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介紹TSP法和地質(zhì)雷達(dá)法的原理及數(shù)據(jù)處理中的注意事項(xiàng)，通過工程實(shí)例，驗(yàn)證了長距離預(yù)報手段(TSP法)與短距離預(yù)報手段(地質(zhì)雷達(dá)法)相結(jié)合，可更精確地預(yù)報隧道工作面前方的地質(zhì)情況。 關(guān)鍵詞：GPR地質(zhì)雷達(dá)法；TSP法；隧道超前地質(zhì)預(yù)報；運(yùn)用 引言 超前地質(zhì)預(yù)報最早出現(xiàn)在上世紀(jì)的后期階段，本身屬于地質(zhì)工程學(xué)當(dāng)中的重要內(nèi)容，我國對于這一內(nèi)容的研究已經(jīng)有了相當(dāng)長的歷史，并且在得到了一定的研究成果以后，開始廣泛應(yīng)用在各種地質(zhì)工程建設(shè)當(dāng)中，尤其以隧道最為明顯。伴隨著鐵路、公路的持續(xù)完善，隧道的長度也得到了實(shí)時的增加，而在隧道長度增加的過程中，所涌現(xiàn)出來的問題也越來越多。為了實(shí)時避免由于地質(zhì)問題而產(chǎn)生的各種工程事故，GPR地質(zhì)雷達(dá)法與TSP法都被合理地應(yīng)用到了隧道超前地質(zhì)預(yù)報當(dāng)中，而且發(fā)揮了相當(dāng)高的實(shí)效性。 1、地質(zhì)雷達(dá)原理 地質(zhì)雷達(dá)是用電磁波來確定地下介質(zhì)分布的一種方法。電磁波遇到不同反射界面(如地層分界面、溶洞、富水帶等)，其傳播路徑隨通過介質(zhì)的不同而變化，過程中會產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射及吸收等現(xiàn)象。根據(jù)天線接收到的反射脈沖波的振幅、相位、波長、頻率等特征進(jìn)行分析，便能夠大致推測界面或異常區(qū)的空間位置及分布變化情況。 2、TSP法探測原理 TSP法是一種類似于零偏移距VSP地震多波反射波法，是專門為隧道超前地質(zhì)預(yù)報而設(shè)計(jì)的，對隧道施工能夠提供有效的幫助。TSP法在指定的震源點(diǎn)用小量炸藥激發(fā)而產(chǎn)生的地震波，以球面波的形式在巖石中傳播。當(dāng)在傳播過程中遇到巖石分界面時，一部分波被反射，被高靈敏度的地震檢波器接收，一部分則經(jīng)過折射繼續(xù)向前傳播。反射信號的傳播時間與界面距離成正比，反射信號的強(qiáng)度與相關(guān)界面的性質(zhì)、界面產(chǎn)狀等密切相關(guān)，因而能提供直接測量。探測時，在選定的隧道側(cè)壁上布置24個爆破探測孔，從掌子面與隧道壁的相交處開始布置第24號孔，依次到1號孔。檢波器孔在距離1號孔10～15m的隧道側(cè)壁各設(shè)一個。進(jìn)行預(yù)報時，在爆破探測孔中裝入小劑量炸藥，通過逐個引爆產(chǎn)生的地震波反射到檢波器處，接收點(diǎn)的檢波器將接收到的反射波數(shù)據(jù)傳輸給記錄儀儲存起來，再利用處理軟件對儲存的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到待測前方的地質(zhì)情況。 3、地質(zhì)雷達(dá)法與TSP法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的運(yùn)用 3.1帶通濾波 TSP預(yù)報技術(shù)的實(shí)質(zhì)是利用地震波反射的方法對前方圍巖進(jìn)行地質(zhì)勘探。地震反射波中既包含有效波也包含干擾波。為了去除干擾波信號，獲得更準(zhǔn)確的分析結(jié)果，在帶通濾波過程中不建議使用缺省值，對于低切、高通、低通、高切四個參數(shù)應(yīng)按照一定的準(zhǔn)則進(jìn)行拾取。隧道內(nèi)的干擾波主要為炸藥震源產(chǎn)生的面波和周圍施工造成的微震動波。為了從頻率域去除這兩種干擾波，需對其頻譜特征有所了解，如圖2所示。 由圖2可知，面波頻譜的峰值低于有效波，微震動波的頻譜較寬且峰值較低。根據(jù)上述波場頻譜特征，濾波的目的就是要壓制面波及微震動波等干擾波，突出有效波。 3.2地質(zhì)雷達(dá) 地質(zhì)雷達(dá)探測隧道時由于受掌子面大小及其表面凹凸不平的限制，常選用點(diǎn)測模式測量，點(diǎn)距10cm。天線采用100MHz屏蔽低頻組合天線，發(fā)射率50kHz。采樣點(diǎn)數(shù)1024個，時窗1000ns，疊加64次，低通－無限響應(yīng)濾波器300，高通－無限響應(yīng)濾波器25，掃描速度16(掃描/秒)。圖像處理包括背景去除、時間零點(diǎn)、疊加、增益、FIＲ和IIＲ濾波等幾個步驟，最終得到各掃描線的波形圖和堆積圖，并據(jù)此進(jìn)行隧道輪廓線周邊及前方圍巖的地質(zhì)判釋。 4、應(yīng)用案例 4.1工程概況 隧道地處貴州高原西部高原山地區(qū)，受侵蝕－溶蝕影響，地形條件較為復(fù)雜。出口位于斜坡地帶，坡體植被發(fā)育，屬溶蝕－剝蝕低中山地貌，附近最高海拔在2013.00～2253.10m之間，相對最大高差240.10m。隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，屬楊子準(zhǔn)地臺→黔北臺隆→六盤水?dāng)嘞荨幈蔽飨驑?gòu)造變形區(qū)，以北西向褶皺斷裂為主。隧道橫穿斷層及向斜構(gòu)造。向斜軸部走向122°，向斜北東翼地層產(chǎn)狀為243°∠58°，南西翼地層產(chǎn)狀為23°∠50°。 4.2針對裂隙密集帶展開的地質(zhì)探測 在隧道工程開展的過程中，需要注意到，許多隧道當(dāng)中，都會存在一部分軟弱夾層和斷層帶，而這些軟弱夾層的存在容易形成一定的裂隙，因而在施工的過程中需要加以多方面考慮和應(yīng)對。同時，這些夾層和斷層的分布是不規(guī)律的，本身所具有的成分完全不同，分布也十分不均勻，與周圍的圍巖有著相當(dāng)大的差距。在這個時候，通過對GPR地質(zhì)雷達(dá)的科學(xué)應(yīng)用，能夠形成更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶綔y基礎(chǔ)，一旦裂隙的表面出現(xiàn)了雷達(dá)電磁波，這一界面將迅速形成較為強(qiáng)烈的反射波，進(jìn)而被迅速檢測到，呈現(xiàn)出最為詳細(xì)的狀況。如果裂隙當(dāng)中存在一部分分布不均勻的填充物，在地質(zhì)雷達(dá)的電磁波通過這些裂隙的時候，就會迅速出現(xiàn)各種雜亂不穩(wěn)定的波長，直接出現(xiàn)波長不穩(wěn)定、混亂的狀況，進(jìn)而可以根據(jù)這些狀況展開合理的分析，確定當(dāng)前裂隙密集帶的具體情況，并展開相應(yīng)的施工。 4.3 TSP的基礎(chǔ)功能及應(yīng)用 TSP技術(shù)指的主要是通過對地震波反射原理的綜合運(yùn)用進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的地質(zhì)預(yù)報過程，而在預(yù)報的過程中，通過錘擊或者振蕩器都會產(chǎn)生相應(yīng)的地震波，地震波在實(shí)際的隧道巖體當(dāng)中會進(jìn)行迅速的傳播，一旦遇到一個地震界面，比如較為常見的斷層、溶洞等，就會有相應(yīng)的地震波反射回來，反射波在到達(dá)傳感器以后，會被迅速地接收并生成相應(yīng)的記錄。接著可以通過3D軟件技術(shù)對這些內(nèi)容進(jìn)行實(shí)際的分析和處理，進(jìn)而使得地震波能夠得到科學(xué)的疊加，最終形成立體的三維影像。此外，這一技術(shù)還能夠通過對相關(guān)測量內(nèi)容的融合，如隧道走向、大小進(jìn)行實(shí)時的融合，進(jìn)而確定當(dāng)前隧道的地質(zhì)構(gòu)造狀況，并在工程開展的過程中采取相應(yīng)的辦法加以應(yīng)對。 4.4地質(zhì)雷達(dá)和TSP法綜合應(yīng)用 將地質(zhì)雷達(dá)和TSP法綜合應(yīng)用，能確保對不良地質(zhì)體的發(fā)育規(guī)模判斷和圍巖等級劃分較為準(zhǔn)確，對隧道安全順利施工提供更為科學(xué)合理的指導(dǎo)。對于圍巖較好的區(qū)段，TSP法基本能滿足預(yù)報要求;對于不良地質(zhì)較發(fā)育的區(qū)段，可以先利用TSP法結(jié)合地質(zhì)調(diào)查，確定不良地質(zhì)發(fā)育段的大致范圍，再通過地質(zhì)雷達(dá)對掌子面前方30m范圍內(nèi)不良地質(zhì)發(fā)育的位置、規(guī)模及性質(zhì)作較為詳細(xì)的預(yù)報，對TSP法長距離預(yù)報進(jìn)行內(nèi)容的補(bǔ)充和細(xì)化，提高預(yù)報準(zhǔn)確度。 結(jié)束語 綜上所述，為了實(shí)時避免由于地質(zhì)問題而產(chǎn)生各種工程事故，GPR地質(zhì)雷達(dá)法與TSP法都被合理地應(yīng)用到了隧道超前地質(zhì)預(yù)報當(dāng)中，而且發(fā)揮了相當(dāng)高的實(shí)效性，但是，這兩種方法主要的功能都集中在地質(zhì)預(yù)報上，因而所發(fā)揮的功能大小是不一樣的，在實(shí)際的地質(zhì)預(yù)報當(dāng)中，需要加以不同的考慮，并分別采取一定的措施加以應(yīng)對。GPR地質(zhì)雷達(dá)法和TSP法對于現(xiàn)階段的隧道工程建設(shè)開展而言，都有著十分重要的意義，在實(shí)際的發(fā)展過程中，需要加以多方面的應(yīng)用，進(jìn)而使得整個工程建設(shè)更加合理有效。