物探设备在隧道地质超前预报中的综合应用

[摘 要] 隧道地质超前预报在隧道施工中十分重要，逐渐列为隧道施工作业循环的重点工序之一。预报过程中采用综合探测方法，全面提升预报人员知识水平，对搞高预报准确性具有重要意义。本文结合工程实例阐述了TGP206和地质雷达的探测原理以及在施工中的综合应用。

[关键词] 地质超前预报、TGP206、地质雷达

一、前言

随着我国经济的快速发展以及西部大开发战略的进展，公路、铁路隧道的大量修建是形势发展的需要。长大隧道在路网中的含量在逐步增加，隧道工程施工工期要求也越来越高。由于隧道工程的复杂性和不可预见性，在现有的技术经济条件下，隧道施工中各种不良地质灾害的预测和治理成为隧道施工中面临的最主要任务。

隧道地质超前预报是根据隧道洞内外地质调查、掌子面素描及隧道开挖揭示的洞身围岩条件的变化趋势、洞内外构造相关分析结果，或者采用地球物理探测方法对掌子面前方进行探测，综合运用地质学、数学、物理学、力学和计算机科学等各学科知识，运用相关的地质力学理论和灾害发生规律来分析、研究所收集的资料，掌握施工掌子面前方的地质情况，对隧道开挖可能遇到的各种不良地质体的性质、分布位置和规模进行判断和预报，对可能发生的地质灾害做出预报，并根据预报结果提出应采取的地质灾害预防和处理措施，防止地质灾害的发生，保证隧道施工安全，加快施工进度。

通过地质超前预报，能及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，从而为隧道施工单位优化施工方案提供依据，为预防隧道突水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使工程单位提前做好施工准备；同时通过地质超前预报，可以了解掌子面前方短距离内的工程地质条件及围岩类别，为施工单位正确选择开挖断面、支护设计参数和施工方法提供依据。所以隧道地质超前预报对于安全科学施工，提高施工效率，缩短施工周期，避免事故损失，具有重大的社会效益和经济效益。

二、探测原理及方法

目前我国地质超前预报常使用到的技术方法主要有：地震波法、地质雷达法、工程地质调查与推断、水平钻探等，另外还有一些不常用到的技术方法如：水平声波剖面法、红外探水法及陆地声纳法等。

1.TGP206探测原理及方法

隧道地震波超前预报方法是利用地震波在不均匀、不连续地质界面产生反射，实现隧道地质超前预报的目的。地震波震源采用小药量炸药震源，激发孔在洞壁一侧沿直线布置，一般采用24个炮孔激发，激发炮点的数量与采集的地震波信息量有关。地震波接收器安置在孔中，采取左右洞壁各布置一个接收器的原则。地震波在岩体中以球面波形式传播，当地震波遇到弹性波阻抗存在差异的界面时，例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带等，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质继续传播，在传播过程中重演着反射与透射的不断过程，陆续反射回来的地震波信号被仪器设备采集下来。地震反射波信号的旅行时间与距离成正比，与传播速度成反比，通过分析各种波型的传播时间、波形特征和强度变化，实现预报隧道掌子面前方地质条件的目的。

对测线布置段和隧道掌子面岩体进行地质描述，并选择岩体相对完整的地段布置接收孔位置。记录检波器接收孔、激发孔的炮孔隧道里程，对于不等间距的炮孔要测量炮孔间距，记录隧道掌子面的里程；定向并耦合安置孔中三分量检波器；逐炮孔安置带有计时线的炸药卷，药量一般控制在60～120克；根据隧道岩体条件选择仪器采集参数。尔后进行逐炮数据的采集工作，所有炮孔的数据采集完毕，在检查采集数据合格后结束现场测量工作。

2.地质雷达探测原理及方法

地质雷达是一种用于确定地下介质分布的电磁波法。其方法原理类似反射地震勘探技术，是一种高分辨率探测方法。地质雷达方法是利用高频电磁波，以脉冲形式通过发射天线定向地向地下发射。电磁波在地下介质中传播，当遇到存在电性差异介质的界面时，电磁波便发生反射，返回地面后由接收天线接收，并由采集系统以数字形式记录下来。采集的数据通过处理，可以获得时间或深度剖面。根据记录到的反射波的到达时间和求得的电磁波在介质中的传播速度，来确定反射界面或目标体的深度；同时根据反射波同相轴的形态以及反射波振幅的相对强弱变化等因素来判断目标体的性质及空间规模，从而达到对地层或地下目标体的探测。

测线主要布置在隧道掌子面上，在探测过程中可采用两横两竖或一横三竖的布线方式，必要时可加密雷达测线，或在隧道开挖底板或侧壁布置雷达测线。测量方式有点测和连测两种，由于隧道掌子面工作环境较差，常采用点测方式。

三、TGP206与地质雷达在白龙山隧道的综合应用

1.白龙山隧道的工程概况

白龙山隧道为分离式特长隧道，全长4025m，最大埋深约328m。隧址区地层上覆第四系耕植土、残坡积碎石土，下伏古生界二叠系上统峨眉山组第三段、统峨眉山组第二段泥岩和玄武岩、二叠系下统栖霞-茅口组灰岩，洞身岩体主要为灰岩，岩溶较发育。隧道峰丛谷地区，地形切割较强，坡面深切沟谷发育，在雨季两岸斜坡地表水呈面状汇入沟谷，沟谷为地表水的侵蚀基准面和排泄通道，区内地下水主要有松散岩类孔隙水和碳酸盐岩溶洞裂隙水两种。隧道施工过程中发生岩溶突涌水风险很高，遭遇大型岩溶风险也高。隧道出洞口覆盖层厚度较大，洞口边仰坡稳定性较差。不良地质现象主要有岩溶，溶蚀溶槽。

2.物探仪器选择

TGP206地质超前预报系统具有探测距离大、能判别不良地质体在大空间范围内分布形态等优点，而地质雷达具有分辨率高、预报可靠度较高的优势。根据白龙山隧道地质情况和施工过程中可能发生的地质灾害，在地质调查法的基础上，拟使用国产TGP206地质超前预报系统和美国SIR-20地质雷达两种仪器进行物探预报，利用两种仪器各自的特点，取长补短，相互印证，采用长短结合的方法对掌子面前方地质情况进行综合探测。

3.预报成果分析

首先采用TGP206预报系统对白龙山隧道ZK208+337～ZK208+227里程段进行了长距离预报。通过TGP206Win 软件对原始数据处理得到综合预报成果图如图1所示。从TGP206综合预报成果图可以看：在ZK208+337～ZK208+308里程段和ZK208+278～ZK208+227里程段地震波反射强烈一般，无异常反射特征，推测上述里程段围岩基本维持掌子面围岩现状；ZK208+308～ZK208+278里程段负反射特征较明显，反射振幅较大，位移偏移图呈宽条带状分布，结合掌子面地质情况和地勘资料，推测ZK208+308～ZK208+278里程段为溶蚀破碎带，存在充填性溶洞或溶槽。

图1 TGP206综合预报成果图

为了确保施工安全，提高预报准确率，当掌子面施工到ZK208+310里程时，采用地质雷达做了进一步的探测，经过RADAN6.6雷达软件对原始数据进行处理得到雷达剖面图如图2所示。从雷达剖面图中可以看出ZK208+310～ZK28+288里程段电磁波反射较为强烈，回波以中、高频成分为主，电磁波能量衰减一般，具有裂隙发育岩体破碎反射特征，特别是ZK208+293位置回波反射强烈，振幅较大，同相轴较明显，具有溶洞、溶槽反射特征。地质雷达探测结果与TGP206 的探测结果基本吻合，故确定该段为溶蚀破碎带，岩溶发育，在ZK208+293位置存在溶洞、溶槽。后经开挖验证，ZK208+310～ZK28+288里程段岩体破碎，层间夹泥，溶蚀裂隙发育，岩体稳定性差；ZK208+293位置开挖揭露一充填性溶洞，如图4所示。

图3 ZK208+305溶蚀、夹泥照片

图2 ZK208+310～ZK208+288雷达剖面图图4 ZK208+293溶洞照片

四、结语

1.隧道地质超前预报是地质勘察工作的延续和补充，隧道施工需要特别重视地质勘察工作，除了地勘资料外，隧道施工过程中仍需做细致的地质超前预报工作；

2. TGP206预报系统和地质雷达预报系统两种探测方法取长补短，相互印证，能准确预报隧道开挖掌子面前方的地质情况，为优化施工方案提供依据，为可能发生的地质灾害提供可靠信息；

3.在隧道地质超前预报中选取最佳的探测方法，全面提升预报人员地质、物探等知识，积累实践经验，让预报人员与仪器设备有机结合，对搞高预报准确性具有重要的意义。

参考文献

[1] 赵洪丽.TSP-202与地质雷达在超前地质预报中的应用[D].石家庄铁道学院，2007.

[2] 钟宏伟，赵凌.我国隧道工程超前预报技术现状分析[J].人民长江，2004，（9）：16～18.

[3] 曾昭璜.隧道地震反射法超前预报[J].地球物理学报，1994，37（2）：218～230.

[4] 李清，张智杰，王余富.地质雷达在公路隧道超前预报中的应用[J].山西建筑，2005，31（23）：25～26.

作者简介：谢蒙均，1982年生，贵州省交通科学研究院股份有限公司检测中心副主任，工程师职称，2006年毕业于西南交通大学土工工程专业，毕业后一直从事桥梁、隧道、建筑材料试验检测工作。

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