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摘要: 郭家坝隧道在施工过程中全程采用TSP法和地质雷达法相结合对隧道进行超前地质预报，本文通过两种方法的预报结果及实际开挖情况的比较和分析，总结出两种方法的特点和准确性。
关键词:地质雷达 TSP 超前地质预报
Abstract: Guojiaba tunnel adapts the TSP method and the geological radar method advanced geological forecast of the tunnel, this paper through the forecast results of the two methods of excavation and the actual situation of the comparison and analysis, this paper summarizes the characteristics of the two methods and accuracy.
Keywords: geological radar TSP advance geological forecast
中图分类号： P5文献标识码：A文章编号：
隧道概述：郭家坝隧道位于位于宜昌市秭归县境内，设计为单洞双向行车隧道，全长1843m。隧址区属构造剥蚀、溶蚀地低山区斜坡地貌，隧道轴线呈212°穿越山体，路线经过段地面高程在221m～367m之间，隧道最大埋深124m。隧道进口位于宜巴公路边坡上，边坡高约5m，坡角约60°，进口段地形总体较缓，自然坡角20°～30°，植被较发育；出口位于冲沟旁，地形较陡，自然坡角约40°。
由于隧道施工区域围岩受地下水侵蚀严重，极有可能发育溶洞、断裂破碎带等不良地质；另一方面勘察设计与实际揭露地质之间的差异较大，为防止施工中因溶洞等不良地质引发地质灾害，施工中采取了地质雷达法和TSP法相结合的超前地质预报，为工程处理措施提供依据，保障隧道内施工顺利进行。
1 地质雷达法和TSP法基本工作原理
1.1 地质雷达基本工作原理
地质雷达法又称GPR（Ground Penetraing Radar）法，GPR方法是一种用于确定地下介质分布的电磁波法。其方法原理类似反射地震勘探技术，是一种高分辨率探测方法。GPR方法是利用高频电磁波（1MHz-1GHz），以脉冲形式通过发射天线被定向地向地下发射。电磁波在地下介质中传播，当遇到存在电性差异介质的界面时，电磁波便发生反射，返回地面后由接收天线接收，并由采集系统（主机）以数字形式记录下来。
采集的数据通过处理，可以获得时间或深度剖面。根据记录到的反射波的到达时间和求得的电磁波在介质中的传播速度，来确定反射界面或目标体的深度；同时根据反射波同向轴的形态以及反射波振幅的相对强弱变化等因素来判断目标体的性质及空间规模，从而达到对地层或地下目标体的探测。
地质雷达资料的分析实际上就是对反射回来的电磁波的分析，反射电磁波的强弱取决于相应介质的相对介电常数的差异，相对介电常数差异越大，其反射的电磁波的振幅就越强。空气、水以及凝灰岩的相对介电常数分别是1、81、6～8，三者之间均有一定的差异。从理论上讲，界面反射信号的强弱及反射波同向轴的形状是判断空洞等异常的依据，反射波相位与直达波相位的关系是判断含水界面的依据。
1.2TSP基本工作原理
TSP(Tunnel Seismic Prediction)是一种新颖、快速、有效、无损的反射地震技术。它是为隧道超前地质预报而专门设计的，能在隧道（洞）施工、地下矿藏、洞穴和地下墓穴开挖前提供帮助，其目的在于迅速超前地提供在开挖周围及前方的三维空间的工程地质预报。
TSP法和其它反射地震波方法一样，采用了回声测量原理。地震波在指定震源点用小药量激发产生，震源点通常布置在隧道的左边墙或者右边墙，一般24个炮点布成一条直线，接收点和炮点在同一水平面。地震波以球面波的形式在岩石中传播，当遇到岩石物性界面如断层与岩层的接触面、岩石破碎带与完整岩石接触面、不同岩性接触面等波阻抗差异界面时，一部分地震信号将反射回来，一部分折射进入前方介质。反射地震信号将被高灵敏度的检波器接收，反射信号的传播时间和反射界面的距离成反比，因此可确定界面的位置。通过TSPwin软件处理，可以获得P波、S波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果，以及反射层在探测范围内的空间分布。
2 地质雷达法与TSP的比较
2.1地质雷达法与TSP的特点分析
根据郭家坝隧道勘探设计资料可知，隧道K0+798～K0+976段：K0+798～K0+860为Ⅳ级围岩，共62m；K0+860～K0+986为Ⅲ级围岩，共116m。当隧道掘进到K0+798时，按规定做了超前地质预报。
2.2 TSP超前预报结果
在预报范围K0+798～K0+976段内，由TSP反射面图可看出，主要的反射面有K0+832、K0+852、K0+902、K0+918、K0+936等里程处，围岩纵波速度总体较低，其中纵波速度在K0+902～K0+918里程段明显偏低，横波速度总体变化幅度较小。根据隧道所处区域地质背景以及TSP探测成果，推测K0+798～K0+976段围岩工程地质水文地质条件如下：
K0+798～K0+918，长130m，该段围岩反射面密集，纵、横波速度轻微变化（下降）。推断该段围岩强度较掌子面变化不大，裂隙发育，呈块状结构，中上部溶蚀发育，呈碎块状，夹泥，少量岩溶裂隙渗水。纵波速度3.6km/s，围岩级别为Ⅳ级偏弱。
K0+902～K0+918，长16m，该段围岩反射面密集。纵波速度明显下降，横速度变化较明显。推断该段围岩破碎，岩溶发育，可能发育溶洞，有少量岩溶裂隙水渗漏。纵波速度3.4～2.9km/s，围岩级别为Ⅴ级。
K0+918～K0+936，长18m，该段反射面密集，围岩纵波速度较前段升高，局部（+988±）横波速度明显偏低。推断该段围岩节理裂隙发育，溶蚀裂隙发育，局部（+988±）有少量岩溶裂隙水。纵波速度4.0～4.2km/s，围岩级别为Ⅳ级弱局部Ⅴ级。
K0+936～K0+976，长40m，该段反射面稀疏，围岩纵、横波速度均匀。推断该段围岩强度无明显变化，节理裂隙发育，溶蚀裂隙较发育，轻微裂隙渗水。纵波速度3.7km/s，围岩级别为Ⅳ级弱。
2.3地质雷达预报结果
由于勘探设计资料与TSP预报结果不符，且预报结果中K0+902～K0+918段围岩破碎，岩溶发育，可能发育溶洞，为了更准确确定郭家坝隧道围岩地质情况在用TSP法预报的同时，利用地质雷达技术，重点做好隧道掌子面的超前地址预报（每20m做一次），准确预报掌子面前方的地质情况，为安全施工提供决策依据。
根据本次所做地质雷达测线的波谱可以看出，从掌子面向前约25米范围内，即从K0+890至K0+915，整体上来看反射电磁波振幅有从强逐渐变弱的趋势，电磁波衰减较快；但是未发现明显的溶洞、暗河及断层等电磁波异常反射现象，进而推测该里程段围岩的地质情况如下：
A．掌子面前方约25米范围内，在该隧道开挖轮廓线以内的围岩中未发现明显的溶洞、暗河及断层破碎带等灾害性异常地质情况；
B．掌子面前方约25米范围内，围岩整体纵横向裂隙较为发育，并充填有粘土和中、细粒纤状变晶体，节理裂隙胶结质量较差，导致围岩破碎较为严重，呈镶嵌碎裂松散结构，局部巖体呈巨块状，围岩整体完整性和自稳性一般；拱顶及掌子面等局部破碎区易发生掉块等地质灾害，掌子面前方围岩潮湿，少量滴渗水现象。隧道开挖后自然拱不易形成，推断该段围岩级别为Ⅳ级。
3 实际揭露情况
后经开挖证实，K0+902～K0+918段实际揭露情况为围岩节理裂隙较发育，有溶蚀现象，岩体较破碎，呈镶嵌结构～碎裂结构，少量呈块状。岩面潮湿，含水量一般，主要为基岩裂隙水，岩溶不发育，围岩级别应为Ⅳ级。由此可以看出，地质雷达法在地下水及溶洞探测方面更为精准。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:地质雷达 TSP 超前地质预报
Abstract: Guojiaba tunnel adapts the TSP method and the geological radar method advanced geological forecast of the tunnel, this paper through the forecast results of the two methods of excavation and the actual situation of the comparison and analysis, this paper summarizes the characteristics of the two methods and accuracy.
Keywords: geological radar TSP advance geological forecast
中图分类号： P5文献标识码：A文章编号：
隧道概述：郭家坝隧道位于位于宜昌市秭归县境内，设计为单洞双向行车隧道，全长1843m。隧址区属构造剥蚀、溶蚀地低山区斜坡地貌，隧道轴线呈212°穿越山体，路线经过段地面高程在221m～367m之间，隧道最大埋深124m。隧道进口位于宜巴公路边坡上，边坡高约5m，坡角约60°，进口段地形总体较缓，自然坡角20°～30°，植被较发育；出口位于冲沟旁，地形较陡，自然坡角约40°。
由于隧道施工区域围岩受地下水侵蚀严重，极有可能发育溶洞、断裂破碎带等不良地质；另一方面勘察设计与实际揭露地质之间的差异较大，为防止施工中因溶洞等不良地质引发地质灾害，施工中采取了地质雷达法和TSP法相结合的超前地质预报，为工程处理措施提供依据，保障隧道内施工顺利进行。
1 地质雷达法和TSP法基本工作原理
1.1 地质雷达基本工作原理
地质雷达法又称GPR（Ground Penetraing Radar）法，GPR方法是一种用于确定地下介质分布的电磁波法。其方法原理类似反射地震勘探技术，是一种高分辨率探测方法。GPR方法是利用高频电磁波（1MHz-1GHz），以脉冲形式通过发射天线被定向地向地下发射。电磁波在地下介质中传播，当遇到存在电性差异介质的界面时，电磁波便发生反射，返回地面后由接收天线接收，并由采集系统（主机）以数字形式记录下来。
采集的数据通过处理，可以获得时间或深度剖面。根据记录到的反射波的到达时间和求得的电磁波在介质中的传播速度，来确定反射界面或目标体的深度；同时根据反射波同向轴的形态以及反射波振幅的相对强弱变化等因素来判断目标体的性质及空间规模，从而达到对地层或地下目标体的探测。
地质雷达资料的分析实际上就是对反射回来的电磁波的分析，反射电磁波的强弱取决于相应介质的相对介电常数的差异，相对介电常数差异越大，其反射的电磁波的振幅就越强。空气、水以及凝灰岩的相对介电常数分别是1、81、6～8，三者之间均有一定的差异。从理论上讲，界面反射信号的强弱及反射波同向轴的形状是判断空洞等异常的依据，反射波相位与直达波相位的关系是判断含水界面的依据。
1.2TSP基本工作原理
TSP(Tunnel Seismic Prediction)是一种新颖、快速、有效、无损的反射地震技术。它是为隧道超前地质预报而专门设计的，能在隧道（洞）施工、地下矿藏、洞穴和地下墓穴开挖前提供帮助，其目的在于迅速超前地提供在开挖周围及前方的三维空间的工程地质预报。
TSP法和其它反射地震波方法一样，采用了回声测量原理。地震波在指定震源点用小药量激发产生，震源点通常布置在隧道的左边墙或者右边墙，一般24个炮点布成一条直线，接收点和炮点在同一水平面。地震波以球面波的形式在岩石中传播，当遇到岩石物性界面如断层与岩层的接触面、岩石破碎带与完整岩石接触面、不同岩性接触面等波阻抗差异界面时，一部分地震信号将反射回来，一部分折射进入前方介质。反射地震信号将被高灵敏度的检波器接收，反射信号的传播时间和反射界面的距离成反比，因此可确定界面的位置。通过TSPwin软件处理，可以获得P波、S波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果，以及反射层在探测范围内的空间分布。
2 地质雷达法与TSP的比较
2.1地质雷达法与TSP的特点分析
根据郭家坝隧道勘探设计资料可知，隧道K0+798～K0+976段：K0+798～K0+860为Ⅳ级围岩，共62m；K0+860～K0+986为Ⅲ级围岩，共116m。当隧道掘进到K0+798时，按规定做了超前地质预报。
2.2 TSP超前预报结果
在预报范围K0+798～K0+976段内，由TSP反射面图可看出，主要的反射面有K0+832、K0+852、K0+902、K0+918、K0+936等里程处，围岩纵波速度总体较低，其中纵波速度在K0+902～K0+918里程段明显偏低，横波速度总体变化幅度较小。根据隧道所处区域地质背景以及TSP探测成果，推测K0+798～K0+976段围岩工程地质水文地质条件如下：
K0+798～K0+918，长130m，该段围岩反射面密集，纵、横波速度轻微变化（下降）。推断该段围岩强度较掌子面变化不大，裂隙发育，呈块状结构，中上部溶蚀发育，呈碎块状，夹泥，少量岩溶裂隙渗水。纵波速度3.6km/s，围岩级别为Ⅳ级偏弱。
K0+902～K0+918，长16m，该段围岩反射面密集。纵波速度明显下降，横速度变化较明显。推断该段围岩破碎，岩溶发育，可能发育溶洞，有少量岩溶裂隙水渗漏。纵波速度3.4～2.9km/s，围岩级别为Ⅴ级。
K0+918～K0+936，长18m，该段反射面密集，围岩纵波速度较前段升高，局部（+988±）横波速度明显偏低。推断该段围岩节理裂隙发育，溶蚀裂隙发育，局部（+988±）有少量岩溶裂隙水。纵波速度4.0～4.2km/s，围岩级别为Ⅳ级弱局部Ⅴ级。
K0+936～K0+976，长40m，该段反射面稀疏，围岩纵、横波速度均匀。推断该段围岩强度无明显变化，节理裂隙发育，溶蚀裂隙较发育，轻微裂隙渗水。纵波速度3.7km/s，围岩级别为Ⅳ级弱。
2.3地质雷达预报结果
由于勘探设计资料与TSP预报结果不符，且预报结果中K0+902～K0+918段围岩破碎，岩溶发育，可能发育溶洞，为了更准确确定郭家坝隧道围岩地质情况在用TSP法预报的同时，利用地质雷达技术，重点做好隧道掌子面的超前地址预报（每20m做一次），准确预报掌子面前方的地质情况，为安全施工提供决策依据。
根据本次所做地质雷达测线的波谱可以看出，从掌子面向前约25米范围内，即从K0+890至K0+915，整体上来看反射电磁波振幅有从强逐渐变弱的趋势，电磁波衰减较快；但是未发现明显的溶洞、暗河及断层等电磁波异常反射现象，进而推测该里程段围岩的地质情况如下：
A．掌子面前方约25米范围内，在该隧道开挖轮廓线以内的围岩中未发现明显的溶洞、暗河及断层破碎带等灾害性异常地质情况；
B．掌子面前方约25米范围内，围岩整体纵横向裂隙较为发育，并充填有粘土和中、细粒纤状变晶体，节理裂隙胶结质量较差，导致围岩破碎较为严重，呈镶嵌碎裂松散结构，局部巖体呈巨块状，围岩整体完整性和自稳性一般；拱顶及掌子面等局部破碎区易发生掉块等地质灾害，掌子面前方围岩潮湿，少量滴渗水现象。隧道开挖后自然拱不易形成，推断该段围岩级别为Ⅳ级。
3 实际揭露情况
后经开挖证实，K0+902～K0+918段实际揭露情况为围岩节理裂隙较发育，有溶蚀现象，岩体较破碎，呈镶嵌结构～碎裂结构，少量呈块状。岩面潮湿，含水量一般，主要为基岩裂隙水，岩溶不发育，围岩级别应为Ⅳ级。由此可以看出，地质雷达法在地下水及溶洞探测方面更为精准。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。