浅谈两种常用的隧道超前预报方法

2020-01-01黄果

四川建筑 2020年2期

黄果

(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

随着国家经济的发展，国家对交通建设的投入也进一步加大，隧道作为交通建设中一种主要形式，一直是交通建设的重难点部分。其主要原因在于：隧道穿山而过时可能会遇到很多不良地质情况给施工带来影响。为避免不良地质的影响和不必要的工程突发事故，减少工程施工中的经济损失，隧道超前预报的存在就显得尤其重要。

1 地震波法(TSP)

1.1 TSP方法及原理

地震波法是目前中长超前预报的主流方法，包括HSP、TSP、负视速度法等，其中TSP法应用最为广泛。TSP法是基于反射理论，通过岩石波阻抗差异来工作的。在隧道边墙处等间距安置24个炮眼以作震源，炮眼略向下倾斜，以便灌水密封，在距离最后一个炮眼一定距离处布置一道三分量检波器用以接受反射回来的地震波。布置妥当后通过引爆炸药激发震源产生震动，震动产生体波向岩石内部传播，当前方岩石完好，无不良地质时，体波会一直向前传播，直到遇到边界时才会反射回来。当体波遇到溶洞、断层、破裂带等不良地质时，由于波阻抗的不同，一部分能量会发生反射，这些反射回来的体波通过三分量检波器接受，然后再用专用的TSP处理软件进行放大、滤波等处理来分析此处的地质，通过波在岩石中传播的速度可以确定此不良地质的位置。

1.2 TSP法的优点

(1)TSP法预报距离较长，通常为100～200 m。一次预报可指导较长时间的工程施工，且操作简单，对现场要求不高，节约人力物力。

(2)TSP法是通过少量炸药引爆产生地震波，预报过程中对已有工程基本无破坏，对掌子面前方岩石基本无扰动，属于无损探测。

(3)TSP法可以快速查明溶洞、破裂带、断层等不良地质的位置和大小，具有快速、高效的特点。且TSP法具有较好的连续性，对大部分地质情况的预报都比较准确可靠。

(4)对于与隧道轴线方向交角比较大的不良地质带，TSP的预报效果比较好，精度较高。

1.3 TSP法的缺点

(1)当隧道存在的山地中地形条件比较复杂时，波的传播会受到很大影响，在不同地质构造体形成大大小小的干扰波，使得各种干扰波同有用波交织而变得复杂。所以TSP法考验操作者的分析提取有用波，滤除干扰波的能力，稍有不慎就会增加误差，与实际结果相去甚远。

(2)数据采集过程中会存在一定因素产生采集误差，例如炸药引爆时的延时差、炸药量过多或者过少、炮孔之间的距离不完全等间距、以及记录人员的个体差异等等，都会使得数据误差变大。

(3)TSP法进行速度分析时，围岩的波速是根据地勘资料及围岩参数假定的，可能导致不良地质体的位置出现一定的偏差，不能特别准确地确定不良地质体的位置，只能根据假定波速大致定位，取值对误差的影响较大。

(4)对于走向与隧道轴线平行或者近似平行的不良地质体，TSP探测结果较差。

(5)TSP对含水体的探测结果较差，精度很低。

2 地质雷达法(GPR)

2.1 GPR方法及原理

地质雷达由天线，主机等组成。其工作原理是用发射天线向岩层中发射一个高频的宽带电磁波，电磁波在地层中传播，其波形，电场强度等都会随着介质的导电性和介电性变化。在遇到断层，破裂带、溶洞或岩层发生变化时，电磁波发生反射和透射，接收天线能接收到反射回地面的这部分反射波，沿着测线方向布置多点进行取样，接收多道反射波数据，并将信号放大且数字化后储存于主机中。根据反射波的旅行时间、波形等特征，即可确定不良地质带的位置和类型。

地质雷达的探测深度和分辨率主要取决于电磁波的频率，当使用高频电磁波进行探测时，雷达的分辨率较高，但是探测深度会比较浅。反之，当使用低频电磁波进行探测时，雷达的分辨率常常显得不够，但是探测深度更深。因此根据不同工程情况和地质条件选择不同频率的天线才能使得探测结果更加精确。电磁波的传播深度还和岩层的导电性有关，岩层与不良地质带之间的导电性差异也影响着雷达的分辨率。

2.2 GPR法的优点

(1)GPR法是以电磁波在岩石和不良地质带间的反射而得以实现的，岩层和不良地质带间导电性的不同影响着电磁波的波形、幅值。因此两者之间导电性差异越大，雷达接收到的信号就越好。所以GPR法在预报含水地质体的时候效果很好。

(2)GPR法中的连续剖面扫描探测法可以连续快速的进行预报，其对场地要求不高，能在噪声环境下有效的工作，可以在短时间内获得大量数据，数据也比较直观，易于分析比较。

(3)GPR法是通过天线向掌子面后的岩层发射电磁波，然后接受反射回来的电磁波进行数据分析。此种方法对现有工程无破坏，能最大化的保留现有工程场地和设施，属于无损探测。

(4)对走向和隧道轴线相同或者交角较小的不良地质带进行探测时，GPR法的预报精度较高。

(5)GPR法对张性结构面(如张裂隙面、正断层面)的预报较为精确。

2.3 GPR法的缺点

(1)GPR法由于受制于电磁波的传播深度和雷达的分辨率，所以要得到较为精确的数据就只有牺牲探测深度，由此GPR法进行隧道超前预报时，探测深度一般较浅，由于天线选择不同和地质条件不同，GPR法的探测深度一般为15～30 m，所以需要根据隧道开挖进度随时补进，较耗费人力。

(2)GPR法对闭合结构面(如剪性构造节理面、大多数层理面、侵入接触面等)的预报精度不高。

(3)对走向和隧道轴线交角较大的不良地质带进行探测时，GPR法的预报精度较低，不建议采用此种方法。

(4)用GPR法进行隧道超前预报时，隧道掌子面要尽量平整，最好竖直且尽量减少掌子面的障碍物，以免对探测结果产生影响。

(5)GPR法的操作不如其他方法容易，探测时需要几个人抬着天线紧贴着隧道掌子面移动，天线一边移动，操作主机的工作人员要大致估计位置打点记录，操作不便，操作上带来的误差会比较大。

3 GPR法与TSP法对比

GPR法和TSP法这两种常用的超前预报方法对不同工程情况下的隧道适用性也各不相同。例如，对于掌子面后富水地质体的探测最好用GPR法，因为富水体导电性好，有利于电磁波的传播，能得到更精确的结果，如果此时用TSP法得到的结果就可能很模糊，甚至探测不到富水地质体。长距离超前预报时建议选用TSP法，能节省人力物力，提高工程进度，短距离超前预报时选用GPR法比选用TSP法精度稍高。若需要对掌子面各处的岩层进行探测甄别，则建议选用GPR法。当反射面间距较小时，用TSP法往往无法识别，建议试试GPR法或者其他方法。掌子面前方岩性变化较大时选用TSP法探测得到的结果较好。