TGP與GPR在巖溶地區(qū)公路隧道超前預(yù)報中的綜合應(yīng)用

摘要：文章介紹了TGP與GPR的工作原理與方法，綜合應(yīng)用TGP與GPR進行巖溶地區(qū)隧道的超前地質(zhì)預(yù)報，通過分析波速、反射界面等，推斷開挖面前方圍巖的狀況，并對照圍巖的實際開挖情況，驗證分析了綜合應(yīng)用TGP與GPR的實用性和可行性，為巖溶地區(qū)公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道;巖溶;超前地質(zhì)預(yù)報;TGP;GPR

0 引言

在巖溶地區(qū)修建隧道一直是困擾隧道施工的重大難題，在巖溶地區(qū)進行隧道施工常常會遇到溶洞、斷層破碎帶、突水突泥、軟弱夾層等地質(zhì)災(zāi)害[1]。因此需要采用適當(dāng)?shù)某邦A(yù)報方法來對隧道開挖工作面前方的圍巖進行探測，然后通過對探測采集到的數(shù)據(jù)進行分析、判釋，對前方地質(zhì)情況以及不良地質(zhì)體進行預(yù)報，從而能夠有效指導(dǎo)隧道施工[2-3]。

在隧道的施工階段采用的預(yù)報方法主要包括：地質(zhì)雷達法（GPR）、地震預(yù)報法（TGP）、陸地聲納法、紅外線測水法、掌子面超前鉆探法等?？紤]到實際應(yīng)用的效果、費用的高低、風(fēng)險、作業(yè)時間等因素，使用最多的方法為地質(zhì)雷達法（GPR）和地震預(yù)報法（TGP）。超前地質(zhì)預(yù)報方法從距離上可劃分為長距離預(yù)報與短距離預(yù)報。作為長距離超前地質(zhì)預(yù)報方法之一，TGP（TunnelGeologicalPrediction）在公路隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報中已得到廣泛應(yīng)用，并且取得了很好的效果，但存在分辨率不夠高的問題[4]。而地質(zhì)雷達法（GPR）在探測空洞、富水的地質(zhì)體時較為敏銳，能夠較為準確地探測出開挖掌子面前方溶洞、暗河、破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)等不良地質(zhì)體，但該方法探測距離有限，無法從宏觀上了解地質(zhì)構(gòu)造。

本文結(jié)合工程實例，將超前地質(zhì)預(yù)報方法——地震預(yù)報法（TGP）與短距離超前地質(zhì)預(yù)報方法——地質(zhì)雷達法（GPR）綜合應(yīng)用于巖溶地區(qū)工程實踐中，并對超前地質(zhì)預(yù)報的效果進行分析研究。

1 TGP法

TGP（TunnelGeologicalPrediction）是按一定的順序在隧道圍巖內(nèi)引爆隧道邊墻處炮點的炸藥[JP+1]來激發(fā)的彈性波。在三維空間傳播的過程中，當(dāng)彈性波遇到巖性突變的界面、構(gòu)造破碎帶、巖溶及巖溶發(fā)育區(qū)等彈性阻抗界面時，會在界面處產(chǎn)生反射回波，這些反射回波會被隧道檢波點處的接收裝置記錄下來。通過后期的軟件處理，依據(jù)對反射回波旅行的時間、信號的衰減以及相位的改變等進行分析，從而對掌子面前方的圍巖地質(zhì)條件做出預(yù)報判斷，為隧道的施工和設(shè)計變更提供重要的參考資料。詳見圖1。[KH-*3]

TGP的優(yōu)勢在于它是將反射波與繞射波相結(jié)合，在預(yù)報大界面型的地質(zhì)情況下應(yīng)用反射波觀察，例如構(gòu)造帶、巖性接觸帶、規(guī)模溶洞等界面規(guī)模大于波長的地質(zhì)情況;而對于小溶洞、溶腔、孤石等規(guī)模小于波長的狀況，主要是觀測和分析繞射波的特征來判定。

2 GPR法

地質(zhì)雷達法（GPR）是利用寬帶高頻電磁波來確定地下介質(zhì)分布狀況的一種地球物理方法[5]。如圖2所示，地質(zhì)雷達主機能夠控制微毫秒級脈沖信號的產(chǎn)生，這種信號經(jīng)由發(fā)射天線發(fā)射出去，以高頻電磁波的形式在探測巖層中傳播，當(dāng)遇到異常體時，反射電磁波會有明顯異常反應(yīng)[6]。影響電磁波在地下介質(zhì)中傳播的因素包括介電常數(shù)、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率等電磁參數(shù)。地質(zhì)雷達法是短距離超前地質(zhì)預(yù)報最重要的手段之一[7-8]。GPR的優(yōu)勢在于它在探測小溶洞、溶腔、富水區(qū)等小規(guī)模地質(zhì)異常時精度和準確度較高。

3 工程應(yīng)用分析研究

金洞長隧道位于南丹至河池背斜的西南翼，隧道區(qū)屬巖溶峰叢洼地地貌，地層主要由第四系沖洪積層（Qal+pl）、第四系殘坡積層（Qel+dl）、三迭系下統(tǒng)（T1）、二迭系上統(tǒng)（P2）、二迭系下統(tǒng)（P1）、石炭系上統(tǒng)（C3）、石灰系中統(tǒng)（C2）和石炭系下統(tǒng)（C1）組成。為了探測隧道出口端左洞Z3K9+368掌子面前方的巖土體的含水、空洞和破碎情況，首先采用TGP方法進行了超前地質(zhì)預(yù)報工作，圖3～6為相關(guān)的TGP解譯圖。

根據(jù)隧道掌子面圍巖情況及前期勘察資料，再結(jié)合TGP物探數(shù)據(jù)分析（圖3～6），在掌子面前方150m范圍內(nèi)，圍巖以中風(fēng)化燧石灰?guī)r為主，巖質(zhì)較硬，巖體較破碎，裂隙較發(fā)育。圖6為縱波反射和橫波反射計算的結(jié)果。因TGP使用的是炸藥震源，屬于球面膨脹點源，掌子面前方異常體反射波的縱橫波強度相當(dāng)，預(yù)報時一般以縱波為主。由圖6可知，在里程Z3K09+352～Z3K09+307區(qū)間內(nèi)，縱橫波估算速度均降低，而且縱波降低幅度明顯較大。據(jù)此推斷預(yù)報段灰?guī)r巖體破碎嚴重或存在裂隙水，該段巖溶發(fā)育，具有垮塌的可能，該段處還發(fā)育溶蝕破碎帶，施工中會出現(xiàn)局部線狀滲水現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定性差。

隨著隧道的開挖，當(dāng)接近TGP預(yù)報的異常段區(qū)域，圍巖狀況明顯變差，如圖7所示，掌子面揭露圍巖為強～中風(fēng)化灰?guī)r為主，溶蝕裂隙較發(fā)育，掌子面局部出現(xiàn)泥質(zhì)夾層，拱部易掉塊。

在里程Z3K09+350～Z3K09+320區(qū)間內(nèi)，采用GPR方法進行了超前地質(zhì)預(yù)報工作，根據(jù)地質(zhì)雷達波列圖分析顯示（如圖8所示）：前方6～11m段雷達回波存在傾斜狀較強反射，結(jié)合掌子面情況推斷該段巖體呈強～中風(fēng)化較破碎狀，含泥質(zhì)夾層發(fā)育，溶蝕裂隙發(fā)育，呈鑲嵌碎裂狀結(jié)構(gòu)，局部溶槽或溶洞發(fā)育;前方20～25m段雷達回波信號存在較強反射異常，推斷該段巖體溶蝕裂隙發(fā)育，巖體破碎，局部發(fā)育有泥質(zhì)夾層;其他段雷達回波信號以高頻低幅反射為主，推斷該段巖體整體呈中風(fēng)化狀，巖體較破碎，局部溶蝕裂隙較發(fā)育;該段整體處于巖溶發(fā)育段，圍巖穩(wěn)定性差。

綜合TGP和GPR兩種超前預(yù)報成果分析：在該段預(yù)報范圍內(nèi)，巖體較破碎～破碎，溶蝕裂隙較發(fā)育;局部發(fā)育一定規(guī)模的溶蝕破碎帶;地下水較發(fā)育，特別是從Z3K09+350開始，圍巖狀況明顯變差。開挖驗證情況為（如圖9所示）：從Z3K09+355里程開始，發(fā)育有溶蝕破碎帶，巖體從較破碎逐步變?yōu)槠扑椋严督M數(shù)增多，局部溶槽或溶洞發(fā)育，且層間夾有泥質(zhì)逐漸增多，圍巖穩(wěn)定性差。隨著掌子面開挖的推進，軟弱夾層增多，掌子面出現(xiàn)滴水現(xiàn)象，局部有線狀出水。

4 結(jié)語

預(yù)報區(qū)屬于灰?guī)r地區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)巖體破碎、巖溶發(fā)育、地下水較為富集。本文采用以TGP和GPR為組合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)對該區(qū)域進行預(yù)報。實踐證明，TGP法依據(jù)巖體波阻抗變化能較準確預(yù)報出掌子面前方巖體異常位置及其規(guī)模;GPR法利用寬帶高頻電磁波來確定掌子面前方各種介質(zhì)分布，尤其是能有效預(yù)報出掌子面前方溶洞、溶槽的具體位置。綜合TGP和GPR這兩種預(yù)報方法能充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，提高地質(zhì)預(yù)報的準確性，從而更有效地指導(dǎo)施工，避免在施工期中突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

參考文獻：

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