TGP与GPR在岩溶地区公路隧道超前预报中的综合应用

摘要：文章介绍了TGP与GPR的工作原理与方法，综合应用TGP与GPR进行岩溶地区隧道的超前地质预报，通过分析波速、反射界面等，推断开挖面前方围岩的状况，并对照围岩的实际开挖情况，验证分析了综合应用TGP与GPR的实用性和可行性，为岩溶地区公路隧道超前地质预报提供参考。

关键词：隧道;岩溶;超前地质预报;TGP;GPR

0 引言

在岩溶地区修建隧道一直是困扰隧道施工的重大难题，在岩溶地区进行隧道施工常常会遇到溶洞、断层破碎带、突水突泥、软弱夹层等地质灾害[1]。因此需要采用适当的超前预报方法来对隧道开挖工作面前方的围岩进行探测，然后通过对探测采集到的数据进行分析、判释，对前方地质情况以及不良地质体进行预报，从而能够有效指导隧道施工[2-3]。

在隧道的施工阶段采用的预报方法主要包括：地质雷达法（GPR）、地震预报法（TGP）、陆地声纳法、红外线测水法、掌子面超前钻探法等。考虑到实际应用的效果、费用的高低、风险、作业时间等因素，使用最多的方法为地质雷达法（GPR）和地震预报法（TGP）。超前地质预报方法从距离上可划分为长距离预报与短距离预报。作为长距离超前地质预报方法之一，TGP（TunnelGeologicalPrediction）在公路隧道施工超前地质预报中已得到广泛应用，并且取得了很好的效果，但存在分辨率不够高的问题[4]。而地质雷达法（GPR）在探测空洞、富水的地质体时较为敏锐，能够较为准确地探测出开挖掌子面前方溶洞、暗河、破碎带、节理裂隙发育区等不良地质体，但该方法探测距离有限，无法从宏观上了解地质构造。

本文结合工程实例，将超前地质预报方法——地震预报法（TGP）与短距离超前地质预报方法——地质雷达法（GPR）综合应用于岩溶地区工程实践中，并对超前地质预报的效果进行分析研究。

1 TGP法

TGP（TunnelGeologicalPrediction）是按一定的顺序在隧道围岩内引爆隧道边墙处炮点的炸药[JP+1]来激发的弹性波。在三维空间传播的过程中，当弹性波遇到岩性突变的界面、构造破碎带、岩溶及岩溶发育区等弹性阻抗界面時，会在界面处产生反射回波，这些反射回波会被隧道检波点处的接收装置记录下来。通过后期的软件处理，依据对反射回波旅行的时间、信号的衰减以及相位的改变等进行分析，从而对掌子面前方的围岩地质条件做出预报判断，为隧道的施工和设计变更提供重要的参考资料。详见图1。[KH-*3]

TGP的优势在于它是将反射波与绕射波相结合，在预报大界面型的地质情况下应用反射波观察，例如构造带、岩性接触带、规模溶洞等界面规模大于波长的地质情况;而对于小溶洞、溶腔、孤石等规模小于波长的状况，主要是观测和分析绕射波的特征来判定。

2 GPR法

地质雷达法（GPR）是利用宽带高频电磁波来确定地下介质分布状况的一种地球物理方法[5]。如图2所示，地质雷达主机能够控制微毫秒级脉冲信号的产生，这种信号经由发射天线发射出去，以高频电磁波的形式在探测岩层中传播，当遇到异常体时，反射电磁波会有明显异常反应[6]。影响电磁波在地下介质中传播的因素包括介电常数、电导率和磁导率等电磁参数。地质雷达法是短距离超前地质预报最重要的手段之一[7-8]。GPR的优势在于它在探测小溶洞、溶腔、富水区等小规模地质异常时精度和准确度较高。

3 工程应用分析研究

金洞长隧道位于南丹至河池背斜的西南翼，隧道区属岩溶峰丛洼地地貌，地层主要由第四系冲洪积层（Qal+pl）、第四系残坡积层（Qel+dl）、三迭系下统（T1）、二迭系上统（P2）、二迭系下统（P1）、石炭系上统（C3）、石灰系中统（C2）和石炭系下统（C1）组成。为了探测隧道出口端左洞Z3K9+368掌子面前方的岩土体的含水、空洞和破碎情况，首先采用TGP方法进行了超前地质预报工作，图3～6为相关的TGP解译图。

根据隧道掌子面围岩情况及前期勘察资料，再结合TGP物探数据分析（图3～6），在掌子面前方150m范围内，围岩以中风化燧石灰岩为主，岩质较硬，岩体较破碎，裂隙较发育。图6为纵波反射和横波反射计算的结果。因TGP使用的是炸药震源，属于球面膨胀点源，掌子面前方异常体反射波的纵横波强度相当，预报时一般以纵波为主。由图6可知，在里程Z3K09+352～Z3K09+307区间内，纵横波估算速度均降低，而且纵波降低幅度明显较大。据此推断预报段灰岩岩体破碎严重或存在裂隙水，该段岩溶发育，具有垮塌的可能，该段处还发育溶蚀破碎带，施工中会出现局部线状渗水现象，围岩稳定性差。

随着隧道的开挖，当接近TGP预报的异常段区域，围岩状况明显变差，如图7所示，掌子面揭露围岩为强～中风化灰岩为主，溶蚀裂隙较发育，掌子面局部出现泥质夹层，拱部易掉块。

在里程Z3K09+350～Z3K09+320区间内，采用GPR方法进行了超前地质预报工作，根据地质雷达波列图分析显示（如图8所示）：前方6～11m段雷达回波存在倾斜状较强反射，结合掌子面情况推断该段岩体呈强～中风化较破碎状，含泥质夹层发育，溶蚀裂隙发育，呈镶嵌碎裂状结构，局部溶槽或溶洞发育;前方20～25m段雷达回波信号存在较强反射异常，推断该段岩体溶蚀裂隙发育，岩体破碎，局部发育有泥质夹层;其他段雷达回波信号以高频低幅反射为主，推断该段岩体整体呈中风化状，岩体较破碎，局部溶蚀裂隙较发育;该段整体处于岩溶发育段，围岩稳定性差。

综合TGP和GPR两种超前预报成果分析：在该段预报范围内，岩体较破碎～破碎，溶蚀裂隙较发育;局部发育一定规模的溶蚀破碎带;地下水较发育，特别是从Z3K09+350开始，围岩状况明显变差。开挖验证情况为（如图9所示）：从Z3K09+355里程开始，发育有溶蚀破碎带，岩体从较破碎逐步变为破碎，裂隙组数增多，局部溶槽或溶洞发育，且层间夹有泥质逐渐增多，围岩稳定性差。随着掌子面开挖的推进，软弱夹层增多，掌子面出现滴水现象，局部有线状出水。

4 结语

预报区属于灰岩地区，在该区域内岩体破碎、岩溶发育、地下水较为富集。本文采用以TGP和GPR为组合的综合超前地质预报技术对该区域进行预报。实践证明，TGP法依据岩体波阻抗变化能较准确预报出掌子面前方岩体异常位置及其规模;GPR法利用宽带高频电磁波来确定掌子面前方各种介质分布，尤其是能有效预报出掌子面前方溶洞、溶槽的具体位置。综合TGP和GPR这两种预报方法能充分发挥它们各自的优势，提高地质预报的准确性，从而更有效地指导施工，避免在施工期中突发地质灾害。

参考文献：

[1]吴真玮，潘隆武，邓家喜.地质雷达在岩溶地区公路隧道超前探测中的研究与应用[J].西部交通科技，2017（6）：71-75.

[2]张庆松，李术才，孙克国，等.公路隧道超前地质预报应用现状与技术分析[J].地下空间与工程学报，2008，4（4）：766-771.

[3]李文胜.综合地质超前预报在岩溶隧道施工中的应用[J].西部交通科技，2012（5）：49-53.

[4]刘云祯.TGP隧道地震波预报系统与技术[J].物探与化探，2009，33（2）：170-177.

[5]曾昭发，刘四新，王者江，等.探地雷达方法原理及应用[M].北京：科学出版社，2006.

[6]邵鸿皓.绵茂路篮家岩隧道涌水预测技术研究[D].兰州：兰州交通大学，2015.

[7]李术才，李树忱，张庆松，等.岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26（2）：217-225.

[8]葛颜慧，李术才，张庆松，等.基于风险评价的岩溶隧道综合超前地质预报技术研究[J].岩土工程学报，2010（7）：1124-1130.