TSP、地质雷达围岩超前预报对比研究

刘 海

（广东天衡工程建设咨询监理有限公司武汉管理中心 武汉 430063）

山岭隧道施工的关键在于及时了解掌子面以及掌子面前方的围岩信息，针对不同的围岩情况采取不同的衬砌参数和施工工法，这也是新奥法施工的精髓所在。目前，TSP、地质雷达仪作为2种探测掌子面前方围岩情况的探测工具已经在隧道工程的施工中得到了越来越广泛的应用。本文就如何发挥这2种仪器各自的长处，弥补它们的短处，将2种探测结果进行比较分析，综合研判前方围岩情况，更好地为隧道工程施工服务展开探讨。

1 TSP超前预报技术

1.1 基本原理

TSP超前预报是一种通过人工激发一系列地震波，然后采集地震波在不同介质岩面产生的回波，用软件对回波进行分析，进而对前方围岩进行判断的技术。

1.2 TSP探测仪

目前现场使用最多的TSP超前探测仪器是TSP 203系统。TSP203系统主要由记录单元、接收单元及附件和爆炸装置组成。

1.3 TSP野外操作

在使用TSP203探测时，在隧道的左边墙或右边墙布设1条测线，炮点以一定间隔沿测线布置；然后，使用小药量炮激发人工地震。通常情况下，数据采集可以在隧道任一边墙上单一的炮点剖面上完成。如果潜在的断层最先出现在隧道的左边，在这种情况下，在面对掌子面的方向，炮点应布设在隧道的左侧。如果对隧道的前方围岩地质情况不太了解，经济且能更清晰地探测到隧道两侧围岩的做法是使用1个炮点剖面和2个接收单元。对于隧道地质条件极为复杂的情况，则建议在隧道两侧使用2个炮点剖面进行TSP探测，这样就可以仔细检查和对比所有的采集数据和预报结果［1］。

2 地质雷达探测技术

2.1 基本原理

利用地质雷达仪这样一个高频电磁波探测场源。由发射天线向地下介质发射一定中心频率的高频电磁脉冲波，接收天线则接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到的波的旅行时间、幅度与波形资料来判断介质的内部结构。地质雷达在进行围岩超前预报时所使用的天线频率为100MHz。

具体的电磁波演算公式如下：

式中：co为电磁波在真空中的传播速度，m／s；vi为第i层介质的电磁波传播速度，m／s；εi为第i层介质的介电常数；h为界面埋深，m；t为电磁波双程走时，s。

通过上述公式就可以求出被探测物体内各介质的位置以及构造情况，从而对围岩情况进行判断，对下一步施工提出指导意见［2］。

2.2 设备组成

目前工程现场使用最多是美国的SIR－20型地质雷达仪。它主要由主机、天线、笔记本电脑与电缆线4部分组成。

2.3 测线布置

地质雷达在进行隧道围岩超前预报时，雷达测线一般布置在掌子面上，也可以根据需要布置在两侧边墙的裸露围岩上。测线布置方式为横竖各2条，呈井字形布置。测线面积要尽量覆盖掌子面。

3 工程实例

六安至武汉高速公路新开岭隧道位于六安市金寨县古碑镇槐树湾乡境内，为一座上、下行分离的4车道高速公路曲线特长隧道，隧道左线起讫桩号为ZK31＋190～ZK34＋387，全长3 197m，右线起讫桩号为YK31＋185～YK34＋414，全长3 229m。

新开岭隧道六安端左线掘进到ZK32＋280处时，掌子面中部偏右距离拱顶位置沿炮眼出现涌水，流量约6.2m3／h。由于隧道掘进方向为反坡段，掌子面距离隧道洞口高差达15m，排水不畅，引起隧道积水，掌子面附近的积水深度达1.4 m左右，隧道积水长度达100m，致使隧道无法施工而停工。

新开岭六安端左线ZK32＋280掌子面围岩为微风化花岗岩，整体呈红色～褐红色，岩面较新鲜，岩质较坚硬，经敲击声音清脆，大多节理宽度小于1mm，结构面为闭合状。节理2组，节理间距0.4～0.7m，产状分别为 268°∠74°，113°∠75°。隧道走向为265°。根据现场勘察，该段围岩为III级围岩。为了探明掌子面前方地下水的情况，同时判断前方是否存在不良地质构造。现场监测项目部分别使用了TSP、地质雷达仪对ZK32＋280前方围岩进行了超前预报。

4 TSP、地质雷达仪探测结果分析

4.1 TSP探测结果

通过对采集的TSP数据的处理，获得P波，SH波，SV波的波速、深度偏移剖面、反射层面等一系列围岩参数成果，见图1、图2。

图1 地震波在围岩中传播的各项参数图

图2 地震波2D反射面图

图1中标注1为横波波速显著减小而纵波波速几乎无变化区域。由于纵波与横波波速的改变，同时又造成了标注2纵波与横波比值的显著变化。因为横波具有在流体面发生全反射，且在流体内几乎不传播的性质，因此根据如标注1，2的变化，推断该区域为富水区域。

从图2中可以看到3道斜向右上方的强反射面。从反射符号上可以判断为强横波反射。由于在该处未发现纵波反射，而横波又有在液体表面几乎全反射的特性，因此判断上述3处为水流通道。

综合波速、泊松比、密度等参数，最后得TSP探测结果如下：

（1）在距隧道轴线29，32，41m处有较强的反射波以43°～45°夹角从右而入与隧道轴线相交于ZK32＋300，＋310，＋329处，大致近南北走向，倾角近乎直立。

（2）在探测范围ZK32＋280～ZK32＋380段内，由TSP反射面图可看出，前段纵横波反射波较强。在纵横波比值曲线上显示ZK32＋300～ZK32＋347段纵、横比值起伏明显，尤其ZK32＋329处，纵波速度升高，横波降低，推断该段为富水构造破碎带。

（3）根据TSP探测成果和工程地质条件，推测ZK32＋280～ZK32＋380段围岩工程地质水文、地质条件如下：

①ZK32＋280～ZK32＋300，长20m，微风化花岗岩，节理较发育，岩体呈块状结构，纵波速度5.0km／s，围岩级别为III级。该段受富水构造破碎带影响，裂隙水发育。

②ZK32＋300～ZK32＋347，长47m，微风化花岗岩，纵波速度4.0km／s，围岩级别为IV级。推测该段为富水构造破碎带。

③ZK32＋347～ZK32＋380，长33m，微风化花岗岩，节理较发育，纵波速度5.0km／s，围岩级别为III级。受富水构造破碎带影响，局部围岩破碎，裂隙水较发育。

4.2 地质雷达探测结果

图3，图4分别是地质雷达竖向与横向测线所采集的图像。从图3中可以看到在围岩的不同深度存在3条竖向裂隙（标注1，2，3）贯穿掌子面，裂隙主要分布在掌子面右上方，而且竖向裂隙内存在强反射信号。由于水的介电常数与围岩的介电常数相差很大，电磁波在富水区域会发生强反射，所以推断上述裂隙为水流通道。从图4中可以看到在掌子面右侧存在一条纵向的强反射信号，表明沿掌子面前进方向发育有一条纵向裂隙，由于纵向裂隙与竖向裂隙的位置非常接近，因此我们可以推断上述裂隙相互衔接，构成了掌子面涌水的水流通道。

图3 地质雷达竖向测线图像

图4 地质雷达横向测线图像

综合各条测线结果，地质雷达探测结果为：总体来看，新开岭隧道六安端左线ZK32＋280～310段围岩整体性较好，岩体的硬度高，涌水口前方未发现有溶洞，同时掌子面前方围岩内含有的裂隙水并不多。通过雷达图像分析，由于掌子面围岩竖向节理发育，节理构造面内为强风化物填充，且有纵向裂隙与自贯通，因此上述节理发育区极易形成地下水流通道。同时从地形图来看，ZK32＋280正位于两山体的汇水面处，因此判断掌子面拱顶右侧的涌水大部分应来自于地表降水所形成的裂隙水。此次预报的ZK32＋280～310段围岩具体情况如下：ZK32＋280～298段除在ZK32＋286，＋294.4处掌子面右上部发现有竖向节理构造面外，岩体完整性较好，呈大块状。ZK32＋298～＋310段为节理发育区，在＋310处发育有1组竖向节理，岩体较破碎。探测范围内竖向节理均分布在掌子面右上方，且有纵向裂隙与之贯通。ZK32＋280～310段的拱顶右侧由于节理发育，存在局部的破碎区域，是地下水主要流径。

4.3 TSP、地质雷达探测结果比较分析

由于地质雷达超前预报的有效距离为30m，而TSP超前预报有效距离为120m，因此只比较两者相同的30m预报段落，既ZK32＋280～＋310段。从两者的预报结果来看，存在一些相同点与不同点。

（1）两者相同点：①都探明不同深度存在来自右侧的地下水流径；②都探明围岩前20m区域完整性好，后10m围岩节理发育，围岩较破碎。

（2）不同点：①TSP探测出了围岩的各项参数指标，对被测段落的围岩进行了分级，而地质雷达则无法做到这点；②地质雷达探测出来自右侧的裂隙水通道位置为ZK32＋286，＋294.4，＋310，TSP探测出的具体位置为ZK32＋300，＋310，两者对裂隙水流径发育的位置的判断不完全一致；③地质雷达对节理裂隙在掌子面的分布情况有较详细的描述，而TSP则没有。

4.4 现场实际施工与围岩开挖后情况

由于设计单位根据地质预报结果重点对右侧拱顶重新进行了超前导管预注浆的变更设计，成功地止住了隧道的涌水，隧道开挖后的围岩情况为ZK32＋280～ZK32＋300为III级围岩，ZK32＋300～ZK32＋310为IV级围岩，与超前预报基本相符［3］。

4.5 TSP与地质雷达仪超前预报优缺点分析

从对两者探测的结果分析比较来看，TSP与地质雷达仪具有各自的优缺点。

（1）TSP的优点在于能计算出地震波在围岩不同段落的传播速度，因此可以求出围岩的各项岩性参数，对围岩进行分级。而且由于地震波波速是实测的结果，因此能更准确地确定各反射层的位置。比地质雷达根据经验电磁波波速确定反射面位置精确度更高。在TSP与地质雷达对裂隙等结构面反射位置存在争议时应以TSP所确定的位置为准。TSP的缺点则在于无法对结构面在掌子面的具体分布位置作出详细描述。

（2）地质雷达的优点在于操作灵活，探测时能对掌子面不同区域进行探测，因此能对裂隙等结构面在掌子面的分布情况作出较详细的描述。缺点在于无法探测出围岩的各项物理参数，无法对围岩进行分级，同时探测的精度没有TSP高，尤其是在对反射面位置的确定上。

5 结语

通过对TSP、地质雷达仪探测结果进行的比较分析，可以看出TSP与地质雷达2种探测技术在进行围岩超前预报时存在优势互补，如果在探测时能同时运用2种物探手段，综合分析探测结果，将大大提高围岩预报的准确性。

［1］内根斯多夫.TSP 203plus野外操作及数据采集手册［M］.瑞士：安伯格技术公司，2008.

［2］李大心.探地雷达方法与应用［M］.北京：地质出版社，1994.

［3］李之达，黄 彬，王花平.公路隧道初期支护结构与围岩特性分析［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2011（2）：219－222.