TRT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.pdf

第 32 卷第 4 期2022 年 12 月安徽地质Geology of AnhuiDec.2022Vol.32 No.4文章编号：1005-6157（2022）04-0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60km/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+210K30+428，全长为 3 218 m。隧道围岩划分为、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围岩级别长度/m级1313级545级1360收稿日期：2022-4-3项目来源：安徽省重点工程项目“G205五里亭至桃林公路改建工程”资助作者简介：周满兵（1984），男，安徽枞阳人，高级工程师，主要从事公路隧道工程检测及科研工作。E-mail：摘要：目前公路隧道施工中，超前地质预报工作已纳入工序管理，根据隧道环境及特点，选择适宜的方法可有效提高预报效果。本文结合具体工程实例，介绍了TRT与地质雷达两种预报方法及原理，选取隧道代表性围岩地段，以掌子面地质分析为基础，进行了TRT地震波法与地质雷达法相结合的综合超前地质预报，通过对两种预报结果的比较分析，并与隧道实际开挖地质情况对比验证，结果表明两种方法结合可提高预报精度，对隧道信息化施工、灾害防治和安全保障具有重要作用。关键词：公路隧道；围岩级别；TRT7000；地质雷达；超前地质预报中图分类号：P642文献标志码：BTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRTTRT 与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用综合应用周满兵1,2（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）360-5第32卷第4期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：R=2v2 1v12v2+1v1（1）式中：R为反射系数；1、2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。图1TRT探测原理Figure 1.TRT detection principleTRT7000型隧道超前地质预报系统主要部件有：检波器10个，灵敏度为1V/g，接收范围为1010000Hz；检波器固定块 10 个；无线模块 11 个；无线通信基站 1 个；触发器 1 个；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，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，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。11RRT基岩电磁波遇到地下物体后的反射示意图7744目的体TRT掌子面探地雷达纪录的回波曲线间时程m)(点位76543201双图 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 1200 MHz，叠加次数 128 次，时间窗 480 ns，点测方式，点测距离为 0.1m。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藕合。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，二是图象解释。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、振幅和相周满兵：TRT与地质雷达在公路隧道超前地质预报中的综合应用/361安徽地质2022年点测方式，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。3TRT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27582，近似垂直，裂隙内充填大