TTRRRTTT 与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的综合应用

周满兵

（1.安徽省公路工程检测中心，安徽合肥 230051；2.桥梁与隧道工程检测安徽省重点实验室，安徽合肥 230051）

0 引言

近年来，公路隧道建设快速发展，但由于隧道地质勘察工作的局限性及隧址区地质条件的复杂性，隧道施工人员很难了解掌子面前方的地质变化、灾害体的分布与性质等，导致在隧道开挖过程中局部段落出现坍塌冒顶、涌水突泥等地质灾害[1]，给工程项目造成不可挽回的损失，因此在隧道工程施工中进行超前地质预报工作尤为重要。公路隧道施工超前地质预报的主要目的[2]是在施工前地质勘察成果的基础上，进一步查明掌子面前方一定范围内围岩的地质条件，进而预测前方不良地质，为信息化设计和施工提供依据，为降低地质灾害发生风险提供预警。

目前，隧道超前地质预报的方法除了常规的地质分析法和超前钻孔以外，还有各种物探方法，比如：采用电磁原理的地质雷达法和瞬变电磁法，其中地质雷达法由于预报快速、方便、准确等优点，应用比较普遍，其主要缺点是探测距离短。另外，还有利用地震波原理的TSP、TGP、TST、TRT 等预报技术，具有预报距离长的特点，其中TRT 法[3]的突出特点是实现了三维空间观测，设备自动化程度高，同时不需要采用炸药来产生地震波，与其他地震波方法相比，可提高不良地质体的地位精度和岩体工程类别划分的可靠性，近年来已越来越多地被应用到隧道超前地质预报中。

本文以G205 五里亭至桃林公路改建工程茶子岭隧道为例，主要阐述TRT与地质雷达的预报原理及其在隧道工程施工中的综合应用，对隧道典型地段预报结果进行分析比较，并与实际开挖地质情况对比验证，结果表明TRT长距离预报与地质雷达短距离预报相结合的综合预报技术[4]在公路隧道开挖过程中具有重要的安全指导作用。

1 工程概述

1.1 隧道概况

G205 五里亭至桃林公路改建工程位于黄山市休宁县境内，采用二级公路技术标准，设计速度为60 km/h，沥青混凝土路面。新建的茶子岭隧道为单洞双向行车特长隧道，起讫桩号K27+210～K30+428，全长为3 218 m。隧道围岩划分为Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ三种围岩级别，详见表1。

表1 茶子岭隧道围岩分级一览表Table 1. Wall rock grading of the Chaziling tunnel

1.2 隧址区地质条件

隧址区地层属扬子地层区江南地层分区，表层为第四系残坡积角砾土，下伏基岩为休宁晚期花岗岩、长城-蓟县纪牛屋组变质砂岩。隧址区大地构造位置为中国扬子板块下扬子台块南缘与江南陆缘隆起带的过渡部位，区域上处于江湾-街口挤压破碎带，断裂构造发育。

隧道所在区域地表水系较发育，影响范围内的河流属于新安江水系和衢江水系。隧址区地下水水量受大气降水的影响，呈季节性变化，隧道穿越段地下水以基岩裂隙水为主，裂隙水主要赋存于岩体构造节理裂隙中，接受大气降水和层间径流的补给。

2 超前地质预报方法及原理

2.1 TRT地震波法

目前最新的TRT7000型隧道超前地质预报系统，是一种地震波物探方法，运用地震波反射三维成像技术[5]，其原理为：在隧道中当地震波遇到地质岩层界面或岩体内不连续界面（声学阻抗发生变化）时，部分信号在界面被反射回来，部分信号透射到前方岩体，反射回来的信号被高灵敏度的地震波接收传感器所接收，再通过软件进行信号分析，可判断隧道掌子面前方的断层、破碎带等灾害体的分布及地质变化等。TRT法探测原理如图1所示。入射到反射边界后的反射系数可根据公式（1）计算：

图1 TRT探测原理Figure 1. TRT detection principle

式中：R为反射系数；ρ1、ρ2为反射分界面前后范围内的岩体密度；v1、v2为反射分界面前后范围内的地震波速度。

TRT7000 型隧道超前地质预报系统主要部件有：①检波器10个，灵敏度为1V/g，接收范围为10～10000Hz；②检波器固定块10 个；③无线模块11 个；④无线通信基站1 个；⑤触发器1 个；⑥主机1 台，包括Sawtooth地震波采集软件和RV3D分析软件。仪器的数据采集过程为：在震源点上锤击，在锤击岩体产生地震波的同时触发器产生一个触发信号给基站，然后基站给无线远程模块下达采集地震波指令，并把远程模块传回的地震波数据传输到笔记本电脑中，完成地震波数据采集。

TRT 成像图采用的是相对解释原理，即确定一个背景场，所有解释相对背景值进行，异常区域会偏离背景区域值，根据偏离与分布多少解释隧道前方的地质情况。

判断围岩地质情况原则：一般来说，软件设定围岩相对背景值破碎、含水区、裂隙、岩溶、采空区域呈蓝色显示，相对背景值硬质岩石呈黄色显示；从整体上对成像图进行解释，不能单独参照一个断面的图像。

2.2 地质雷达法

地质雷达法[6]采用的是连续扫描电磁脉冲波反射曲线的叠加，利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射，根据探测到的反射脉冲波走时计算反射界面与隧道掌子面之间的距离。

隧道前方的含水情况与岩石的破碎程度是决定电性常数的主要因素，当电磁波遇到不同的电性反射界面后电磁波振幅和相位发生变化。根据对电磁波信号的处理分析，可判定隧道掌子面前方的地质变化情况。地质雷达法探测原理如图2所示。

图2 地质雷达法探测原理Figure 2. Geological radar detection principle

本次茶子岭隧道超前地质预报采用瑞典MALA公司RAMAC/GPR型探地雷达，天线使用中心频率为100 MHz 的低频屏蔽天线。数据采集时设置采样频率为1 200 MHz，叠加次数为128次，时间窗为480 ns，点测方式，点测距离为0.1 m。现场数据采集主要是在掌子面上进行，使雷达天线与掌子面能有较好的耦合。采用Ground Vision 软件探测的雷达图形以脉冲反射波的波形形式记录，以波形显示探测雷达剖面图。

地质雷达探测资料的解释包括两部分内容：一是数据处理，二是图像解释。使用REFLEXW 雷达资料处理软件，对数据文件进行预处理、增益调整、滤波和成图等方法的处理，得到时间剖面图，以此对掌子面前方地质情况进行分析评价。地质雷达图像剖面是地质雷达资料解释的基础，只要掌子面前方介质中存在电性差异，就可以在雷达剖面图中找到相应的反射波与之对应，根据波形的三振相（频率、振幅和相位）特征，具体判断隧道前方地质情况。

3 TRT与地质雷达预报结果

根据茶子岭隧道开挖的地质情况，选取了具有代表性Ⅴ级围岩地段面向大桩号进行超前地质预报，掌子面桩号为K27+650。

3.1 掌子面地质分析

通过对K27+650 掌子面的地质观察，掌子面围岩岩性主要为中风化砂岩，呈中厚层状，岩体坚硬，节理裂隙发育，节理面呈“X”形共轭交错，现场量取一组主要节理产状为275°∠82°，近似垂直，裂隙内充填大量黄色泥质物，岩体整体较为破碎，局部破碎程度高，拱顶及掌子面中部存在点滴状渗水，综合来看，地下水不丰富。

3.2 TRT预报分析结果

TRT7000 超前地质预报系统的震源和检波器采用立体、分布式布置，在隧道两侧拱墙各对称布置4个传感器，在隧道拱顶位置布置2个传感器，获得真实三维立体图，可直观再现异常体的位置、形态与大小。TRT预报测点布置如图3所示。

图3 TRT震源和检波器布置示意图Figure 3. Schematic diagram of TRT source and geophone layout

TRT 采用重锤激发地震波[7]。本次勘测范围：相对隧道中心线高程为-20～20 m，横向为隧道中心线左右各20 m，纵向为160 m，TRT分析三维成像如图4~图6所示。掌子面在图中的位置为36.6 m。

图4 TRT法超前地质预报三维俯视图Figure 4. 3D top view from geological prediction using TRT method

图5 TRT法超前地质预报三维侧视图Figure 5. 3D side view from geological prediction using TRT method

图6 TRT法超前地质预报三维立体图Figure 6. 3D stereogram from geological prediction using TRT method

根据图像分析，本次TRT 预报长度为120 m（K27+650～K27+770），结论如下：

（1）掌子面前方 0～20 m（K27+650～K27+670）段，地震波变化不明显，波速变化幅度小，判断该区域围岩与掌子面类似，主要为中风化砂岩，岩体裂隙发育，岩体整体稳定性较差，地下水不丰富，隧道开挖过程中可能出现连续点滴状出水和掉块现象。

（2）掌子面前方20～50 m（K27+670～K27+700）段，地震波反射较强，地震波成像离散，阻抗高，判断该区域围岩破碎，裂隙发育，围岩密度与强度提高，围岩整体稳定性改善，地下水较发育，在软弱夹层及隧道拱顶可能会揭露地下水，水量偏弱，开挖可能出现点滴状出水。

（3）掌子面前方50～60 m（K27+700～K27+710）和80～120 m（K27+730～K27+770）段，地震波反射不明显，未见明显异常，推断该区域围岩裂隙发育，围岩较破碎，地下水不丰富。

（4）掌子面前方60～80 m（K27+710～K27+730）段，地震波波形变化大，波速波动幅度增加，成像离散，阻抗较低，判断该区域围岩强度较低，裂隙发育，地下水较发育，开挖时可能出现淋雨状或连续点滴状地下水。

3.3 地质雷达预报分析结果

在茶子岭隧道K27+650 掌子面处布置一条水平方向的地质雷达测线，紧贴掌子面从左向右探测，选用MALA地质雷达，100 MHz屏蔽天线，采用键盘触发的点测方式，每10 cm采集一道数据。地质雷达测线布置如图7所示，地质雷达预报结果解译图像如图8所示。

图7 地质雷达法测线布置示意图Figure 7. Layout of geological radar survey line

图8 K27+650地质雷达解译图Figure 8. Geological radar interpretation of the section K27+650

根据图像分析，本次地质雷达预报长度20 m（K27+650～K27+670），结论如下：

掌子面前方0～20 m（K27+650～K27+670) 段，电磁波存在多组反射信号，且反射信号较为杂乱，同相轴不连续，信号频率偏低，振幅较强，判断该区域围岩节理裂隙发育，局部位置岩层破碎，施工开挖可能产生连续滴漏状渗水。

3.4 TRT与地质雷达比较

本次TRT 与地质雷达在掌子面前方20 m（K27+650～K27+670）预报结论较为一致，两者探测结果均为岩体破碎、节理裂隙发育。为验证预报效果，在隧道开挖过程中进行了全程跟踪。茶子岭隧道K27+650掌子面TRT和地质雷达法超前地质预报情况与实际开挖地质情况对比见表2。

表2 TRT和地质雷达法超前地质预报情况与实际开挖地质情况对比Table 2. Comparison between geological prediction using both TRT and geological radar methods with actual geological situation by excavation

从表2 可以看出，本次预报情况和隧道实际开挖所揭示的地质情况基本吻合，预报效果比较理想。在TRT 与地质雷达两种超前地质预报方法综合应用过程中发现：地质雷达对于地下水信号比较敏感，能够比较准确、快速地预报，预报过程基本不会影响施工；TRT 法地质预报具有预报距离长，能三维探测[8]判断不良地质位置，但现场测点的布置及数据采集时间过长，时效性不高，影响隧道施工进度；另外，预报人员对于TRT 数据解释需要具备一定的工程实践经验和良好的地质理论基础。

综上所述，TRT 与地质雷达作为隧道超前地质预报中的常用方法[9]，综合比较其原理方法、探测范围、精准度等，两者各自特点及区别如下：

（1）TRT 作为长距离超前地质预报的一种方法，是宏观的三维超前地质预报，其主要目的是确定隧道内不良地质类型及其分布，为科学施工提供地质依据。

（2）地质雷达属于短距离超前地质预报[10]，是超前地质预报的攻坚阶段，能对掌子面不同位置进行快速预报，精度更高，可有效提高超前地质预报的准确性。

（3）TRT 技术具有地震波探测的多解性，特别在以上实例中地震波反射信号不明显处可通过地质雷达进行补充预报，实测效果良好。

4 结语

隧道超前地质预报为系统性、综合性工程，需结合掌子面地质分析、隧道开挖揭露围岩对比分析、勘查设计资料等各方面信息全面考虑，才能保证超前地质预报结果有较高准确度，为动态设计和施工提供地质依据。以上实例说明在隧道超前地质预报工作中，可先采用TRT大范围探测，再采用地质雷达小范围精准排查，两种方法相互补充、综合运用，可提高地质预报精度和效率，及时有效指导隧道施工。