地质雷达三维探测和TSP在隧道超前地质预报中的应用

刘 翔，尹燕征，郭 鹏，张晓利，王靖轩

（中建七局第一建筑有限公司，北京 100026）

0 引言

伴随我国“西部大开发”战略的快速实施和“一带一路”建设的高效推进，隧道建设逐渐开始向地形地质条件复杂的西部山区和岩溶富水地区转移，并呈现“大埋深、长洞线、高应力、强岩溶、高水压、构造复杂、灾害频发”的发展趋势，地质灾害问题日趋严重[1]。我国西南地区的交通线路建设很大程度上受复杂环境和地质条件制约，岩溶发育分布的复杂性造成隧道施工岩溶涌突水、突泥、涌砂、翻浆冒泥等地下水灾害频繁发生。

近年来，超前地质预报技术得到了快速发展，探测设备的先进性增加了超前地质预报结果的精准性，为隧道施工制定合理的灾害防治措施提供技术保障；但超前预报方法的多样性和探测结果多解性仍然是一项技术难题。

本文选取云南省华坪至丽江高速公路营盘山隧道作为实施对象，使用地质雷达三维探测与TSP相结合的方法，对隧道掌子面前方岩体进行探测，结合华坪至丽江高速公路隧道工程地质勘察资料与掌子面实时情况，综合分析预报结果，为信息化施工提供依据，为地质灾害的发生提供预警。

1 工程概况

华坪至丽江高速公路是国家公路网G42上海至成都高速公路成都至丽江联络线中的一段，也是云南省高速公路网“三纵三横，九大通道”中的第一横华坪—丽江—兰平—六库中的重要组成部分。营盘山隧道区属构造剥蚀低中山地貌区，地形起伏较大，隧道中线高程1 567.80 m～2 527.63 m，最大相对高差959.83 m，山体自然坡度35°～45°，地表植被发育。隧道进、出口位于山前斜坡地带，自然山坡处于基本稳定状态。隧地址区上覆地层为第四系更新统坡积粉质粘土、碎石，分布不均匀；下伏基岩为下元古界会理群片麻岩、混合岩，震旦系观音崖组泥岩、泥质砂岩、砂岩，震旦系灯影组白云岩、白云质灰岩，泥盆系中统灰岩、寒武系下统砂岩、三叠系上统干海子组泥质砂岩、砂岩、泥岩、煤层，三叠系舍资组砂岩、泥岩及早元古代晚期石英闪长岩。

2 地质雷达三维探测超前预报

2.1 地质雷达三维成像技术原理

地质雷达方法是一种用于确定工程结构与地层介质分布的电磁波法[2]。主要原理是利用高频电磁波，以脉冲形式通过发射天线定向发射，电磁波在地下介质中传播，当遇到存在电性差异介质的界面时，电磁波便发生反射，返回地面后由接收天线接收，并由采集系统（主机）以数字形式记录下来（见图1）。本工程中数据分析采用专利算法自主研发的AGS-GPR3D专业处理软件进行分析处理，可以智能识别地下空间质点中的目标介质，并计算其在数字信号频谱中所占能谱强度值。

图1 地质雷达法探测工作原理图

2.1 地质雷达三维探测成像观测系统设计

在地质雷达探测前首先进行掌子面素描，以里程碑ZK26+043～ZK25+950为例，根据隧道工程地质勘察报告[3]：测控区空间范围围岩地层岩性主要为微风化片麻岩、混合岩，受断裂构造影响，围岩节理裂隙发育，岩体破碎，围岩自稳能力较差，无支护时拱部可能产生坍塌，侧壁可能掉块，洞室内呈淋雨状或点滴状出水，地下水主要为裂隙水及岩溶水。

地质雷达三维成像观测系统设计基于伞角回旋自动扫描叠加点测模式[4]，雷达波束以环向扫描间距5°，空间扫描伞角分别为10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，对探测面ZK26+061里程沿隧道左幅施工掘进方向左偏6°呈半球状对探测空间全覆盖（见图2），华丽高速营盘山隧道地质雷达现场探测如图3所示。

图3 地质雷达现场探测工作照（图片来源：作者自摄）

2.3 地质雷达三维探测超前预报结果分析及结论

地质雷达三维成像空间范围：以营盘山隧道出口左幅ZK26+061向小里程方向进行超前三维探测，测控范围为营盘山隧道出口左幅ZK26+043～ZK25+950，右幅YK26+055～YK25+962段，隧道左幅洞身外延40 m、右幅洞身外延20 m空间范围。

测控区内，洞身周边围岩节理裂隙发育，岩体较破碎，裂隙水丰富。裂隙水径流方向主要是自上而下的，裂隙水径流通道错综复杂，如图4所示。

图4 营盘山隧道出口地质雷达三维成像探测综合结果图

测控区空间范围内，出口右幅未开挖段YK26+050～+040，自上而下贯穿洞身，存在一规模约4 000 m3的Ⅰ号空腔破碎松散区，测区周边围岩裂隙及破碎松散区分布探测如图5所示。

图5 营盘山隧道出口端测区周边围岩裂隙及破碎松散区分布探测结果

测控区空间范围近洞身周边存在8处影响洞身的裂隙水异常区，其中①号节理裂隙水异常区位于右幅YK26+055里程前后，贯穿整个洞身；②号含水裂隙异常位于左幅掌子面ZK26+043里程前后洞身左上方；③号含水裂隙异常位于左幅掌子面ZK26+043里程前后洞身右侧及右上方；进入ZK26+038里程前后，洞身右下方围岩；④号含水裂隙异常含水丰富；⑤号含水裂隙异常于右幅YK26+025里程前后，洞身上方含水丰富；⑥号裂隙水通道异常于左幅ZK26+013里程前后洞身左上方；⑦号含水裂隙异常于左幅ZK25+973里程前后洞身左上方，裂隙水较丰富；⑧号含水裂隙异常于右幅YK25+980里程前后洞身周边（见图6）。

图6 营盘山隧道出口端左右幅近洞身裂隙水形态及剖面图

出口左幅洞身已开挖段ZK26+060～YK26+043（见图7），洞身周边裂隙水丰富，且ZK26+050里程前后，洞身上方存在一节理裂隙径流道；未开挖段ZK26+043～ZK26+003，洞身周边围岩裂隙发育，裂隙水丰富；ZK26+003～ZK25+978段，洞身周边围岩裂隙较发育，近洞身范围内，洞身上方裂隙水含量逐渐减少，洞身下方裂隙水丰富；ZK25+978～ZK25+950段，洞身周边围岩裂隙发育，裂隙水含量间断变化。

图7 营盘山隧道出口端左幅洞身轴线纵剖面图

3 TSP隧道超前地质预报

3.1 TSP测量原理及观测系统设计

本项目测量采用TSP203，利用人工激发的地震波在不均匀地质体中所产生的反射波特性来预报隧道开挖工作面前方地质情况，采用了回声测量原理[5]（见图8）。地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到岩石物性界面（即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，另一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被1个或2个高灵敏度的地震检波器接收，根据反射信号的传播时间和反射界面的距离成正比的原理，故而能提供一种直接的前方不良地层的数据，再通过专用软件的分析处理，判读出前方的地质状况。

图8 TSP弹性波法隧道地质超前预报原理

在ZK26+110.5里程位置左、右边墙上布置分别布置1个接收器（检波器），同时布置24个激发炮孔，观测系统设计布置具体情况见表1，图9。

图9 TSP203 PLUS观测系统设计布置示意图

表1 TSP203 PLUS观测系统设计布置表

3.2 TSP超前地质预报数据处理与成果分析

采集的数据采用配套的TSPwin专用软件进行处理。数据处理时，首先正确输入隧道、接收器和炮点的几何参数等。剔除不合格的地震道。只有合格的地震道才能参于数据处理。

处理流程包括11个主要步骤，即：数据设置→带通滤波→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→Q因子估算→反射波提取→纵波（P）、横波（S）分离→速度分析→深度偏移→反射层提取。

处理的最终成果包括P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等，以及反射层在探测范围内的2D空间分布，如图10所示。

图10 TSP反射层位及物理力学参数成果图

根据图10探测结果，可以得到相应里程对应的参数值，包括纵波速度、横波速度、纵横波速比、泊松比和静态、动态杨氏模量，通过参数对探测前方围岩进行地质预测，本次TSP弹性波法探测及预报的范围为隧道掌子面前方ZK26+060～ZK25+954里程段，探测长度为106 m，具体预报结论如下。

1）ZK26+060～ZK26+020里程段，长度40 m，TSP探测结果显示：此段围岩各项物理力学参数略有起伏。根据TSP探测资料并结合掌子面地质情况、设计勘察资料综合分析，初步推断该段围岩岩性与掌子面围岩基本相似，为中风化白云岩，岩质较硬，节理、裂隙发育，岩层层间结合差，岩体结构破碎，围岩稳定性较差，局部裂隙水发育。建议此段开挖过程中做好防排水措施，并采用地质雷达、加深炮孔、地质钻探等手段，进一步探测掌子面前方不良地质体分布情况。

2）ZK26+020～ZK25+990里程段，长度30 m，TSP探测结果显示：此段围岩各项物理力学参数较为平缓。根据TSP探测资料并结合掌子面地质情况、设计勘察资料综合分析，初步推断该段围岩节理、裂隙发育，局部裂隙水极发育，岩体结构破碎，围岩整体稳定性较差，建议此段开挖过程中做好防排水措施，并采用地质雷达、加深炮孔、地质钻探等手段，进一步探测掌子面前方不良地质体分布情况。

3）ZK25+990～ZK25+954里程段，长度36 m，TSP探测结果显示：此段围岩各项物理力学参数跳跃状变化。根据TSP探测资料并结合掌子面地质情况、设计勘察资料综合分析，初步推断该段围岩节理、裂隙发育，构造水发育，岩体结构破碎，围岩整体稳定性差，建议此段开挖过程中做好防排水措施，围岩自稳能力差，拱顶等位置裂隙发育，围岩破碎，处理不当易坍塌，应谨慎掘进且及时做好初期支护；其中K25+974～K25+964构造水极发育，岩体结构极破碎，围岩整体稳定性极差。

4 结果对比

地质雷达三维探测成像空间范围为营盘山隧道出口左幅ZK26+043～ZK25+950，TSP弹性波法探测及预报的范围为隧道左洞掌子面前方ZK26+060～ZK25+954。选取重合段ZK26+043～ZK25+954进行分析比较。通过对两种探测方法的原理、操作方法及结果进行分析，地质雷达和TSP各具有其优缺点。

地质雷达三维探测超前预报探测溶腔、破碎带、空洞等效果明显同时将结果以三维的形式展现出来，更能直观的反应出在某一结构面上周边不同位置的结构情况，但在有效距离外电磁波信号衰减明显，不能长距离探测，探测距离为20 m～30 m[6]。

TSP通过地震波在围岩的传播速度的计算来得出岩性参数[7]，能够检测隧道围岩类别，探测距离为100 m～150 m，岩性分界较准确，在明确反射层位置的情况下会具有更高的精确度，缺点是对于岩溶、岩溶水难以准确预测，无法反应溶腔、裂隙在某一结构面上的具体位置。

TSP+地质雷达三维探测，使用长短结合的组合方式，既能准确反应溶腔、裂隙、空洞的情况，又可以准确分析岩性。同时地质雷达三维探测能够将结构面分布情况的更加明确，实现可视化，弥补了TSP无法反应结构面分布情况的缺点。

5 结语

通过在华坪至丽江高速公路营盘山隧道中同时应用两种探测方法，从探测结果中可以看出ZK26+040～ZK25+950段隧道围岩整体稳定性差，沿隧道掘进方向，ZK26+000附近开始岩体趋于变动，围岩节理、裂隙发育，裂隙水、构造水发育，岩体结构破碎。K25+975附近洞身周边水系发育，岩体结构极破碎，围岩整体稳定性极差。

对于围岩较好的区段，TSP基本能满足预报要求，但在不良地质发育段特别是类似营盘山隧道地质的岩溶地区，TSP无法准确预测。将地质雷达和TSP同时应用，对TSP补充和细化，提高预报准确度，同时详细预报出了不良地质段发育的规模、位置。

两种探测方法相互验证并结合地质勘查报告，能够较好预测出掌子面前方岩溶发育程度、涌水压力、破碎带位置等，为隧道施工提供技术支撑，并在隧道掘进过程中验证了预报结果的准确性。