長(zhǎng)短結(jié)合法在隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

陳凱江 李孟倩

(1.華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009； 2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

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長(zhǎng)短結(jié)合法在隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

陳凱江1李孟倩2

(1.華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009； 2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

介紹了地質(zhì)雷達(dá)與TRT6000的探測(cè)原理，并以云南龍瑞高速公路黑山門隧道為例，采用地質(zhì)雷達(dá)與TRT相結(jié)合的方法進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確直觀地了解了掌子面前方的地質(zhì)情況。

隧道，地質(zhì)雷達(dá)，TRT，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)西部交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷投入，隧道工程已經(jīng)成為西部山區(qū)交通建設(shè)中重點(diǎn)、難點(diǎn)工程。特別是近幾年，長(zhǎng)、大隧道的建設(shè)有了快速的發(fā)展。長(zhǎng)大隧道的建成在極大地方便人們交通出行的同時(shí)，如何保證安全、經(jīng)濟(jì)的施工成為了制約特長(zhǎng)隧道發(fā)展的重要因素。作為地下隱蔽工程，僅依靠設(shè)計(jì)之初的地質(zhì)勘查顯然不能準(zhǔn)確掌握隧道各部分的地質(zhì)情況，由于不良的地質(zhì)情況所引發(fā)的突發(fā)安全事故也時(shí)有發(fā)生。

為了更加全面的掌握隧道周邊圍巖的地質(zhì)情況，減少不良的地質(zhì)對(duì)隧道建設(shè)的危害，目前國(guó)內(nèi)常用的工程手段就是在施工中對(duì)隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以便能夠根據(jù)隧道前方一定范圍內(nèi)實(shí)際地質(zhì)狀況及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)保證隧道安全施工。

1 探測(cè)方法基本原理

在當(dāng)前隧道施工技術(shù)水平下，隧道的施工的快慢與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的距離和準(zhǔn)確性有密不可分的關(guān)系。通常依據(jù)預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)短將其分為：短距離和長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)。在實(shí)際的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR)法由于其檢測(cè)方便快速以及探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，是目前短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)最主要的物探方法[1]。TRT技術(shù)(True Reflection Tomography，隧道地震波反射層析成像技術(shù))采用錘擊震源代替多數(shù)長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中采用的炸藥震源，既可以保障隧道圍巖以及襯砌結(jié)構(gòu)不因探測(cè)而發(fā)生破壞，又可以通過多次錘擊激發(fā)地震波實(shí)現(xiàn)疊加運(yùn)算，提高探測(cè)的準(zhǔn)確性[2]。

長(zhǎng)、短距離探測(cè)方式各有利弊，短距離預(yù)報(bào)雖然探測(cè)過程較為簡(jiǎn)單、精度較高，但是由于探測(cè)距離通常30 m以內(nèi)，對(duì)于長(zhǎng)大隧道而言探測(cè)頻率較高，特別是整體圍巖情況較好的地段，由于缺乏對(duì)于掌子面較遠(yuǎn)距離圍巖情況的認(rèn)識(shí)，多次短距離報(bào)告地質(zhì)情況較好的探測(cè)結(jié)果，可能會(huì)使施工人員盲目樂觀，加快進(jìn)度，甚至出現(xiàn)安全事故。長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)雖然預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)，但是相對(duì)精度卻低于短距離探測(cè)且無法對(duì)具體的下一施工循環(huán)的具體圍巖情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，單獨(dú)使用時(shí)缺乏令人信服的依據(jù)。

故而在進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，需要對(duì)隧道先進(jìn)行長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，確定隧道洞身范圍內(nèi)圍巖的整體情況，了解在哪段里程范圍內(nèi)的圍巖屬于不良地質(zhì)條件，哪段里程圍巖情況良好。對(duì)于圍巖良好的地段，在進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)短距離探測(cè)時(shí)可以調(diào)節(jié)儀器參數(shù)適當(dāng)加大探測(cè)距離，減少測(cè)線數(shù)量；而對(duì)于長(zhǎng)距離探測(cè)的不良地質(zhì)地段則可以適當(dāng)減小探測(cè)距離，增加雷達(dá)測(cè)線數(shù)，盡可能對(duì)不良的地質(zhì)條件進(jìn)行全面探測(cè)，為合理施工提供依據(jù)保障。結(jié)合工程實(shí)際，文章對(duì)應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)和TRT技術(shù)結(jié)合法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行了探討。

1.1 地質(zhì)雷達(dá)基本原理

地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超期地質(zhì)預(yù)報(bào)是根據(jù)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在不同介質(zhì)中產(chǎn)生透射、反射的特性來判斷前方地質(zhì)情況的方法。地質(zhì)雷達(dá)法的波源是由電磁振蕩所產(chǎn)生的高頻或特高頻電磁波。該電磁波沿著隧道圍巖向掌子面前方傳播，在傳播到圍巖界面時(shí)，如果界面兩側(cè)的圍巖介電常數(shù)差異較大，如界面前方有溶洞、富水區(qū)以及破碎帶等地質(zhì)異常體時(shí)，就會(huì)在界面處發(fā)生折射、透射和反射等現(xiàn)象。發(fā)生折射和透射的電磁波繼續(xù)向前傳播，通過接收、記錄和處理反射回的電磁波信號(hào)，就能得到該圍巖界面的雷達(dá)的掃描圖像。經(jīng)過對(duì)雷達(dá)圖像的判讀，地質(zhì)超前預(yù)報(bào)作業(yè)人員就可以得到掌子面前方圍巖的實(shí)際地質(zhì)情況[3]。

雷達(dá)電磁波的行程需時(shí)t可以按照式(1)確定：

(1)

其中，h為目標(biāo)深度，m；x為發(fā)射天線(T)與接收天線(R)的距離，m；v為電磁波速度，m/ns。

在進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，隧道圍巖為非鐵磁性介質(zhì)，雷達(dá)發(fā)射的電磁波在圍巖中的傳播速度可以用式(2)確定：

(2)

其中，c為光速，c=0.3 m/ns；ε為圍巖介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

目前工程中常用的地質(zhì)雷達(dá)中，通常都將發(fā)射天線和接收天線進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，如此設(shè)計(jì)可以極大地增加對(duì)于探測(cè)目標(biāo)深度的計(jì)算準(zhǔn)確性，探測(cè)深度可以用式(3)表示：

(3)

1.2 TRT6000探測(cè)原理

應(yīng)用TRT技術(shù)進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，由錘擊震源所產(chǎn)生的地震波會(huì)沿著隧道圍巖向前傳播，在兩側(cè)巖層密度與地震波在該巖層傳播速度的乘積差異較大的界面處(即聲學(xué)阻抗差異較大時(shí)，通常界面兩側(cè)圍巖地質(zhì)情況差異越大，阻抗也越大)，地震波會(huì)在界面處產(chǎn)生穿過界面的透射和在界面處的反射兩種現(xiàn)象。根據(jù)技術(shù)要求在靠近掌子面的隧拱腰和拱頂處布置的信號(hào)采集器會(huì)捕獲反射回來的地震波信號(hào)，通過專業(yè)的信號(hào)處理分析，就可以得到隧道掌子面前方圍巖的地質(zhì)情況。地震波在圍巖界面處的反射系數(shù)可以由式(4)計(jì)算：

(4)

其中，R為反射系數(shù)；ρ1，ρ2均為巖層的密度；V1，V2均為地震波在巖層中的傳播速度。

由式(4)可知，反射系數(shù)的正負(fù)和界面兩側(cè)的阻抗差異密切相關(guān)，地震波由低阻抗圍巖傳播到高阻抗圍巖時(shí)，反射系數(shù)為正，反之為負(fù)。一旦界面前方的圍巖內(nèi)部存在松散破裂帶時(shí)在該界面處的地震反射波的極性會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。不良地質(zhì)體的規(guī)模越大，與其他圍巖的聲學(xué)阻抗差別越大，界面處的反射波就越明顯，越容易被捕獲。通過計(jì)算機(jī)軟件分析以及工程技術(shù)人員的判讀，就可以得到掌子面前方圍巖的性質(zhì)，比如：是否存在軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等不良地質(zhì)情況以及其位置和規(guī)模大小。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

云南龍瑞高速公路黑山門隧道位于云南省德宏州畹町鎮(zhèn)境內(nèi)，隧道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)8 376/2 m，雙向四車道，為左右線分離式隧道。在黑山門隧道的施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，對(duì)部分里程段應(yīng)用TRT與GPR相結(jié)合的探測(cè)方式進(jìn)行了科學(xué)實(shí)驗(yàn)分析并取得了較好的效果。

2.2 TRT探測(cè)結(jié)果

以黑山門隧道左洞TRT探測(cè)為例，工程人員在掌子面里程為K106+510時(shí)，采用TRT技術(shù)對(duì)隧道進(jìn)行了實(shí)地探測(cè)，本次探測(cè)深度取120 m。在距離掌子面15 m處開始布置檢波器，在隧道掌子面前方2 m范圍內(nèi)按照?qǐng)D1布置震源位置。TRT數(shù)據(jù)判讀可以通過對(duì)比背景場(chǎng)來完成，通常采用掌子面的地質(zhì)情況作為本次探測(cè)的背景場(chǎng)，根據(jù)探測(cè)區(qū)域的反射信號(hào)與掌子面差異值的大小來解釋隧道前方的地質(zhì)情況。

探測(cè)結(jié)果立體圖見圖2，P波波速圖見圖3。

據(jù)此進(jìn)行隧道圍巖地質(zhì)情況判讀時(shí)需遵循以下原則：1)一般來說，判讀軟件對(duì)于較背景場(chǎng)地質(zhì)松散、破碎等不良區(qū)域以藍(lán)色顯示，圍巖地質(zhì)情況優(yōu)于背景場(chǎng)時(shí)呈黃色顯示；2)TRT數(shù)據(jù)判讀必須從整體上進(jìn)行解釋，單獨(dú)參照一個(gè)斷面的圖像結(jié)果沒有實(shí)際意義。

由探測(cè)結(jié)果可知，圍巖探測(cè)K106+610～K106+630段為地震波低速帶或反射面密集帶，圍巖完整性較探測(cè)其余地段差，破碎，自穩(wěn)能力差，通過勘測(cè)區(qū)域的地震波反射掃描成像三維圖、P波波速、掌子面地質(zhì)情況，參照J(rèn)TG C20—2011公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范、JTJ 063—85公路隧道勘測(cè)規(guī)程及JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合地質(zhì)情況綜合分析，可以得出如下結(jié)論：掌子面前100 m與當(dāng)前掌子面情況相似，之后20 m隧道圍巖破碎，建議加強(qiáng)支護(hù)。

2.3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果

結(jié)合TRT長(zhǎng)距離探測(cè)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)工程人員對(duì)K106+510～K106+610范圍內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)將探測(cè)距離調(diào)為30 m，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)隧道地質(zhì)情況與K106+510基本相同，沒有明顯異常，在K106+610～K106+630段時(shí)恢復(fù)為20 m的探測(cè)距離，通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)得到的原始雷達(dá)波進(jìn)行時(shí)間靜校正、去直流漂移、增益、背景去除、巴特沃斯帶通一維濾波及滑動(dòng)平均等二維濾波處理，壓制和剔除干擾波，突出有效波，處理后的雷達(dá)波如圖4所示。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面綜合分析：

1)掌子面探測(cè)前方，時(shí)間深度40 ns～200 ns范圍內(nèi)(探測(cè)深度2 m～10 m)，參考速率0.1 m/ns：雷達(dá)波震蕩頻率中等，振幅中等，同相軸延續(xù)1 m～3 m，波形紊亂，衰減速度慢，判斷該范圍巖體裂隙較發(fā)育，較破碎。

2)掌子面探測(cè)前方，從左至右1 m～5 m，時(shí)間深度200 ns～420 ns范圍內(nèi)(探測(cè)深度10 m～21 m)，參考速率0.1 m/ns：雷達(dá)波震蕩頻率中等，振幅中等，波形紊亂，衰減速度慢，判斷該范圍巖體裂隙較發(fā)育，較破碎。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果與TRT長(zhǎng)距離探測(cè)結(jié)果的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩種探測(cè)方法在K106+610～K62+630處得到了相同的探測(cè)結(jié)果，雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果更加的詳細(xì)，通過現(xiàn)場(chǎng)施工觀察在該段施工過程中，圍巖情況與雷達(dá)解譯結(jié)果一致。

3 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)已有的隧道工程地質(zhì)勘查資料結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工的具體情況，項(xiàng)目人員充分利用兩種超前預(yù)報(bào)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇TRT6000進(jìn)行長(zhǎng)距離地質(zhì)預(yù)報(bào)，在長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)地質(zhì)良好段適當(dāng)加大雷達(dá)探測(cè)距離，在不良地質(zhì)段時(shí)，再進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)短距離的精確地質(zhì)預(yù)報(bào)。

2)TRT6000超前預(yù)報(bào)可以得到較為直觀的探測(cè)結(jié)果，適用于富水巖溶地段探測(cè)，同時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)法操作簡(jiǎn)單快速，且預(yù)報(bào)的距離短，具有更高的精確性，對(duì)于長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)的不良地質(zhì)地段可以進(jìn)行有效的補(bǔ)充。

3)通過在4座隧道進(jìn)行TRT與地質(zhì)雷達(dá)相結(jié)合的探測(cè)實(shí)驗(yàn)，長(zhǎng)短結(jié)合能夠準(zhǔn)確直觀地了解掌子面前方的地質(zhì)情況，能及時(shí)地給出合理的施工建議，保證隧道的開挖安全。

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On application of long-and-short space method in geological forecasting of tunnel construction

Chen Kaijiang1Li Mengqian2

(1.CollegeofArchitecturalEngineering,NorthChinaUniversityofTechnology,Tangshan063009,China; 2.CollegeofMineralEngineering,NorthChinaUniversityofTechnology,Tangshan063009,China)

The paper introduces the detection principle for the Ground Penetrating Radar and TRT6000, undertakes the advanced geological forecasting by integrating the Ground Penetrating Radar and TRT by taking Heishanmen tunnel along Longling-Ruili expressway in Yunnan, and grasps the geological circumstance of the tunnel face.

tunnel, Ground Penetrating Radar, TRT, advanced geological forecast

1009-6825(2016)28-0165-03

2016-07-23

陳凱江(1988- )，男，助教

U456.32

A