地質(zhì)雷達與TRT法在隧道涌水預報中的應用

劉 靜

(四川南渝高速公路有限公司，四川 南充 637000)

?

地質(zhì)雷達與TRT法在隧道涌水預報中的應用

劉 靜

(四川南渝高速公路有限公司，四川 南充 637000)

富水巖溶地區(qū)隧道施工過程中，極易發(fā)生突水、突泥工程地質(zhì)災害，極大地危害了施工安全。因此，采用超前地質(zhì)預報探測隧道掌子面前方圍巖工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況顯得尤為必要。文章以南充-大竹-梁平(川渝界)高速公路銅鑼山隧道工程超前地質(zhì)預報為例，提出綜合利用地質(zhì)雷達法與TRT法對隧道掌子面前方涌水情況進行預報，經(jīng)實踐驗證該組合預報技術(shù)能為隧道施工提供有效的參考依據(jù)，一定程度上減小突水、突泥地質(zhì)災害的發(fā)生幾率。

隧道；富水巖溶；地質(zhì)雷達法；TRT法；涌水預報

0 引言

富水巖溶地區(qū)具有非常復雜的地質(zhì)性質(zhì)，因此在巖溶隧道的開挖施工過程中，很有可能會不確定地暴露出巖溶以及地下水，從而導致突水突泥等一系列

嚴重的地質(zhì)災害[1]。所以采用各種先進準確的超前地質(zhì)預報方法對于保證隧道安全施工、減小對周圍生態(tài)環(huán)境的破壞具有非常重要的意義。目前隧道常用的超前地質(zhì)預報方法多種多樣，按探測距離的長短分為長距離預報和短距離預報。短距離預報有地質(zhì)雷達(GPR)、X射線照相(X-ray radiography)、紅外探水(infrared ray detector)等方法；長距離預報有地震反射層析成像(TRT)、超前水平鉆探、斷層參數(shù)預測法、地震反射波法(TSP)、沖擊回波技術(shù)(impact echo)等[1-4]。富水巖溶地區(qū)超前地質(zhì)預報中，由于受到技術(shù)方法、水文地質(zhì)環(huán)境等條件的限制，其超前地質(zhì)預報的可靠性及準確性受到限制，以致隧道施工過程中發(fā)生突水、突泥地質(zhì)災害，嚴重危害施工安全、影響施工進度[5-6]。

大量的工程實踐證明，由于富水巖溶隧道的復雜性，采用單一的預報方法來預測掌子面前方的地質(zhì)以及地下水情況具有很大的不準確性，在施工中易造成隧道在開挖的過程中發(fā)生涌水、突泥等工程病害事故，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失[7-10]。本文根據(jù)南充-大竹-梁平(川渝界)高速公路銅鑼山隧道的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，將短距離預報地質(zhì)雷達(GPR)法與長距離預報地震反射層析成像(TRT)法相結(jié)合，對隧道施工涌水進行超前預報，經(jīng)實踐驗證取得了較好的效果，為施工提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

1 測試方法即基本原理

1.1 地質(zhì)雷達法基本原理

地質(zhì)雷達雷達(Ground Penetrating Radar簡稱GPR)是用頻率介于106～109 Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)分布的一種方法，是指利用寬帶的電磁波以脈沖形式來探測地表之下或確定不可視的物體或結(jié)構(gòu)。其工作原理為：發(fā)射機通過發(fā)射天線以寬頻帶脈沖形式發(fā)出電磁波，在經(jīng)過被測試目標時電磁波會發(fā)生反射、會投射，隨后被接收機的接收天線所接收，如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達原理及其基本組成示意圖

地質(zhì)雷達基本參數(shù)如下

(1)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

(1)

c——電磁波真空傳播速度，c=0.3m/ns；

εr——相對介電常數(shù)。

從上式中可看出，對于多數(shù)非導電、非磁性介質(zhì)，其介電常數(shù)是決定電磁波在介質(zhì)中的傳播速度的主要因素。

(2)電磁波在介質(zhì)中的吸收特性

吸收系數(shù)β決定了場強在傳播過程中的衰減速率，對以位移電流為主的介質(zhì)，β的近似值為：

(2)

即β與導電率成正比，與介電常數(shù)的平方根成正比。

(3)電磁脈沖波行程需時

(3)

式中：z——勘查目標體的埋深；

x——發(fā)射、接收天線的距離(式中因z>x，故X可忽略)；

v——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

(4)地質(zhì)雷達記錄時間和勘查深度的關系

(4)

式中：z——勘查目標體的深度；

t——雷達記錄時間。

1.2TRT法基本原理

本次測試采用的是TRT6000隧道地質(zhì)超前預報系統(tǒng)(TRT)。該超前預報技術(shù)的基本原理是：在人工震源點上的地震波在傳播的過程中，遇到聲學阻抗差異(密度和波速的乘積，通常發(fā)生在巖層界面與巖體內(nèi)的不連續(xù)界面)界面時，地震波信號會出現(xiàn)一部分被反射與一部分投射穿過介質(zhì)進入前方介質(zhì)的情況，通過高靈敏的地震傳感器對反射部分信號的采集，通過儀器分析便能得出隧道掌子面前方的地質(zhì)條件(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)，規(guī)模以及性質(zhì)。地震波正常入射到聲學阻抗差異界面時，其反射系數(shù)計算公式如下：

(5)

式中：R——反射系數(shù)；

ρ1、ρ2——巖層的密度；

V——地震波在巖層中的傳播速度。

當?shù)卣鸩ㄔ趦蓚€不同的阻抗物質(zhì)中傳播時，如果由高阻抗物質(zhì)傳播到低阻抗物質(zhì)時，反射系數(shù)為正，相反為負。因此，地震波從軟巖傳播到硬的圍巖時，反射回來的地震波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。地震波傳播時遇到存在有破裂帶的巖體，其地震回波的極性會反轉(zhuǎn)。同時，所遇到的差異界面尺寸越大，聲學阻抗差異越大，地震原波與其反射回波之間的差異也就越大，也就容易被探測到。根據(jù)此原理，通過儀器分析之后，便可以被應用到預測隧道開挖前方的地質(zhì)體情況，如位置、規(guī)模、形狀等。

根據(jù)以上介紹的原理，TRT隧道超前地質(zhì)預報的工作過程為：通過在事先選擇好的震源點上對巖體進行錘擊，在產(chǎn)生地震波的同時，觸發(fā)器給基站發(fā)送一個初始的觸發(fā)信號，然后基站對無線遠程模塊下達指令進行地震波采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳入筆記本電腦，最后完成數(shù)據(jù)采集，通過后處理軟件處理，便可以得到隧道掌子面前方的層析三維圖像。地質(zhì)超前預報系統(tǒng)詳見圖2。

圖2 TRT6000地震波采集系統(tǒng)模型圖

1.3 綜合超前地質(zhì)預報方法

針對地質(zhì)雷達法以及TRT法的各自特點與優(yōu)缺點，再結(jié)合南充-大竹-梁平(川渝界)高速公路銅鑼山隧道工程富水巖溶的地質(zhì)情況，提出綜合利用地質(zhì)雷達法與TRT法對掌子面前方涌水情況進行預報。具體步驟如下：

(1)通過勘察所得地質(zhì)調(diào)查資料，了解清楚所在區(qū)域的主要構(gòu)造地質(zhì)情況以及水文條件，為超前地質(zhì)預報做好準備。

(2)在隧道開挖進洞時采用地質(zhì)雷達法進行短距離地質(zhì)預報。

(3)隧道開挖進洞一段距離后，便開始采用TRT6000超前地質(zhì)預報系統(tǒng)進行長距離的地質(zhì)超前預測。

(4)根據(jù)TRT6000采集到的前方地質(zhì)數(shù)據(jù)，及時與設計時的勘察情況比較，檢查準確性。

(5)通過TRT6000系統(tǒng)與地質(zhì)勘察資料確認開挖將遇到不良地質(zhì)體時，采用地質(zhì)雷達系統(tǒng)進行更精確的短距離預報。

通過以上幾種方式，可以經(jīng)濟有效且快捷地確定不良地質(zhì)體的情況。通過實際工程證明，具有較好的實踐效果和借鑒意義。

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)概況

本文以南充-大竹-梁平(川渝界)高速公路銅鑼山隧道工程超前地質(zhì)預報為背景，該工程位于川東南充和達州市境內(nèi)，隧道全長5 023m，地處川東褶皺帶中之銅鑼山背斜中段，區(qū)內(nèi)斷層較少，其構(gòu)造特征主要表現(xiàn)為褶皺及節(jié)理裂隙。隧道穿越煤層及煤層采空區(qū)，存在瓦斯、天然氣等有害氣體，屬于高瓦斯地帶。隧道進口段穿越背斜西翼雷口坡組T2l地層，巖性主要為薄～中厚層狀的泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、灰?guī)r和鈣質(zhì)泥巖等，局部夾雜巖溶角礫巖。地表發(fā)育巖溶蝕槽谷、洼地、落水洞、溶洞等，隧道內(nèi)可能出現(xiàn)大小不一的溶洞、溶縫。隧道中部穿越巖溶發(fā)育的三疊系嘉陵江組(T1j)和雷口坡組(T2l)地層，巖溶發(fā)育。

圖3 銅鑼山隧道巖體分類圖

2.2 水文地質(zhì)概況

隧道進口段地下水主要為碎屑巖類裂隙孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水，洞身位于水平循環(huán)帶內(nèi)，巖溶及巖溶水極其發(fā)育，預測正常涌水量為4×103～5×103m3/d，最大涌水量為1.2×104～1.7×104m3/d。隧道巖溶分布不規(guī)律，施工中涌水突泥等情況發(fā)生的可能性很大。

圖4 銅鑼山隧道涌水量分布圖

3 銅鑼山隧道施工涌水預報

3.1TRT法預報成果

本次探測方法為TRT聲波反射法，采用儀器系統(tǒng)為美國C-ThruGround工程有限公司研制的TRT6000型隧道地質(zhì)超前預報系統(tǒng)，對隧道進口左線ZK133+048掌子面前方進行了測試，預報范圍：127m(對應里程ZK133+048～ZK133+175)。圖5為震源和檢波器布設圖，圖6為測試典型波形曲線圖。

圖5 震源和檢波器布置圖

圖6 測試典型波形圖

測試巖體平均聲波速度為3 000m/s。

圖7 波速分布圖

對現(xiàn)場采集原始波形曲線進行時域和頻率域分析處理得到掌子面前方三維地質(zhì)成像，圖8為成像結(jié)果圖，分析結(jié)果見下頁表1。

圖8 三維成像圖-側(cè)視圖

表1TRT6000測試分析結(jié)果表

測試范圍長度(m)測試結(jié)果ZK133+048～ZK133+09547基本維持掌子面巖體現(xiàn)狀,主要薄～中厚層狀的泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、灰?guī)r和鈣質(zhì)泥巖等,局部存在夾鹽溶角礫巖。巖體較破碎～破碎。地下水發(fā)育,隧道內(nèi)多出現(xiàn)股狀涌水,在可溶巖與非可溶巖接觸部位有突水可能。本次測試:該段未出現(xiàn)明顯低阻異常,但基于掌子面巖體現(xiàn)狀和地質(zhì)剖面圖,推測此段圍巖巖體受到前方F2斷層的牽引構(gòu)造作用明顯,或者掌子面附近受斷層構(gòu)造影響使巖體軟弱破碎,應加強超前支護措施及初期支護措施;地下水發(fā)育,應做好防排水工作。建議圍巖級別為Ⅴ級ZK133+095～ZK133+17580根據(jù)地質(zhì)勘察所得出的地質(zhì)剖面圖以及TRT超前地質(zhì)預報結(jié)果分析,本區(qū)段圍巖主要為薄～中厚層狀的灰?guī)r,且局部存在軟弱夾層以及夾鹽溶角礫巖。本區(qū)段層間結(jié)合較差,巖體穩(wěn)定性較差,巖體破碎。地下水發(fā)育,有股狀涌水。本次測試:該段出現(xiàn)明顯低阻異常,說明該段圍巖狀態(tài)差于ZK133+048～ZK133+095段,推測此段受斷層構(gòu)造影響、巖體破碎、地下水富集,可能發(fā)育不同規(guī)模的溶腔、溶洞。建議圍巖級別為Ⅴ級偏弱

圖9 檢測段地質(zhì)縱斷面圖

由TRT6000結(jié)合地質(zhì)剖面圖9綜合分析，本區(qū)段圍巖主要為薄～中厚層狀的灰?guī)r，且局部存在軟弱夾層以及夾鹽溶角礫巖。本區(qū)段層間結(jié)合較差，巖體穩(wěn)定性較差，巖體破碎。地下水發(fā)育，隧道內(nèi)多出現(xiàn)股狀涌水，拱部圍巖穩(wěn)定性較差。ZK133+048～ZK133+145段未出現(xiàn)低阻異常，但根據(jù)掌子面巖性較為破碎，推測此段圍巖破碎或者地下水發(fā)育；ZK133+145～ZK133+205段出現(xiàn)明顯低阻異常，該段圍巖疑似為F2斷層區(qū)域，圍巖極其破碎或者地下水非常發(fā)育。

3.2 地質(zhì)雷達法預報成果

本次探測方法為電磁波反射法，采用美國勞雷公司生產(chǎn)的SIR-20地質(zhì)雷達系統(tǒng)及配套分析軟件?，F(xiàn)場利用中心頻率為100MHz屏蔽天線對隧道掌子面ZK133+092～ZK133+122布置雷達測線進行連續(xù)測試，工作量合計30m。圖10為測線布設圖。

圖10 ZK133+092掌子面測線布設圖

掌子面巖性以灰色薄層～中厚層狀灰?guī)r為主，夾薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r。灰?guī)r層厚5～10cm為主，中等風化，巖性較堅硬；泥質(zhì)灰?guī)r多以夾層狀分布，薄層狀，泥質(zhì)含量較低，巖體較破碎。掌子面巖層產(chǎn)狀為305°∠55°～65°(見圖11)。掌子面圍巖整體層間結(jié)合一般，完整性一般，巖層產(chǎn)狀傾向洞外，自穩(wěn)性一般；泥質(zhì)灰?guī)r分布范圍附近自穩(wěn)性較差，易掉塊、坍塌。掌子面左側(cè)地下水較發(fā)育，呈淋雨狀，掌子面右側(cè)巖體破碎，穩(wěn)定性差，時有掉塊、落石。

圖11 ZK133+092掌子面素描圖

圖12 測線1雷達剖面圖

圖13 測線4雷達剖面圖

由圖12分析可知，掌子面前方存在反射異常區(qū)，在掌子面前方0～12m相位連續(xù)，推測巖體較完整，節(jié)理裂隙較發(fā)育；12～30m范圍內(nèi)反射波較強烈，相位連續(xù)，推測為巖體破碎、裂隙發(fā)育、圍巖破碎、地下水發(fā)育地段。

由圖13分析可知，掌子面前方存在反射異常區(qū)，在掌子面前方0～12m相位連續(xù)，推測巖體較完整，節(jié)理裂隙較發(fā)育；12～30m范圍內(nèi)反射波較強烈，相位連續(xù)，推測為巖體破碎、裂隙發(fā)育、圍巖破碎、地下水發(fā)育地段。

根據(jù)掌子面圍巖特征及本次測試結(jié)果，分析得出如下結(jié)論：掌子面前方ZK133+092～ZK133+122巖性主要為灰色薄層至中厚層狀灰?guī)r、泥灰?guī)r，層厚以5～10cm為主，屬次堅石，層間結(jié)合整體較差至一般。分布泥質(zhì)灰?guī)r夾層及受褶曲影響巖體較破碎，穩(wěn)定性較差，易掉塊、坍塌。其中12m以后推測為巖體破碎、裂隙發(fā)育、圍巖破碎、地下水發(fā)育地段。

3.3 測試結(jié)果綜合分析

根據(jù)本次地質(zhì)雷達測試、TRT長預報及結(jié)合勘察設計資料得出如下結(jié)論：

(1)總體上掌子面圍巖整體層間結(jié)合較差，完整性較差，巖層產(chǎn)狀傾向洞外，自穩(wěn)性一般；薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r遇水極易軟化，其分布范圍附近自穩(wěn)性較差，易掉塊、坍塌；由于該段距離斷層較近(長距離預報破碎帶掌子面前方50m)且地下水極為發(fā)育；建議掌子面前方ZK133+092～ZK133+122圍巖級別為Ⅴ級；

(2)ZK133+092～ZK133+122段巖體主要為灰?guī)r，局部夾泥質(zhì)灰?guī)r，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，由于地表巖溶、槽谷等負地形發(fā)育，地質(zhì)調(diào)查證明地表水與地下水連通性較好，地下水豐富，具有較好的巖溶發(fā)育條件，因此隧道開挖存在較大的涌突水風險。

3.4 施工建議

在ZK133+092～ZK133+122范圍掌子面開挖施工時，為了保障隧道開挖安全施工，建議做到如下幾點：

(1)建議在該段隧道開挖過程中，視出水情況逐步改善防排水措施或者采取預留核心土的施工工藝，盡可能維護圍巖自身穩(wěn)定；建議開挖至ZK133+097暫停掌子面施工，待鉆探探明前方排水泄壓之后根據(jù)圍巖情況和富水情況，調(diào)整設計參數(shù)之后進一步開挖。

(2)為了保證隧道開挖的安全，建議在掌子面ZK133+097之前中央布置一個取芯鉆探(30m)探明前方圍巖及富水情況，在掌子面左拱腳、右拱腳位置(終孔位置在隧道開挖輪廓線外5m)各布置一個不取芯鉆探(40m)探明前方富水情況和提前排水泄壓。

(3)開挖過程中重視開挖面涌水情況、圍巖穩(wěn)定狀況，嚴格按照設計要求加深炮孔，請設計部門現(xiàn)場勘測，及時調(diào)整設計。

(4)隧道開挖必須要遵循“先探后掘”的設計要求，首先進行超前地質(zhì)預報工作，沒有相關資料不能施工。

4 結(jié)語

本文結(jié)合銅鑼山隧道超前地質(zhì)預報為背景，提出綜合利用地質(zhì)雷達法與TRT法對掌子面前方涌水情況進行預報，主要有以下結(jié)論：(1)本項目根據(jù)在已勘察得到的隧道區(qū)域性地質(zhì)資料的條件下，充分利用兩種超前預報的優(yōu)缺點。選擇TRT6000預報進行長距離地質(zhì)預報，當遇到不良地質(zhì)情況時，再采用地質(zhì)雷達進行短距離的精確地質(zhì)預報。

(2)TRT超前預報所得的結(jié)果形象直觀，適用于本次富水巖溶地段。同時，TRT法具有機械化程度高、容易操作、費用較低的特點。地質(zhì)雷達法操作簡單快速，且預報的距離短，具有更高的精確性，特別適用于不良地質(zhì)地段。

(3)根據(jù)本方法能準確直觀地了解掌子面前方的地質(zhì)情況，根據(jù)綜合測試分析結(jié)果，能及時地給出施工建議方案，保證隧道的開挖安全。經(jīng)實踐驗證該組合預報技術(shù)能為隧道施工提供有效的參考依據(jù)。

[1]干昆蓉，呂小平，蔣 肅.某巖溶隧道涌水預報模型構(gòu)建與應用[J].鐵道工程學報，2008(7)：61-64.

[2]曾曉燕.巖溶隧道涌水對生態(tài)環(huán)境的影響[D].成都：西南交通大學，2006.

[3]何發(fā)亮，李蒼松，陳成宗.巖溶地區(qū)長大隧道涌水災害預測預報技術(shù)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2001(5)：21-23.

[4]郭有勁.綜合物探方法在隧道超前地質(zhì)預報中的應用研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(北京)，2010.

[5]葉 英.巖溶隧道施工超前地質(zhì)預報方法研究[D].北京：北京交通大學，2006.

[6]林傳年，李利平，韓行瑞.復雜巖溶地區(qū)隧道涌水預測方法研究[J].巖石力學與工程學報，2008(7)：1469-1476.

[7]李天斌，孟陸波，朱 勁，等.隧道超前地質(zhì)預報綜合分析方法[J].巖石力學與工程學報，2009(12)：2429-2436.

[8]郭偉偉.隧道施工超前地質(zhì)預測預報綜合技術(shù)方法研究[D].成都：西南交通大學，2006.

[9]朱 勁.超前地質(zhì)預報新技術(shù)在銅鑼山隧道的應用及綜合分析研究[D].成都：成都理工大學，2007.

[10]吳德勝，吳豐收，李富明，等.綜合地質(zhì)預報方法在銅鑼山隧道施工涌水預報中的應用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014(6)：167-172，178.

Application of Geological Radar and TRT Method in Tunnel Gushing Forecasting

LIU Jing

(Sichuan Nanyu Expressway Co.，Ltd.，Nanchong，Sichuan，637000)

During the tunnel construction in watery karst areas，it is prone to the water and mud outburst and other engineering geological disasters，which greatly endanger the construction safety.Therefore，to detect the engineering geology and hydrogeology situation of surrounding rock in front of tunnel face by using the geological prediction becomes particularly necessary.With the advanced geological prediction of Tongluoshan Tunnel project of Nanchong-Dazhu-Liangping(Sichuan and Chongqing border)Expre-ssway as the example，this article proposed the forecasting of gushing situation in front of tunnel face through combined utilization of Ground Penetrating Radar and TRT method，and the practices proved that this combined forecast technology can provide effective reference basis for tunnel construction，and to some extent it can reduce the occurrence probability of water and mud outburst and other geological disasters.

Tunnel；Watery karst；Ground Penetrating Radar；TRT method；Gushing forecast

劉 靜(1979—)，高級工程師，主要研究方向：主要從事隧道及地下工程方面的研究工作。

U456.3+2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.016

1673-4874(2015)11-0072-06

2015-10-11