地質(zhì)雷達三維探測和TSP在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

劉 翔，尹燕征，郭 鵬，張曉利，王靖軒

（中建七局第一建筑有限公司，北京 100026）

0 引言

伴隨我國“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的快速實施和“一帶一路”建設(shè)的高效推進，隧道建設(shè)逐漸開始向地形地質(zhì)條件復(fù)雜的西部山區(qū)和巖溶富水地區(qū)轉(zhuǎn)移，并呈現(xiàn)“大埋深、長洞線、高應(yīng)力、強巖溶、高水壓、構(gòu)造復(fù)雜、災(zāi)害頻發(fā)”的發(fā)展趨勢，地質(zhì)災(zāi)害問題日趨嚴重[1]。我國西南地區(qū)的交通線路建設(shè)很大程度上受復(fù)雜環(huán)境和地質(zhì)條件制約，巖溶發(fā)育分布的復(fù)雜性造成隧道施工巖溶涌突水、突泥、涌砂、翻漿冒泥等地下水災(zāi)害頻繁發(fā)生。

近年來，超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)得到了快速發(fā)展，探測設(shè)備的先進性增加了超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果的精準(zhǔn)性，為隧道施工制定合理的災(zāi)害防治措施提供技術(shù)保障；但超前預(yù)報方法的多樣性和探測結(jié)果多解性仍然是一項技術(shù)難題。

本文選取云南省華坪至麗江高速公路營盤山隧道作為實施對象，使用地質(zhì)雷達三維探測與TSP相結(jié)合的方法，對隧道掌子面前方巖體進行探測，結(jié)合華坪至麗江高速公路隧道工程地質(zhì)勘察資料與掌子面實時情況，綜合分析預(yù)報結(jié)果，為信息化施工提供依據(jù)，為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供預(yù)警。

1 工程概況

華坪至麗江高速公路是國家公路網(wǎng)G42上海至成都高速公路成都至麗江聯(lián)絡(luò)線中的一段，也是云南省高速公路網(wǎng)“三縱三橫，九大通道”中的第一橫華坪—麗江—蘭平—六庫中的重要組成部分。營盤山隧道區(qū)屬構(gòu)造剝蝕低中山地貌區(qū)，地形起伏較大，隧道中線高程1 567.80 m～2 527.63 m，最大相對高差959.83 m，山體自然坡度35°～45°，地表植被發(fā)育。隧道進、出口位于山前斜坡地帶，自然山坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。隧地址區(qū)上覆地層為第四系更新統(tǒng)坡積粉質(zhì)粘土、碎石，分布不均勻；下伏基巖為下元古界會理群片麻巖、混合巖，震旦系觀音崖組泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖，震旦系燈影組白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，泥盆系中統(tǒng)灰?guī)r、寒武系下統(tǒng)砂巖、三疊系上統(tǒng)干海子組泥質(zhì)砂巖、砂巖、泥巖、煤層，三疊系舍資組砂巖、泥巖及早元古代晚期石英閃長巖。

2 地質(zhì)雷達三維探測超前預(yù)報

2.1 地質(zhì)雷達三維成像技術(shù)原理

地質(zhì)雷達方法是一種用于確定工程結(jié)構(gòu)與地層介質(zhì)分布的電磁波法[2]。主要原理是利用高頻電磁波，以脈沖形式通過發(fā)射天線定向發(fā)射，電磁波在地下介質(zhì)中傳播，當(dāng)遇到存在電性差異介質(zhì)的界面時，電磁波便發(fā)生反射，返回地面后由接收天線接收，并由采集系統(tǒng)（主機）以數(shù)字形式記錄下來（見圖1）。本工程中數(shù)據(jù)分析采用專利算法自主研發(fā)的AGS-GPR3D專業(yè)處理軟件進行分析處理，可以智能識別地下空間質(zhì)點中的目標(biāo)介質(zhì)，并計算其在數(shù)字信號頻譜中所占能譜強度值。

圖1 地質(zhì)雷達法探測工作原理圖

2.1 地質(zhì)雷達三維探測成像觀測系統(tǒng)設(shè)計

在地質(zhì)雷達探測前首先進行掌子面素描，以里程碑ZK26+043～ZK25+950為例，根據(jù)隧道工程地質(zhì)勘察報告[3]：測控區(qū)空間范圍圍巖地層巖性主要為微風(fēng)化片麻巖、混合巖，受斷裂構(gòu)造影響，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖自穩(wěn)能力較差，無支護時拱部可能產(chǎn)生坍塌，側(cè)壁可能掉塊，洞室內(nèi)呈淋雨狀或點滴狀出水，地下水主要為裂隙水及巖溶水。

地質(zhì)雷達三維成像觀測系統(tǒng)設(shè)計基于傘角回旋自動掃描疊加點測模式[4]，雷達波束以環(huán)向掃描間距5°，空間掃描傘角分別為10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，對探測面ZK26+061里程沿隧道左幅施工掘進方向左偏6°呈半球狀對探測空間全覆蓋（見圖2），華麗高速營盤山隧道地質(zhì)雷達現(xiàn)場探測如圖3所示。

圖3 地質(zhì)雷達現(xiàn)場探測工作照（圖片來源：作者自攝）

2.3 地質(zhì)雷達三維探測超前預(yù)報結(jié)果分析及結(jié)論

地質(zhì)雷達三維成像空間范圍：以營盤山隧道出口左幅ZK26+061向小里程方向進行超前三維探測，測控范圍為營盤山隧道出口左幅ZK26+043～ZK25+950，右幅YK26+055～YK25+962段，隧道左幅洞身外延40 m、右幅洞身外延20 m空間范圍。

測控區(qū)內(nèi)，洞身周邊圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，裂隙水豐富。裂隙水徑流方向主要是自上而下的，裂隙水徑流通道錯綜復(fù)雜，如圖4所示。

圖4 營盤山隧道出口地質(zhì)雷達三維成像探測綜合結(jié)果圖

測控區(qū)空間范圍內(nèi)，出口右幅未開挖段YK26+050～+040，自上而下貫穿洞身，存在一規(guī)模約4 000 m3的Ⅰ號空腔破碎松散區(qū)，測區(qū)周邊圍巖裂隙及破碎松散區(qū)分布探測如圖5所示。

圖5 營盤山隧道出口端測區(qū)周邊圍巖裂隙及破碎松散區(qū)分布探測結(jié)果

測控區(qū)空間范圍近洞身周邊存在8處影響洞身的裂隙水異常區(qū)，其中①號節(jié)理裂隙水異常區(qū)位于右幅YK26+055里程前后，貫穿整個洞身；②號含水裂隙異常位于左幅掌子面ZK26+043里程前后洞身左上方；③號含水裂隙異常位于左幅掌子面ZK26+043里程前后洞身右側(cè)及右上方；進入ZK26+038里程前后，洞身右下方圍巖；④號含水裂隙異常含水豐富；⑤號含水裂隙異常于右幅YK26+025里程前后，洞身上方含水豐富；⑥號裂隙水通道異常于左幅ZK26+013里程前后洞身左上方；⑦號含水裂隙異常于左幅ZK25+973里程前后洞身左上方，裂隙水較豐富；⑧號含水裂隙異常于右幅YK25+980里程前后洞身周邊（見圖6）。

圖6 營盤山隧道出口端左右幅近洞身裂隙水形態(tài)及剖面圖

出口左幅洞身已開挖段ZK26+060～YK26+043（見圖7），洞身周邊裂隙水豐富，且ZK26+050里程前后，洞身上方存在一節(jié)理裂隙徑流道；未開挖段ZK26+043～ZK26+003，洞身周邊圍巖裂隙發(fā)育，裂隙水豐富；ZK26+003～ZK25+978段，洞身周邊圍巖裂隙較發(fā)育，近洞身范圍內(nèi)，洞身上方裂隙水含量逐漸減少，洞身下方裂隙水豐富；ZK25+978～ZK25+950段，洞身周邊圍巖裂隙發(fā)育，裂隙水含量間斷變化。

圖7 營盤山隧道出口端左幅洞身軸線縱剖面圖

3 TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報

3.1 TSP測量原理及觀測系統(tǒng)設(shè)計

本項目測量采用TSP203，利用人工激發(fā)的地震波在不均勻地質(zhì)體中所產(chǎn)生的反射波特性來預(yù)報隧道開挖工作面前方地質(zhì)情況，采用了回聲測量原理[5]（見圖8）。地震波在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面（即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等）時，一部分地震信號反射回來，另一部分信號透射進入前方介質(zhì)。反射的地震信號將被1個或2個高靈敏度的地震檢波器接收，根據(jù)反射信號的傳播時間和反射界面的距離成正比的原理，故而能提供一種直接的前方不良地層的數(shù)據(jù)，再通過專用軟件的分析處理，判讀出前方的地質(zhì)狀況。

圖8 TSP彈性波法隧道地質(zhì)超前預(yù)報原理

在ZK26+110.5里程位置左、右邊墻上布置分別布置1個接收器（檢波器），同時布置24個激發(fā)炮孔，觀測系統(tǒng)設(shè)計布置具體情況見表1，圖9。

圖9 TSP203 PLUS觀測系統(tǒng)設(shè)計布置示意圖

表1 TSP203 PLUS觀測系統(tǒng)設(shè)計布置表

3.2 TSP超前地質(zhì)預(yù)報數(shù)據(jù)處理與成果分析

采集的數(shù)據(jù)采用配套的TSPwin專用軟件進行處理。數(shù)據(jù)處理時，首先正確輸入隧道、接收器和炮點的幾何參數(shù)等。剔除不合格的地震道。只有合格的地震道才能參于數(shù)據(jù)處理。

處理流程包括11個主要步驟，即：數(shù)據(jù)設(shè)置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q因子估算→反射波提取→縱波（P）、橫波（S）分離→速度分析→深度偏移→反射層提取。

處理的最終成果包括P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等，以及反射層在探測范圍內(nèi)的2D空間分布，如圖10所示。

圖10 TSP反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果圖

根據(jù)圖10探測結(jié)果，可以得到相應(yīng)里程對應(yīng)的參數(shù)值，包括縱波速度、橫波速度、縱橫波速比、泊松比和靜態(tài)、動態(tài)楊氏模量，通過參數(shù)對探測前方圍巖進行地質(zhì)預(yù)測，本次TSP彈性波法探測及預(yù)報的范圍為隧道掌子面前方ZK26+060～ZK25+954里程段，探測長度為106 m，具體預(yù)報結(jié)論如下。

1）ZK26+060～ZK26+020里程段，長度40 m，TSP探測結(jié)果顯示：此段圍巖各項物理力學(xué)參數(shù)略有起伏。根據(jù)TSP探測資料并結(jié)合掌子面地質(zhì)情況、設(shè)計勘察資料綜合分析，初步推斷該段圍巖巖性與掌子面圍巖基本相似，為中風(fēng)化白云巖，巖質(zhì)較硬，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖層層間結(jié)合差，巖體結(jié)構(gòu)破碎，圍巖穩(wěn)定性較差，局部裂隙水發(fā)育。建議此段開挖過程中做好防排水措施，并采用地質(zhì)雷達、加深炮孔、地質(zhì)鉆探等手段，進一步探測掌子面前方不良地質(zhì)體分布情況。

2）ZK26+020～ZK25+990里程段，長度30 m，TSP探測結(jié)果顯示：此段圍巖各項物理力學(xué)參數(shù)較為平緩。根據(jù)TSP探測資料并結(jié)合掌子面地質(zhì)情況、設(shè)計勘察資料綜合分析，初步推斷該段圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，局部裂隙水極發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)破碎，圍巖整體穩(wěn)定性較差，建議此段開挖過程中做好防排水措施，并采用地質(zhì)雷達、加深炮孔、地質(zhì)鉆探等手段，進一步探測掌子面前方不良地質(zhì)體分布情況。

3）ZK25+990～ZK25+954里程段，長度36 m，TSP探測結(jié)果顯示：此段圍巖各項物理力學(xué)參數(shù)跳躍狀變化。根據(jù)TSP探測資料并結(jié)合掌子面地質(zhì)情況、設(shè)計勘察資料綜合分析，初步推斷該段圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，構(gòu)造水發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)破碎，圍巖整體穩(wěn)定性差，建議此段開挖過程中做好防排水措施，圍巖自穩(wěn)能力差，拱頂?shù)任恢昧严栋l(fā)育，圍巖破碎，處理不當(dāng)易坍塌，應(yīng)謹慎掘進且及時做好初期支護；其中K25+974～K25+964構(gòu)造水極發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)極破碎，圍巖整體穩(wěn)定性極差。

4 結(jié)果對比

地質(zhì)雷達三維探測成像空間范圍為營盤山隧道出口左幅ZK26+043～ZK25+950，TSP彈性波法探測及預(yù)報的范圍為隧道左洞掌子面前方ZK26+060～ZK25+954。選取重合段ZK26+043～ZK25+954進行分析比較。通過對兩種探測方法的原理、操作方法及結(jié)果進行分析，地質(zhì)雷達和TSP各具有其優(yōu)缺點。

地質(zhì)雷達三維探測超前預(yù)報探測溶腔、破碎帶、空洞等效果明顯同時將結(jié)果以三維的形式展現(xiàn)出來，更能直觀的反應(yīng)出在某一結(jié)構(gòu)面上周邊不同位置的結(jié)構(gòu)情況，但在有效距離外電磁波信號衰減明顯，不能長距離探測，探測距離為20 m～30 m[6]。

TSP通過地震波在圍巖的傳播速度的計算來得出巖性參數(shù)[7]，能夠檢測隧道圍巖類別，探測距離為100 m～150 m，巖性分界較準(zhǔn)確，在明確反射層位置的情況下會具有更高的精確度，缺點是對于巖溶、巖溶水難以準(zhǔn)確預(yù)測，無法反應(yīng)溶腔、裂隙在某一結(jié)構(gòu)面上的具體位置。

TSP+地質(zhì)雷達三維探測，使用長短結(jié)合的組合方式，既能準(zhǔn)確反應(yīng)溶腔、裂隙、空洞的情況，又可以準(zhǔn)確分析巖性。同時地質(zhì)雷達三維探測能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)面分布情況的更加明確，實現(xiàn)可視化，彌補了TSP無法反應(yīng)結(jié)構(gòu)面分布情況的缺點。

5 結(jié)語

通過在華坪至麗江高速公路營盤山隧道中同時應(yīng)用兩種探測方法，從探測結(jié)果中可以看出ZK26+040～ZK25+950段隧道圍巖整體穩(wěn)定性差，沿隧道掘進方向，ZK26+000附近開始巖體趨于變動，圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，裂隙水、構(gòu)造水發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)破碎。K25+975附近洞身周邊水系發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)極破碎，圍巖整體穩(wěn)定性極差。

對于圍巖較好的區(qū)段，TSP基本能滿足預(yù)報要求，但在不良地質(zhì)發(fā)育段特別是類似營盤山隧道地質(zhì)的巖溶地區(qū)，TSP無法準(zhǔn)確預(yù)測。將地質(zhì)雷達和TSP同時應(yīng)用，對TSP補充和細化，提高預(yù)報準(zhǔn)確度，同時詳細預(yù)報出了不良地質(zhì)段發(fā)育的規(guī)模、位置。

兩種探測方法相互驗證并結(jié)合地質(zhì)勘查報告，能夠較好預(yù)測出掌子面前方巖溶發(fā)育程度、涌水壓力、破碎帶位置等，為隧道施工提供技術(shù)支撐，并在隧道掘進過程中驗證了預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性。