基于TRT6000弹性波反射法、地质雷达法、地质编录的隧道综合超前预报技术研究

水电施工技术２０１　１・第４期总第６６期　基于ＴＲＴ６０００弹性波反射法　地质雷达法、地质编录的　隧道综合超前预报技术研究　李磊陈光荣杨燕伟董栋　（中国水电三局有限公司勘测设计研究院）　【摘要】结合大同至西安铁路客用专线２标段隧道工程，提出并实践基于隧道内地质缟录、ＴＲＴ６０００弹　性波反射法和地质雷达的综合超前预报技术。在对区域工程地质资料分析的基础上，重点依托超前预报系统　ＴＲＴ６０００开展隧道内长距离预报，当接近不良地质地段时，应用地质雷达进行更精确的短距离预报，将隧道　地质编录结果与预报结果进行对比验证，不断提高隧道超前预报的准确性。该综合超前预报方法在大西客用　专线２标段隧道工程穿越破碎带、土石过渡带、断层等区域的施工中取得满意的效果。　【关键词】隧道工程综合超前预报地质编录ＴＲ．Ｔ６０００地质雷达　１引言　法（ＳＴＥＭ）、电磁剖面法（ＭＴ）等。红外探测法的基　本原理是含水结构红外辐射场，与其他岩体不同，　随着我国基础建设的快速发展，隧道工程日　采用红外测温仪跟踪量测开挖面的岩石温度，寻　益增多，隧道长度也不断增加。由于勘察设计精　找不同于常红外辐射场的温度异常点，根据异常　度的和地质条件的复杂性，施工前的勘察工　点的分布规律探查含水构造。由于地质条件的复　作往往难以准确查明隧道掘进过程中不良地质体　杂性和物探结果的多解性，及物探设备受施工环　的性质、位置和规模，隧道施工中常遇到断层、　境影响较大，仅利用物探方法进行超前地质预报　溶洞、涌水等特殊地质地段，易发生地质灾害。　并不十分可行。　开展隧道地质灾害超前探测和预报，进行隧道信　针对上述情况，为了提高预报的准确性，国　息化施工，对减少施工盲目性、确保工程安全有　内外学者提出了综合超前地质预报法。刘志刚等　着重要意义。　提出广义的超前地质预报技术包括隧道隧洞不良　超前地质预报技术方法目前主要可以分为地　地质宏观预报、隧道隧洞的洞身不良地质预报、　质分析预测法和地球物理预测法两大类。地质分　超前钻探和重大施工地质灾害临近警报四大部　析预测法主要包括：超前导洞（坑）法、超前水平钻　分，其中，隧道隧洞的洞身不良地质体超前预报　孔、地面地质调查法、隧道内地质编录法、断层　为狭义的超前地质预报，又分为长期预报、短期　参数预测法等。超前导洞（坑）法通过开挖导洞　预报两种形式。曲海锋等以地面地质调查法、地　（坑），探明前方的地质情况；超前钻孔法通过掌子　质雷达、ＴＳＰ三种方法相结合，采用定性和定量　面上岩芯、岩屑、回水情况来判断前方围岩岩性、　两种方法相结合，建立综合超前地质预报体系。　级别、含水情况以及有害气体等。地球物理预测　李术才等提出“三结合”原则的综合超前地质预报　法以各种不同介质间物理性质差异为基础，主要　方法，即洞内勘察与洞外勘察相结合，地质分析　有地震波反射法、电磁法和红外探测法等。根据　与物探分析相结合，长距离预报与短距离预报相　测试装置布置和数据处理方法的不同，地震波反　结合，多种方法相互配合的综合预报方案。目前　射法分为负视速度法、水平地震剖面法、陆地声　综合超前地质预报法主要是以地质分析为基础，　纳法等。电磁法包括地质雷达法（ＯＰＲ），瞬变电磁　同时借助不同仪器进行长距离预报与短距离预　６６　中国水利水电第三工程局有限公司　报。由于地质超前预报与施工过程紧密联系，为　行岩层岩性变化预测。　有效地指导施工，须根据区域地质条件，结合围　岩揭露情况，提出具体的预报手段，优化综合超　２．３　ＴＲＴ６０００弹性波反射法预报原理与方法　前地质预报流程。　（１）ＴＲＴ６０００弹性波反射法预报原理　本文以大同至西安铁路客用专线２标段内隧　ＴＲＴ６０００地质超前预报系统是利用地震波的　道工程为背景，结合现场施工管理要求，确定了　反射原理进行地质预报。ＴＲＴ６０００预报时，通过　综合超前地质预报方案和预报流程；采用区域地　锤击产生地震波，地震波在隧道洞周的岩体内传　质分析及地表补充地质调查法、洞内地质编录、　播，当遇到地质界面时，如断层、破碎带和溶洞　ＴＲＴ６０００弹性波法和地质雷达相结合的预测方法　等不良地质体时，部分地震波会被地质界面反射　来推断掌子面前方的地质情况，取得了良好的效　回来，反射地震波到达传感器后被主机接收并记　果，有效地指导了隧道施工。　录下来，并经ＴＲＴ６０００地震波超前地质预报系统　２综合超前地质预报方法原理　后处理软件处理分析，就得到隧道掌子面前方地　质情况的层析扫描三维图像，从而判别隧道掌子　２．１区域地质分析及地表地质调查　面前方是否存在不良地质体以及不良地质体的位　区域地质分析及地表地质调查既是开展隧道　置。如果存在不良地质体，根据异常体的阻抗云　超前预报中最早使用、最基本的方法，同时也是　图和空间形状，并结合区域地质资料综合判定隧　选择工程物探方法进行隧道超前预报的基础。通　道掌子面前方及周围区域地质构造。　过区域地质分析及地表地质调查掌握隧道所在地　（２）ＴＲＴ６ｏ０Ｏ系统工作方法　区的地形地貌、地层岩性、地质构造、不良地质　ＴＲＴ６０００操作流程图如１所示。　及水文地质情况，重点调查区域内煤矿采空区、　人为坑洞、断层的产状、性质、破碎带的宽度、　２．４地质雷达超前预报原理　成分和含水情况以及与隧道的关系。其目的在于　指导隧道的长、短距离超前地质预报，同时可以　地质雷达探测是利用电磁波在隧道开挖工作　为选择超前地质预报的物探手段，以及为物探手　面前方岩体中的传播及反射，根据传播速度和反射　段的优化组合提供指导。　波形特性进行超前地质预报的一种物探方法。地质　雷达探测效果主要取决于地下目标体与周围介质　２．２隧道内地质编录　的电性差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以　隧道内地质编录是对开挖后隧道掌子面和洞　及外部干扰的强弱等，介质的电性差异和物性差异　身的地质状况在现场做实地调查，并进行详细编　是决定地质雷达适用与否的重要标准，介质问的性　录，采集必要的数据。具体包括对隧道开挖后所　质差异越大，二者间的界面越易于分辨。地质雷达　揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下　记录得到电磁波双程走时及电磁波的波幅、同相轴　水出露点位置及出水状态、出水量、煤层、溶洞　等波形资料，反映反射界面或目标体的深度位置及　等准确记录下来并绘制成图标表，包括开挖掌子　几何形态。电磁波在正常衰减过程中因遇到较强的　面地质编录和洞身地质编录。　反射界面时，波幅会骤然增加，同相轴明显。若目　通过对隧道开挖后揭露地质体进行地质编　标体中存在有许多杂乱无章的界面，雷达接收到这　录，以揭露的地质体的地质变化为依据，对其向　些界面的反射信号时波幅小、波形杂乱，同相轴不　掌子面前方延伸情况进行有依据的推断，可以进　连续。通过同相轴的追踪，确定波组的地质意义，　６７　水电施工技术２０１　１・第４期总第６６期　构制地质．地球物理解释模型，依据剖面解释获得　整个测区的最终成果图。　图１　ＴＲＴ６０００预报系统操作流程　（１）均一土体的地质雷达剖面图波场特征：　２．５综合超前地质预报方法的实现　在均一性较好的土体内，无明显分界面的条件下　针对各种地质预报方法的特点，结合大同至西　雷达反射波较弱。　安铁路客用专线２标段区域性的地质情况，制定隧　（２）断层破碎带的地质雷达剖面图的波场特　道施工综合超前地质预报方法流程如图２所示。　征：地层反射波发育，同相轴错断，反射波振幅　（１）在勘察资料的基础上通过区域地质分　能量明显增强，电磁波频率发生变化，有时候会　析及地表补充地质调查，查清隧道所在区域的构　出现断面波、绕射波。从地质雷达反射波的振幅、　造地质情况，为隧道超前地质预报提供支持；　频率、同向轴连续性等现象可以判明破碎带的厚　（２）在隧道施工过程中采用ＴＲＴ６０００超前　度以及它与完整岩石的界面。　地质预报系统进行长距离地质预报；　（３）裂隙密集带的地质雷达剖面图特征：当　（３）及时进行隧道内地质编录，关注地层岩　雷达电磁波传播到裂隙表面时，会产生较强的界　性、节理裂隙发育以及地下水出露情况；　面反射波，同相轴的连续性反映了裂面是否平直、　（４）分析ＴＲＴ６０００预报成果，确定是否采　连续；在穿越裂隙的过程中会产生绕射、散射、　用地质雷达预报进行短距离预报；当接近不良地　波形杂乱、波幅变化大，反映出裂隙内充填物的　质体时，采用地质雷达进行更精确的短距离的预　不均匀性。从地质雷达反射波的振幅、绕射、散　报，如有必要通过超前钻孔对不良地质体做进一　射、同向轴连续性等现象可以探测裂隙密集带的　步确认。　长度和规模。　通过以上几种手段相互结合，基本可以确定　６８