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        摘要：該研究通過工程實(shí)例綜合使用了TSP超前預(yù)報(bào)與地質(zhì)雷達(dá)綜合應(yīng)用，介紹了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中地質(zhì)雷達(dá)的工作原理與應(yīng)用方法、地質(zhì)雷達(dá)布線方法以及雷達(dá)探測結(jié)果及TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中地震勘探的工作原理與應(yīng)用方法。結(jié)合二者在數(shù)據(jù)獲取、處理等方面的優(yōu)勢，保證了隧道的安全快速施工。
        關(guān)鍵詞：TSP；地質(zhì)雷達(dá)；隧道；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)
        0 引言
        近年來我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)尤其是中西部地區(qū)公路和鐵路建設(shè)高速發(fā)展。其中，隧道工程由于其在道路建設(shè)中的重要性，進(jìn)一步引起人們的重視。為了滿足隧道工程中安全性與施工進(jìn)度，就要對隧道內(nèi)的地質(zhì)信息進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。對于隧道施工中可能產(chǎn)生的安全性問題，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能夠分析所需的施工前方圍巖與地層情況[1，2]。爭取在施工前掌握巖土體性質(zhì)、狀態(tài)等地質(zhì)信息，為進(jìn)一步的施工提出建議，防止在施工過程中發(fā)生涌水、巖爆等地質(zhì)災(zāi)害，從而實(shí)現(xiàn)施工安全高效的進(jìn)行。隧道地震波法（tunnel seismic prediction，簡稱TSP）是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要方法[3，4]。該方法通過高精度的接收儀器獲取爆破所產(chǎn)生的地震波信號并通過計(jì)算機(jī)軟件初步探查前方圍巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙分布、及含水狀況等；地質(zhì)雷達(dá)法具有簡單實(shí)用，精度較高，可用來查明斷層破碎帶、滑坡面、巖溶和土洞，適合在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中進(jìn)行短距離探測，根據(jù)處理后的雷達(dá)圖像可以直觀的得出工程所需的地質(zhì)信息[5，6]。
        1 隧道地震波法（TSP）與地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)原理
        （1）TSP預(yù)報(bào)原理
        周家山隧道預(yù)報(bào)采用瑞士安伯格公司生產(chǎn)的最新型號的TSP203 plus 隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)。TSP測量系統(tǒng)是通過在掌子面后方一定距離內(nèi)的鉆孔中以微震爆破來發(fā)射信號的，爆破引發(fā)的地震波在巖體中以球面的形式向四周傳播，其中一部分向隧道前方傳播，經(jīng)隧道前方的界面反射回來，反射信號經(jīng)接受傳感器轉(zhuǎn)換成電信號并放大[3，4]。從起爆到發(fā)射信號被接收的這段時(shí)間是與反射面的距離成比例的。通過反射時(shí)間與地震波傳播速度的換算就可以將反射面的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進(jìn)面的距離確定下來，同時(shí)還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置方便的探測出來。振動波由在特定位置人為制造的小型爆破產(chǎn)生，一般是沿隧道一側(cè)洞壁布置24個(gè)爆破點(diǎn)，爆破點(diǎn)平行于隧道底面呈直線排列，孔距1.5 m，孔深1.5m，炮孔垂直于邊墻向下傾斜10~15°，以利于灌水堵孔。距最后的爆破點(diǎn)15~20 m處設(shè)接收器點(diǎn)（在一側(cè)或雙側(cè)），接收器安裝孔的孔深2 m，向上傾斜15度，內(nèi)置接收傳感器。

        圖1 TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)布孔要求
        在測量過程中，逐次引爆爆破點(diǎn)的炸藥（約50-150g，根據(jù)圍巖不同適時(shí)調(diào)整），制造出小型地震波，地震波遇到節(jié)理面、地層層面、破碎帶界面和溶洞、暗河等不良地質(zhì)界面時(shí)，將產(chǎn)生反射波，反射波的強(qiáng)度及傳送時(shí)間反映了相關(guān)界面的性質(zhì)、產(chǎn)狀、距離接收點(diǎn)的距離。利用TSPwin軟件對采集的TSP數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面和反射層提取以及巖石物性參數(shù)等一系列成果。在成果解釋中，以P波資料為主對巖層進(jìn)行劃分，結(jié)合橫波資料對地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。解釋中，遵循以下準(zhǔn)則：
        ① 正反射振幅表明硬巖層，負(fù)反射振幅表明軟巖層。
        ② 若S波反射較P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水。
        ③ Vp/Vs增加或δ突然增大，常常由于流體的存在而引起。
        ④ 若Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加。
        （2）地質(zhì)雷達(dá)原理
        地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar（GPR））是一種利用高頻電磁波探測地下物體的電子設(shè)備。地質(zhì)雷達(dá)通過發(fā)射天線發(fā)射中心頻率為12.5M至1200M、脈沖寬度為0.1 ns的脈沖電磁波訊號。當(dāng)這一訊號在巖層中遇到探測目標(biāo)時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)反射訊號。直達(dá)訊號和反射訊號通過接收天線輸入到接收機(jī)，放大后由示波器顯示出來。根據(jù)示波器有無反射汛號，可以判斷有無被測目標(biāo)；根據(jù)反射訊號到達(dá)滯后時(shí)間及目標(biāo)物體平均反射波速，可以大致計(jì)算出探測目標(biāo)的距離[7-9]。
        2 工程概況
        周家灣隧道是擬建銀川至北海高速公路建始（隴里）至恩施（羅針田）段上的一座分離式隧道。起訖里程樁號：左隧道ZK95+377～ZK97+815，長2438m，右隧道YK95+415～YK97+819，長2404m，為長隧道。隧道最大埋深約246m，洞軸線方位角210°；單洞凈空10.50m×5.0m，進(jìn)口洞門均采用端墻式，燈光照明，機(jī)械通風(fēng)。隧道地表土層為坡積（Q4dl）粘性土和碎石、崩積坡積成因的粘性土和塊石土（Q4c+dl），巖層為志留系中統(tǒng)紗帽組（S2s）粉砂巖、粉砂巖夾石英細(xì)砂巖、炭質(zhì)灰?guī)r、斷層角礫巖，二疊系下統(tǒng)棲霞組（P1q）灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r、含炭鈣質(zhì)頁巖、薄煤層、茅口組（P1m）微晶灰?guī)r（含燧石結(jié)核）、上統(tǒng)吳家坪組（P2w）炭質(zhì)頁巖、大隆組（P2d）炭質(zhì)頁巖夾硅質(zhì)巖，三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）灰?guī)r、灰?guī)r夾頁巖、底部頁巖夾灰?guī)r，主要為灰?guī)r易發(fā)育溶洞等不良地質(zhì)體。
        3 TSP超前探測
        （1）探測結(jié)果
        用TSPwin軟件對接收到的地震波信號進(jìn)行處理，得到掌子面前方巖體波速、界面及巖體物性參數(shù)等成果。（表1，圖2）。

        圖2 地震波處理結(jié)果（左：P波提取的反射界面 右：2D結(jié)果顯示與巖體物性圖）
      
     （2）該段施工建議
        綜合TSP探測結(jié)果及地質(zhì)資料分析，預(yù)報(bào)段總體情況如掌子面揭露所見，中-微風(fēng)化灰?guī)r，局部夾雜泥質(zhì)，其中YK96+284~YK96+280、YK96+274~YK96+270段、YK96+270~YK96+256段、巖體較破碎，節(jié)理裂隙及巖溶裂隙發(fā)育，圍巖強(qiáng)度降低，含有裂隙。施工時(shí)應(yīng)結(jié)合TSP超前預(yù)報(bào)結(jié)果和掌子面圍巖揭露情況，可能存在異常段要注意防止塌方等工程事故的發(fā)生，保證隧道施工安全。
        4 地質(zhì)雷達(dá)探測
        （1）地質(zhì)雷達(dá)測線布置
        2018年12月13日，周家灣隧道出口YK96+215掌子面開展了一次短距離地質(zhì)雷達(dá)探測工作，采用天線頻率為100MHz，采集樣本點(diǎn)為1024。
        （2）地質(zhì)雷達(dá)探測成果
        本次地質(zhì)雷達(dá)探測距離為30m，里程樁號范圍為YK96+215~YK96+185，處理后雷達(dá)圖像如圖3。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況分析，具體探測結(jié)論描述如下：
        ①掌子面前方Y(jié)K96+214~YK96+202中部至右側(cè)范圍內(nèi)信號紊亂，根據(jù)雷達(dá)信息特征，推測該處圍巖受風(fēng)化作用影響強(qiáng)烈，圍巖相對較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育且存在較大裂隙或細(xì)小空洞，局部夾雜泥質(zhì)，易發(fā)生脫落掉塊，施工時(shí)應(yīng)注意安全防范措施。
        ②掌子面前方Y(jié)K96+211~YK96+209范圍內(nèi)左側(cè)3m雷達(dá)反應(yīng)強(qiáng)烈，根據(jù)雷達(dá)特征，推測該處圍巖破碎，膠結(jié)能力較差，成分主要由土夾石組成。施工時(shí)應(yīng)注意塌方掉塊。

        圖3 測線處理結(jié)果圖
        （3）該段施工建議
        該段圍巖以中風(fēng)化灰?guī)r為主，圍巖完整性較好，巖體較破碎，局部節(jié)理裂隙發(fā)育，可能存在小型溶洞，裂隙中夾雜泥質(zhì)及裂隙水。需要說明的是，掌子面凹凸不平及施工現(xiàn)場的金屬物對雷達(dá)探測結(jié)果有一定影響。因此，根據(jù)分析結(jié)果，反應(yīng)異常區(qū)建議做好防范措施，施工時(shí)應(yīng)施作超前炮孔和超前水平鉆，注意掌子面地質(zhì)變化情況，注意現(xiàn)場施工安全，確保施工質(zhì)量和安全。
        5 結(jié)論
        周家灣隧道同時(shí)采用TSP超前預(yù)報(bào)與地質(zhì)雷達(dá)共同探測，分別探測YK96+380~YK96+250段落與YK96+215～YK96+185段落，并就探測結(jié)果給出了施工建議。通過長程預(yù)報(bào)與短程預(yù)報(bào)相結(jié)合極大的提高了隧道施工的預(yù)報(bào)精度與施工安全性，提高了施工效率。