際圍巖展示的地質(zhì)條件與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果基本吻合。

4.4 TSP與GPR系統(tǒng)對(duì)比分析

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是一項(xiàng)實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)，最終目的是解決工程實(shí)際問題，避免重大事故的發(fā)生，降低安全隱患。結(jié)合在石塘隧道與莫洛隧道中的實(shí)際工程應(yīng)用，兩套地球物理探測(cè)方法原理基本相似，但各有不同的特點(diǎn)和適用范圍（表5），可為類似工程選擇預(yù)報(bào)手段提供參考，同時(shí)也有利于推動(dòng)物探技術(shù)的繼續(xù)研究和開發(fā)。

表5 兩種地球物理探測(cè)方法的特點(diǎn)對(duì)比

5 結(jié)語

本文通過物探技術(shù)在石塘隧道（TSP）長距離探測(cè)與莫洛隧道（GPR）短距離探測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用，結(jié)合施工階段采取的地質(zhì)分析法來實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

①超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)不良地質(zhì)狀況的探測(cè)效果良好，但要進(jìn)一步提高隧道預(yù)測(cè)精度，一方面要對(duì)探測(cè)波形圖像準(zhǔn)確解釋判斷，需要積累大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；另一方面要采用不同探測(cè)手段[13]，將不同的結(jié)果按最不利組合進(jìn)行預(yù)報(bào)。

②物探技術(shù)在使用時(shí)具有前后間接性，往往會(huì)出現(xiàn)漏報(bào)和錯(cuò)報(bào)，所以單一物探技術(shù)不是萬能的。在工程實(shí)踐中，往往受到資金等因素限制，導(dǎo)致多種物探技術(shù)的運(yùn)用受到一定影響，需要政府監(jiān)管部門、建設(shè)單位、設(shè)計(jì)院、施工、監(jiān)理單位等相互協(xié)商配合。

③施工過程中若是條件允許，可以采用長、短距離超前預(yù)報(bào)相結(jié)合的預(yù)報(bào)手段，結(jié)合工程勘察成果，進(jìn)行地質(zhì)圍巖產(chǎn)狀系統(tǒng)性分析，更精確地定位圍巖發(fā)育位置，實(shí)施動(dòng)態(tài)信息的優(yōu)化施工方式，為減少施工的盲目性和事故發(fā)生率起到了重要的作用。