地质雷达与TRT法在隧道涌水预报中的应用

刘 静

(四川南渝高速公路有限公司，四川 南充 637000)



地质雷达与TRT法在隧道涌水预报中的应用

刘 静

(四川南渝高速公路有限公司，四川 南充 637000)

富水岩溶地区隧道施工过程中，极易发生突水、突泥工程地质灾害，极大地危害了施工安全。因此，采用超前地质预报探测隧道掌子面前方围岩工程地质及水文地质情况显得尤为必要。文章以南充-大竹-梁平(川渝界)高速公路铜锣山隧道工程超前地质预报为例，提出综合利用地质雷达法与TRT法对隧道掌子面前方涌水情况进行预报，经实践验证该组合预报技术能为隧道施工提供有效的参考依据，一定程度上减小突水、突泥地质灾害的发生几率。

隧道；富水岩溶；地质雷达法；TRT法；涌水预报

0 引言

富水岩溶地区具有非常复杂的地质性质，因此在岩溶隧道的开挖施工过程中，很有可能会不确定地暴露出岩溶以及地下水，从而导致突水突泥等一系列

严重的地质灾害[1]。所以采用各种先进准确的超前地质预报方法对于保证隧道安全施工、减小对周围生态环境的破坏具有非常重要的意义。目前隧道常用的超前地质预报方法多种多样，按探测距离的长短分为长距离预报和短距离预报。短距离预报有地质雷达(GPR)、X射线照相(X-ray radiography)、红外探水(infrared ray detector)等方法；长距离预报有地震反射层析成像(TRT)、超前水平钻探、断层参数预测法、地震反射波法(TSP)、冲击回波技术(impact echo)等[1-4]。富水岩溶地区超前地质预报中，由于受到技术方法、水文地质环境等条件的限制，其超前地质预报的可靠性及准确性受到限制，以致隧道施工过程中发生突水、突泥地质灾害，严重危害施工安全、影响施工进度[5-6]。

大量的工程实践证明，由于富水岩溶隧道的复杂性，采用单一的预报方法来预测掌子面前方的地质以及地下水情况具有很大的不准确性，在施工中易造成隧道在开挖的过程中发生涌水、突泥等工程病害事故，产生巨大的经济损失[7-10]。本文根据南充-大竹-梁平(川渝界)高速公路铜锣山隧道的工程地质与水文地质情况，将短距离预报地质雷达(GPR)法与长距离预报地震反射层析成像(TRT)法相结合，对隧道施工涌水进行超前预报，经实践验证取得了较好的效果，为施工提供了可靠的地质依据。

1 测试方法即基本原理

1.1 地质雷达法基本原理

地质雷达雷达(Ground Penetrating Radar简称GPR)是用频率介于106～109 Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种方法，是指利用宽带的电磁波以脉冲形式来探测地表之下或确定不可视的物体或结构。其工作原理为：发射机通过发射天线以宽频带脉冲形式发出电磁波，在经过被测试目标时电磁波会发生反射、会投射，随后被接收机的接收天线所接收，如图1所示。

图1 地质雷达原理及其基本组成示意图

地质雷达基本参数如下

(1)电磁波在介质中的传播速度

(1)

c——电磁波真空传播速度，c=0.3m/ns；

εr——相对介电常数。

从上式中可看出，对于多数非导电、非磁性介质，其介电常数是决定电磁波在介质中的传播速度的主要因素。

(2)电磁波在介质中的吸收特性

吸收系数β决定了场强在传播过程中的衰减速率，对以位移电流为主的介质，β的近似值为：

(2)

即β与导电率成正比，与介电常数的平方根成正比。

(3)电磁脉冲波行程需时

(3)

式中：z——勘查目标体的埋深；

x——发射、接收天线的距离(式中因z>x，故X可忽略)；

v——电磁波在介质中的传播速度。

(4)地质雷达记录时间和勘查深度的关系

(4)

式中：z——勘查目标体的深度；

t——雷达记录时间。

1.2TRT法基本原理

本次测试采用的是TRT6000隧道地质超前预报系统(TRT)。该超前预报技术的基本原理是：在人工震源点上的地震波在传播的过程中，遇到声学阻抗差异(密度和波速的乘积，通常发生在岩层界面与岩体内的不连续界面)界面时，地震波信号会出现一部分被反射与一部分投射穿过介质进入前方介质的情况，通过高灵敏的地震传感器对反射部分信号的采集，通过仪器分析便能得出隧道掌子面前方的地质条件(软弱带、破碎带、断层、含水等)，规模以及性质。地震波正常入射到声学阻抗差异界面时，其反射系数计算公式如下：

(5)

式中：R——反射系数；

ρ1、ρ2——岩层的密度；

V——地震波在岩层中的传播速度。

当地震波在两个不同的阻抗物质中传播时，如果由高阻抗物质传播到低阻抗物质时，反射系数为正，相反为负。因此，地震波从软岩传播到硬的围岩时，反射回来的地震波的偏转极性和波源是一致的。地震波传播时遇到存在有破裂带的岩体，其地震回波的极性会反转。同时，所遇到的差异界面尺寸越大，声学阻抗差异越大，地震原波与其反射回波之间的差异也就越大，也就容易被探测到。根据此原理，通过仪器分析之后，便可以被应用到预测隧道开挖前方的地质体情况，如位置、规模、形状等。

根据以上介绍的原理，TRT隧道超前地质预报的工作过程为：通过在事先选择好的震源点上对岩体进行锤击，在产生地震波的同时，触发器给基站发送一个初始的触发信号，然后基站对无线远程模块下达指令进行地震波采集，并将采集的数据传入笔记本电脑，最后完成数据采集，通过后处理软件处理，便可以得到隧道掌子面前方的层析三维图像。地质超前预报系统详见图2。

图2 TRT6000地震波采集系统模型图

1.3 综合超前地质预报方法

针对地质雷达法以及TRT法的各自特点与优缺点，再结合南充-大竹-梁平(川渝界)高速公路铜锣山隧道工程富水岩溶的地质情况，提出综合利用地质雷达法与TRT法对掌子面前方涌水情况进行预报。具体步骤如下：

(1)通过勘察所得地质调查资料，了解清楚所在区域的主要构造地质情况以及水文条件，为超前地质预报做好准备。

(2)在隧道开挖进洞时采用地质雷达法进行短距离地质预报。

(3)隧道开挖进洞一段距离后，便开始采用TRT6000超前地质预报系统进行长距离的地质超前预测。

(4)根据TRT6000采集到的前方地质数据，及时与设计时的勘察情况比较，检查准确性。

(5)通过TRT6000系统与地质勘察资料确认开挖将遇到不良地质体时，采用地质雷达系统进行更精确的短距离预报。

通过以上几种方式，可以经济有效且快捷地确定不良地质体的情况。通过实际工程证明，具有较好的实践效果和借鉴意义。

2 工程概况

2.1 工程地质概况

本文以南充-大竹-梁平(川渝界)高速公路铜锣山隧道工程超前地质预报为背景，该工程位于川东南充和达州市境内，隧道全长5 023m，地处川东褶皱带中之铜锣山背斜中段，区内断层较少，其构造特征主要表现为褶皱及节理裂隙。隧道穿越煤层及煤层采空区，存在瓦斯、天然气等有害气体，属于高瓦斯地带。隧道进口段穿越背斜西翼雷口坡组T2l地层，岩性主要为薄～中厚层状的泥质灰岩、泥灰岩、灰岩和钙质泥岩等，局部夹杂岩溶角砾岩。地表发育岩溶蚀槽谷、洼地、落水洞、溶洞等，隧道内可能出现大小不一的溶洞、溶缝。隧道中部穿越岩溶发育的三叠系嘉陵江组(T1j)和雷口坡组(T2l)地层，岩溶发育。

图3 铜锣山隧道岩体分类图

2.2 水文地质概况

隧道进口段地下水主要为碎屑岩类裂隙孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水，洞身位于水平循环带内，岩溶及岩溶水极其发育，预测正常涌水量为4×103～5×103m3/d，最大涌水量为1.2×104～1.7×104m3/d。隧道岩溶分布不规律，施工中涌水突泥等情况发生的可能性很大。

图4 铜锣山隧道涌水量分布图

3 铜锣山隧道施工涌水预报

3.1TRT法预报成果

本次探测方法为TRT声波反射法，采用仪器系统为美国C-ThruGround工程有限公司研制的TRT6000型隧道地质超前预报系统，对隧道进口左线ZK133+048掌子面前方进行了测试，预报范围：127m(对应里程ZK133+048～ZK133+175)。图5为震源和检波器布设图，图6为测试典型波形曲线图。

图5 震源和检波器布置图

图6 测试典型波形图

测试岩体平均声波速度为3 000m/s。

图7 波速分布图

对现场采集原始波形曲线进行时域和频率域分析处理得到掌子面前方三维地质成像，图8为成像结果图，分析结果见下页表1。

图8 三维成像图-侧视图

表1TRT6000测试分析结果表

测试范围长度(m)测试结果ZK133+048～ZK133+09547基本维持掌子面岩体现状,主要薄～中厚层状的泥质灰岩、泥灰岩、灰岩和钙质泥岩等,局部存在夹盐溶角砾岩。岩体较破碎～破碎。地下水发育,隧道内多出现股状涌水,在可溶岩与非可溶岩接触部位有突水可能。本次测试:该段未出现明显低阻异常,但基于掌子面岩体现状和地质剖面图,推测此段围岩岩体受到前方F2断层的牵引构造作用明显,或者掌子面附近受断层构造影响使岩体软弱破碎,应加强超前支护措施及初期支护措施;地下水发育,应做好防排水工作。建议围岩级别为Ⅴ级ZK133+095～ZK133+17580根据地质勘察所得出的地质剖面图以及TRT超前地质预报结果分析,本区段围岩主要为薄～中厚层状的灰岩,且局部存在软弱夹层以及夹盐溶角砾岩。本区段层间结合较差,岩体稳定性较差,岩体破碎。地下水发育,有股状涌水。本次测试:该段出现明显低阻异常,说明该段围岩状态差于ZK133+048～ZK133+095段,推测此段受断层构造影响、岩体破碎、地下水富集,可能发育不同规模的溶腔、溶洞。建议围岩级别为Ⅴ级偏弱

图9 检测段地质纵断面图

由TRT6000结合地质剖面图9综合分析，本区段围岩主要为薄～中厚层状的灰岩，且局部存在软弱夹层以及夹盐溶角砾岩。本区段层间结合较差，岩体稳定性较差，岩体破碎。地下水发育，隧道内多出现股状涌水，拱部围岩稳定性较差。ZK133+048～ZK133+145段未出现低阻异常，但根据掌子面岩性较为破碎，推测此段围岩破碎或者地下水发育；ZK133+145～ZK133+205段出现明显低阻异常，该段围岩疑似为F2断层区域，围岩极其破碎或者地下水非常发育。

3.2 地质雷达法预报成果

本次探测方法为电磁波反射法，采用美国劳雷公司生产的SIR-20地质雷达系统及配套分析软件。现场利用中心频率为100MHz屏蔽天线对隧道掌子面ZK133+092～ZK133+122布置雷达测线进行连续测试，工作量合计30m。图10为测线布设图。

图10 ZK133+092掌子面测线布设图

掌子面岩性以灰色薄层～中厚层状灰岩为主，夹薄层状泥质灰岩。灰岩层厚5～10cm为主，中等风化，岩性较坚硬；泥质灰岩多以夹层状分布，薄层状，泥质含量较低，岩体较破碎。掌子面岩层产状为305°∠55°～65°(见图11)。掌子面围岩整体层间结合一般，完整性一般，岩层产状倾向洞外，自稳性一般；泥质灰岩分布范围附近自稳性较差，易掉块、坍塌。掌子面左侧地下水较发育，呈淋雨状，掌子面右侧岩体破碎，稳定性差，时有掉块、落石。

图11 ZK133+092掌子面素描图

图12 测线1雷达剖面图

图13 测线4雷达剖面图

由图12分析可知，掌子面前方存在反射异常区，在掌子面前方0～12m相位连续，推测岩体较完整，节理裂隙较发育；12～30m范围内反射波较强烈，相位连续，推测为岩体破碎、裂隙发育、围岩破碎、地下水发育地段。

由图13分析可知，掌子面前方存在反射异常区，在掌子面前方0～12m相位连续，推测岩体较完整，节理裂隙较发育；12～30m范围内反射波较强烈，相位连续，推测为岩体破碎、裂隙发育、围岩破碎、地下水发育地段。

根据掌子面围岩特征及本次测试结果，分析得出如下结论：掌子面前方ZK133+092～ZK133+122岩性主要为灰色薄层至中厚层状灰岩、泥灰岩，层厚以5～10cm为主，属次坚石，层间结合整体较差至一般。分布泥质灰岩夹层及受褶曲影响岩体较破碎，稳定性较差，易掉块、坍塌。其中12m以后推测为岩体破碎、裂隙发育、围岩破碎、地下水发育地段。

3.3 测试结果综合分析

根据本次地质雷达测试、TRT长预报及结合勘察设计资料得出如下结论：

(1)总体上掌子面围岩整体层间结合较差，完整性较差，岩层产状倾向洞外，自稳性一般；薄层状泥质灰岩遇水极易软化，其分布范围附近自稳性较差，易掉块、坍塌；由于该段距离断层较近(长距离预报破碎带掌子面前方50m)且地下水极为发育；建议掌子面前方ZK133+092～ZK133+122围岩级别为Ⅴ级；

(2)ZK133+092～ZK133+122段岩体主要为灰岩，局部夹泥质灰岩，岩体较破碎，节理裂隙较发育，由于地表岩溶、槽谷等负地形发育，地质调查证明地表水与地下水连通性较好，地下水丰富，具有较好的岩溶发育条件，因此隧道开挖存在较大的涌突水风险。

3.4 施工建议

在ZK133+092～ZK133+122范围掌子面开挖施工时，为了保障隧道开挖安全施工，建议做到如下几点：

(1)建议在该段隧道开挖过程中，视出水情况逐步改善防排水措施或者采取预留核心土的施工工艺，尽可能维护围岩自身稳定；建议开挖至ZK133+097暂停掌子面施工，待钻探探明前方排水泄压之后根据围岩情况和富水情况，调整设计参数之后进一步开挖。

(2)为了保证隧道开挖的安全，建议在掌子面ZK133+097之前中央布置一个取芯钻探(30m)探明前方围岩及富水情况，在掌子面左拱脚、右拱脚位置(终孔位置在隧道开挖轮廓线外5m)各布置一个不取芯钻探(40m)探明前方富水情况和提前排水泄压。

(3)开挖过程中重视开挖面涌水情况、围岩稳定状况，严格按照设计要求加深炮孔，请设计部门现场勘测，及时调整设计。

(4)隧道开挖必须要遵循“先探后掘”的设计要求，首先进行超前地质预报工作，没有相关资料不能施工。

4 结语

本文结合铜锣山隧道超前地质预报为背景，提出综合利用地质雷达法与TRT法对掌子面前方涌水情况进行预报，主要有以下结论：(1)本项目根据在已勘察得到的隧道区域性地质资料的条件下，充分利用两种超前预报的优缺点。选择TRT6000预报进行长距离地质预报，当遇到不良地质情况时，再采用地质雷达进行短距离的精确地质预报。

(2)TRT超前预报所得的结果形象直观，适用于本次富水岩溶地段。同时，TRT法具有机械化程度高、容易操作、费用较低的特点。地质雷达法操作简单快速，且预报的距离短，具有更高的精确性，特别适用于不良地质地段。

(3)根据本方法能准确直观地了解掌子面前方的地质情况，根据综合测试分析结果，能及时地给出施工建议方案，保证隧道的开挖安全。经实践验证该组合预报技术能为隧道施工提供有效的参考依据。

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Application of Geological Radar and TRT Method in Tunnel Gushing Forecasting

LIU Jing

(Sichuan Nanyu Expressway Co.，Ltd.，Nanchong，Sichuan，637000)

During the tunnel construction in watery karst areas，it is prone to the water and mud outburst and other engineering geological disasters，which greatly endanger the construction safety.Therefore，to detect the engineering geology and hydrogeology situation of surrounding rock in front of tunnel face by using the geological prediction becomes particularly necessary.With the advanced geological prediction of Tongluoshan Tunnel project of Nanchong-Dazhu-Liangping(Sichuan and Chongqing border)Expre-ssway as the example，this article proposed the forecasting of gushing situation in front of tunnel face through combined utilization of Ground Penetrating Radar and TRT method，and the practices proved that this combined forecast technology can provide effective reference basis for tunnel construction，and to some extent it can reduce the occurrence probability of water and mud outburst and other geological disasters.

Tunnel；Watery karst；Ground Penetrating Radar；TRT method；Gushing forecast

刘 静(1979—)，高级工程师，主要研究方向：主要从事隧道及地下工程方面的研究工作。

U456.3+2

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.016

1673-4874(2015)11-0072-06

2015-10-11