TTRRRTTT 與地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的綜合應(yīng)用

周滿兵

（1.安徽省公路工程檢測中心，安徽合肥 230051；2.橋梁與隧道工程檢測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230051）

0 引言

近年來，公路隧道建設(shè)快速發(fā)展，但由于隧道地質(zhì)勘察工作的局限性及隧址區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，隧道施工人員很難了解掌子面前方的地質(zhì)變化、災(zāi)害體的分布與性質(zhì)等，導(dǎo)致在隧道開挖過程中局部段落出現(xiàn)坍塌冒頂、涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害[1]，給工程項(xiàng)目造成不可挽回的損失，因此在隧道工程施工中進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作尤為重要。公路隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要目的[2]是在施工前地質(zhì)勘察成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步查明掌子面前方一定范圍內(nèi)圍巖的地質(zhì)條件，進(jìn)而預(yù)測前方不良地質(zhì)，為信息化設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)，為降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)提供預(yù)警。

目前，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法除了常規(guī)的地質(zhì)分析法和超前鉆孔以外，還有各種物探方法，比如：采用電磁原理的地質(zhì)雷達(dá)法和瞬變電磁法，其中地質(zhì)雷達(dá)法由于預(yù)報(bào)快速、方便、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用比較普遍，其主要缺點(diǎn)是探測距離短。另外，還有利用地震波原理的TSP、TGP、TST、TRT 等預(yù)報(bào)技術(shù)，具有預(yù)報(bào)距離長的特點(diǎn)，其中TRT 法[3]的突出特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了三維空間觀測，設(shè)備自動化程度高，同時(shí)不需要采用炸藥來產(chǎn)生地震波，與其他地震波方法相比，可提高不良地質(zhì)體的地位精度和巖體工程類別劃分的可靠性，近年來已越來越多地被應(yīng)用到隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中。

本文以G205 五里亭至桃林公路改建工程茶子嶺隧道為例，主要闡述TRT與地質(zhì)雷達(dá)的預(yù)報(bào)原理及其在隧道工程施工中的綜合應(yīng)用，對隧道典型地段預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行分析比較，并與實(shí)際開挖地質(zhì)情況對比驗(yàn)證，結(jié)果表明TRT長距離預(yù)報(bào)與地質(zhì)雷達(dá)短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)技術(shù)[4]在公路隧道開挖過程中具有重要的安全指導(dǎo)作用。

1 工程概述

1.1 隧道概況

G205 五里亭至桃林公路改建工程位于黃山市休寧縣境內(nèi)，采用二級公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為60 km/h，瀝青混凝土路面。新建的茶子嶺隧道為單洞雙向行車特長隧道，起訖樁號K27+210～K30+428，全長為3 218 m。隧道圍巖劃分為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ三種圍巖級別，詳見表1。

表1 茶子嶺隧道圍巖分級一覽表Table 1. Wall rock grading of the Chaziling tunnel

1.2 隧址區(qū)地質(zhì)條件

隧址區(qū)地層屬揚(yáng)子地層區(qū)江南地層分區(qū)，表層為第四系殘坡積角礫土，下伏基巖為休寧晚期花崗巖、長城-薊縣紀(jì)牛屋組變質(zhì)砂巖。隧址區(qū)大地構(gòu)造位置為中國揚(yáng)子板塊下?lián)P子臺塊南緣與江南陸緣隆起帶的過渡部位，區(qū)域上處于江灣-街口擠壓破碎帶，斷裂構(gòu)造發(fā)育。

隧道所在區(qū)域地表水系較發(fā)育，影響范圍內(nèi)的河流屬于新安江水系和衢江水系。隧址區(qū)地下水水量受大氣降水的影響，呈季節(jié)性變化，隧道穿越段地下水以基巖裂隙水為主，裂隙水主要賦存于巖體構(gòu)造節(jié)理裂隙中，接受大氣降水和層間徑流的補(bǔ)給。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法及原理

2.1 TRT地震波法

目前最新的TRT7000型隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，是一種地震波物探方法，運(yùn)用地震波反射三維成像技術(shù)[5]，其原理為：在隧道中當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅降刭|(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面（聲學(xué)阻抗發(fā)生變化）時(shí)，部分信號在界面被反射回來，部分信號透射到前方巖體，反射回來的信號被高靈敏度的地震波接收傳感器所接收，再通過軟件進(jìn)行信號分析，可判斷隧道掌子面前方的斷層、破碎帶等災(zāi)害體的分布及地質(zhì)變化等。TRT法探測原理如圖1所示。入射到反射邊界后的反射系數(shù)可根據(jù)公式（1）計(jì)算：

圖1 TRT探測原理Figure 1. TRT detection principle

式中：R為反射系數(shù)；ρ1、ρ2為反射分界面前后范圍內(nèi)的巖體密度；v1、v2為反射分界面前后范圍內(nèi)的地震波速度。

TRT7000 型隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要部件有：①檢波器10個(gè)，靈敏度為1V/g，接收范圍為10～10000Hz；②檢波器固定塊10 個(gè)；③無線模塊11 個(gè)；④無線通信基站1 個(gè)；⑤觸發(fā)器1 個(gè)；⑥主機(jī)1 臺，包括Sawtooth地震波采集軟件和RV3D分析軟件。儀器的數(shù)據(jù)采集過程為：在震源點(diǎn)上錘擊，在錘擊巖體產(chǎn)生地震波的同時(shí)觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號給基站，然后基站給無線遠(yuǎn)程模塊下達(dá)采集地震波指令，并把遠(yuǎn)程模塊傳回的地震波數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦中，完成地震波數(shù)據(jù)采集。

TRT 成像圖采用的是相對解釋原理，即確定一個(gè)背景場，所有解釋相對背景值進(jìn)行，異常區(qū)域會偏離背景區(qū)域值，根據(jù)偏離與分布多少解釋隧道前方的地質(zhì)情況。

判斷圍巖地質(zhì)情況原則：一般來說，軟件設(shè)定圍巖相對背景值破碎、含水區(qū)、裂隙、巖溶、采空區(qū)域呈藍(lán)色顯示，相對背景值硬質(zhì)巖石呈黃色顯示；從整體上對成像圖進(jìn)行解釋，不能單獨(dú)參照一個(gè)斷面的圖像。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法[6]采用的是連續(xù)掃描電磁脈沖波反射曲線的疊加，利用寬帶高頻時(shí)域電磁脈沖波的反射，根據(jù)探測到的反射脈沖波走時(shí)計(jì)算反射界面與隧道掌子面之間的距離。

隧道前方的含水情況與巖石的破碎程度是決定電性常數(shù)的主要因素，當(dāng)電磁波遇到不同的電性反射界面后電磁波振幅和相位發(fā)生變化。根據(jù)對電磁波信號的處理分析，可判定隧道掌子面前方的地質(zhì)變化情況。地質(zhì)雷達(dá)法探測原理如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)法探測原理Figure 2. Geological radar detection principle

本次茶子嶺隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用瑞典MALA公司RAMAC/GPR型探地雷達(dá)，天線使用中心頻率為100 MHz 的低頻屏蔽天線。數(shù)據(jù)采集時(shí)設(shè)置采樣頻率為1 200 MHz，疊加次數(shù)為128次，時(shí)間窗為480 ns，點(diǎn)測方式，點(diǎn)測距離為0.1 m。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集主要是在掌子面上進(jìn)行，使雷達(dá)天線與掌子面能有較好的耦合。采用Ground Vision 軟件探測的雷達(dá)圖形以脈沖反射波的波形形式記錄，以波形顯示探測雷達(dá)剖面圖。

地質(zhì)雷達(dá)探測資料的解釋包括兩部分內(nèi)容：一是數(shù)據(jù)處理，二是圖像解釋。使用REFLEXW 雷達(dá)資料處理軟件，對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行預(yù)處理、增益調(diào)整、濾波和成圖等方法的處理，得到時(shí)間剖面圖，以此對掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行分析評價(jià)。地質(zhì)雷達(dá)圖像剖面是地質(zhì)雷達(dá)資料解釋的基礎(chǔ)，只要掌子面前方介質(zhì)中存在電性差異，就可以在雷達(dá)剖面圖中找到相應(yīng)的反射波與之對應(yīng)，根據(jù)波形的三振相（頻率、振幅和相位）特征，具體判斷隧道前方地質(zhì)情況。

3 TRT與地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果

根據(jù)茶子嶺隧道開挖的地質(zhì)情況，選取了具有代表性Ⅴ級圍巖地段面向大樁號進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，掌子面樁號為K27+650。

3.1 掌子面地質(zhì)分析

通過對K27+650 掌子面的地質(zhì)觀察，掌子面圍巖巖性主要為中風(fēng)化砂巖，呈中厚層狀，巖體堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面呈“X”形共軛交錯(cuò)，現(xiàn)場量取一組主要節(jié)理產(chǎn)狀為275°∠82°，近似垂直，裂隙內(nèi)充填大量黃色泥質(zhì)物，巖體整體較為破碎，局部破碎程度高，拱頂及掌子面中部存在點(diǎn)滴狀滲水，綜合來看，地下水不豐富。

3.2 TRT預(yù)報(bào)分析結(jié)果

TRT7000 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的震源和檢波器采用立體、分布式布置，在隧道兩側(cè)拱墻各對稱布置4個(gè)傳感器，在隧道拱頂位置布置2個(gè)傳感器，獲得真實(shí)三維立體圖，可直觀再現(xiàn)異常體的位置、形態(tài)與大小。TRT預(yù)報(bào)測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 TRT震源和檢波器布置示意圖Figure 3. Schematic diagram of TRT source and geophone layout

TRT 采用重錘激發(fā)地震波[7]。本次勘測范圍：相對隧道中心線高程為-20～20 m，橫向?yàn)樗淼乐行木€左右各20 m，縱向?yàn)?60 m，TRT分析三維成像如圖4~圖6所示。掌子面在圖中的位置為36.6 m。

圖4 TRT法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維俯視圖Figure 4. 3D top view from geological prediction using TRT method

圖5 TRT法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維側(cè)視圖Figure 5. 3D side view from geological prediction using TRT method

圖6 TRT法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維立體圖Figure 6. 3D stereogram from geological prediction using TRT method

根據(jù)圖像分析，本次TRT 預(yù)報(bào)長度為120 m（K27+650～K27+770），結(jié)論如下：

（1）掌子面前方 0～20 m（K27+650～K27+670）段，地震波變化不明顯，波速變化幅度小，判斷該區(qū)域圍巖與掌子面類似，主要為中風(fēng)化砂巖，巖體裂隙發(fā)育，巖體整體穩(wěn)定性較差，地下水不豐富，隧道開挖過程中可能出現(xiàn)連續(xù)點(diǎn)滴狀出水和掉塊現(xiàn)象。

（2）掌子面前方20～50 m（K27+670～K27+700）段，地震波反射較強(qiáng)，地震波成像離散，阻抗高，判斷該區(qū)域圍巖破碎，裂隙發(fā)育，圍巖密度與強(qiáng)度提高，圍巖整體穩(wěn)定性改善，地下水較發(fā)育，在軟弱夾層及隧道拱頂可能會揭露地下水，水量偏弱，開挖可能出現(xiàn)點(diǎn)滴狀出水。

（3）掌子面前方50～60 m（K27+700～K27+710）和80～120 m（K27+730～K27+770）段，地震波反射不明顯，未見明顯異常，推斷該區(qū)域圍巖裂隙發(fā)育，圍巖較破碎，地下水不豐富。

（4）掌子面前方60～80 m（K27+710～K27+730）段，地震波波形變化大，波速波動幅度增加，成像離散，阻抗較低，判斷該區(qū)域圍巖強(qiáng)度較低，裂隙發(fā)育，地下水較發(fā)育，開挖時(shí)可能出現(xiàn)淋雨?duì)罨蜻B續(xù)點(diǎn)滴狀地下水。

3.3 地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)分析結(jié)果

在茶子嶺隧道K27+650 掌子面處布置一條水平方向的地質(zhì)雷達(dá)測線，緊貼掌子面從左向右探測，選用MALA地質(zhì)雷達(dá)，100 MHz屏蔽天線，采用鍵盤觸發(fā)的點(diǎn)測方式，每10 cm采集一道數(shù)據(jù)。地質(zhì)雷達(dá)測線布置如圖7所示，地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果解譯圖像如圖8所示。

圖7 地質(zhì)雷達(dá)法測線布置示意圖Figure 7. Layout of geological radar survey line

圖8 K27+650地質(zhì)雷達(dá)解譯圖Figure 8. Geological radar interpretation of the section K27+650

根據(jù)圖像分析，本次地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)長度20 m（K27+650～K27+670），結(jié)論如下：

掌子面前方0～20 m（K27+650～K27+670) 段，電磁波存在多組反射信號，且反射信號較為雜亂，同相軸不連續(xù)，信號頻率偏低，振幅較強(qiáng)，判斷該區(qū)域圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，局部位置巖層破碎，施工開挖可能產(chǎn)生連續(xù)滴漏狀滲水。

3.4 TRT與地質(zhì)雷達(dá)比較

本次TRT 與地質(zhì)雷達(dá)在掌子面前方20 m（K27+650～K27+670）預(yù)報(bào)結(jié)論較為一致，兩者探測結(jié)果均為巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育。為驗(yàn)證預(yù)報(bào)效果，在隧道開挖過程中進(jìn)行了全程跟蹤。茶子嶺隧道K27+650掌子面TRT和地質(zhì)雷達(dá)法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況與實(shí)際開挖地質(zhì)情況對比見表2。

表2 TRT和地質(zhì)雷達(dá)法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況與實(shí)際開挖地質(zhì)情況對比Table 2. Comparison between geological prediction using both TRT and geological radar methods with actual geological situation by excavation

從表2 可以看出，本次預(yù)報(bào)情況和隧道實(shí)際開挖所揭示的地質(zhì)情況基本吻合，預(yù)報(bào)效果比較理想。在TRT 與地質(zhì)雷達(dá)兩種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法綜合應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)：地質(zhì)雷達(dá)對于地下水信號比較敏感，能夠比較準(zhǔn)確、快速地預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)過程基本不會影響施工；TRT 法地質(zhì)預(yù)報(bào)具有預(yù)報(bào)距離長，能三維探測[8]判斷不良地質(zhì)位置，但現(xiàn)場測點(diǎn)的布置及數(shù)據(jù)采集時(shí)間過長，時(shí)效性不高，影響隧道施工進(jìn)度；另外，預(yù)報(bào)人員對于TRT 數(shù)據(jù)解釋需要具備一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和良好的地質(zhì)理論基礎(chǔ)。

綜上所述，TRT 與地質(zhì)雷達(dá)作為隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的常用方法[9]，綜合比較其原理方法、探測范圍、精準(zhǔn)度等，兩者各自特點(diǎn)及區(qū)別如下：

（1）TRT 作為長距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的一種方法，是宏觀的三維超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，其主要目的是確定隧道內(nèi)不良地質(zhì)類型及其分布，為科學(xué)施工提供地質(zhì)依據(jù)。

（2）地質(zhì)雷達(dá)屬于短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[10]，是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的攻堅(jiān)階段，能對掌子面不同位置進(jìn)行快速預(yù)報(bào)，精度更高，可有效提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

（3）TRT 技術(shù)具有地震波探測的多解性，特別在以上實(shí)例中地震波反射信號不明顯處可通過地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行補(bǔ)充預(yù)報(bào)，實(shí)測效果良好。

4 結(jié)語

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為系統(tǒng)性、綜合性工程，需結(jié)合掌子面地質(zhì)分析、隧道開挖揭露圍巖對比分析、勘查設(shè)計(jì)資料等各方面信息全面考慮，才能保證超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果有較高準(zhǔn)確度，為動態(tài)設(shè)計(jì)和施工提供地質(zhì)依據(jù)。以上實(shí)例說明在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，可先采用TRT大范圍探測，再采用地質(zhì)雷達(dá)小范圍精準(zhǔn)排查，兩種方法相互補(bǔ)充、綜合運(yùn)用，可提高地質(zhì)預(yù)報(bào)精度和效率，及時(shí)有效指導(dǎo)隧道施工。