TSP、地质雷达围岩超前预报对比研究

总第２５９期　２０１３年第４期　交通科技　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．２５９　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１３　ＴＳＰ、地质雷达围岩超前预报对比研究　刘　海　（广东天衡工程建设咨询监理有限公司武汉管理中心　武汉４３００６３）　摘　要　以六武高速公路新开岭隧道掌子面出现涌水时采取ＴＳＰ与地质雷达２种地质超前预报　技术对前方围岩进行地质预报为例，对应用２种物测技术探测所得到的结果进行比较分析，以确　定２种探测技术各自的优劣，以及如何在以后的工程探测中使２种仪器能很好地相互印证，确保　地质预报结果的准确。　关键词　超前预报　地质雷达ＴＳＰ反射信号　纵波　横波　山岭隧道施工的关键在于及时了解掌子面以　左边，在这种情况下，在面对掌子面的方向，炮点　应布设在隧道的左侧。如果对隧道的前方围岩地　质情况不太了解，经济且能更清晰地探测到隧道　两侧围岩的做法是使用１个炮点剖面和２个接收　单元。对于隧道地质条件极为复杂的情况，则建　议在隧道两侧使用２个炮点剖面进行ＴＳＰ探测，　这样就可以仔细检查和对比所有的采集数据和预　报结果＿１］。　２地质雷达探测技术　２．１基本原理　及掌子面前方的围岩信息，针对不同的围岩情况　采取不同的衬砌参数和施工工法，这也是新奥法　施工的精髓所在。目前，ＴＳＰ、地质雷达仪作为２　种探测掌子面前方围岩情况的探测工具已经在隧　道工程的施工中得到了越来越广泛的应用。本文　就如何发挥这２种仪器各自的长处，弥补它们的　短处，将２种探测结果进行比较分析，综合研判前　方围岩情况，更好地为隧道工程施工服务展开　探讨。　１　ＴＳＰ超前预报技术　１．１基本原理　利用地质雷达仪这样一个高频电磁波探测场　源。由发射天线向地下介质发射一定中心频率的　高频电磁脉冲波，接收天线则接收来自地下介质　界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、　电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几　何形态而变化。因此，根据接收到的波的旅行时　ＴＳＰ超前预报是一种通过人工激发一系列　地震波，然后采集地震波在不同介质岩面产生的　回波，用软件对回波进行分析，进而对前方围岩进　行判断的技术。　１．２　ＴＳＰ探测仪　目前现场使用最多的ＴＳＰ超前探测仪器是　ＴＳＰ　２０３系统。ＴＳＰ２０３系统主要由记录单元、　接收单元及附件和爆炸装置组成。　间、幅度与波形资料来判断介质的内部结构。地　质雷达在进行围岩超前预报时所使用的天线频率　为１００　ＭＨｚ。　具体的电磁波演算公式如下：　１．３　ＴＳＰ野外操作　在使用ＴＳＰ２０３探测时，在隧道的左边墙或　右边墙布设１条测线，炮点以一定间隔沿测线布　电磁波的传播速度　一ｃｏ／√ｅ　界面埋深ｈ—ｔｖ　／２　（１）　（２）　电磁波反射系数　Ｒ　一（￣／￡卜１一√ｅ　）／（￣／￡　１＋￣／￡　）　（３）　式中：Ｃ。为电磁波在真空中的传播速度，ｍ／ｓ；　置；然后，使用小药量炮激发人工地震。通常情况　下，数据采集可以在隧道任一边墙上单一的炮点　剖面上完成。如果潜在的断层最先出现在隧道的　收稿日期：２０１３－０３—１５　为第ｉ层介质的电磁波传播速度，ｍ／ｓ；ｅｉ为第ｉ　层介质的介电常数；ｈ为界面埋深，１２１；ｔ为电磁波　双程走时，Ｓ。　２０１３年第４期　刘　海：ＴＳＰ、地质雷达围岩超前预报对比研究　通过上述公式就可以求出被探测物体内各介　质的位置以及构造情况，从而对围岩情况进行判　断，对下一步施工提出指导意见Ｌ２］。　２．２设备组成　目前工程现场使用最多是美国的ＳＩＲ一２０型　地质雷达仪。它主要由主机、天线、笔记本电脑与　电缆线４部分组成。　２．３测线布置　地质雷达在进行隧道围岩超前预报时，雷达　测线一般布置在掌子面上，也可以根据需要布置　在两侧边墙的裸露围岩上。测线布置方式为横竖　各２条，呈井字形布置。测线面积要尽量覆盖掌　子面。　３工程实例　六安至武汉高速公路新开岭隧道位于六安市　金寨县古碑镇槐树湾乡境内，为一座上、下行分离　的４车道高速公路曲线特长隧道，隧道左线起讫　桩号为ＺＫ３１＋１９０～ＺＫ３４＋３８７，全长３　１９７　ｍ，　右线起讫桩号为ＹＫ３１＋１８５～ＹＫ３４＋４１４，全长　３　２２９　１ＴＩ。　新开岭隧道六安端左线掘进到ＺＫ３２＋２８０　处时，掌子面中部偏右距离拱顶位置沿炮眼出现　涌水，流量约６．２　ｍ。／ｈ。由于隧道掘进方向为反　坡段，掌子面距离隧道洞口高差达１５　ｍ，排水不　畅，引起隧道积水，掌子面附近的积水深度达１．４　ｍ左右，隧道积水长度达１００　ｍ，致使隧道无法施　工而停工。　新开岭六安端左线ＺＫ３２＋２８０掌子面围岩　为微风化花岗岩，整体呈红色～褐红色，岩面较　新鲜，岩质较坚硬，经敲击声音清脆，大多节理　宽度小于１　ｍｍ，结构面为闭合状。节理２组，节　理间距０．４～０．７　ｍ，产状分别为２６８。　７４。，　１１３。　７５。。隧道走向为２６５。。根据现场勘察，该　段围岩为Ｉｌｌ级围岩。为了探明掌子面前方地下　水的情况，同时判断前方是否存在不良地质构造。　现场监测项目部分别使用了ＴＳＰ、地质雷达仪对　ＺＫ３２＋２８０前方围岩进行了超前预报。　４　ＴＳＰ、地质雷达仪探测结果分析　４．１　ＴＳＰ探测结果　通过对采集的ＴＳＰ数据的处理，获得Ｐ波，　ＳＨ波，ＳＶ波的波速、深度偏移剖面、反射层面等　系列围岩参数成果，见图１、图２。　／１　几厂ｈ．Ｊ　：　，４　＾一１．１　。Ｉｊｕ－Ｉ　图１地震波在围岩中传播的各项参数图　深度／ｍ　图２地震波２Ｄ反射面图　图１中标注１为横波波速显著减小而纵波波　速几乎无变化区域。由于纵波与横波波速的改　变，同时又造成了标注２纵波与横波比值的显著　变化。因为横波具有在流体面发生全反射，且在　流体内几乎不传播的性质，因此根据如标注１，２　的变化，推断该区域为富水区域。　从图２中可以看到３道斜向右上方的强反射　面。从反射符号上可以判断为强横波反射。由于　在该处未发现纵波反射，而横波又有在液体表面　几乎全反射的特性，因此判断上述３处为水流　通道。　综合波速、泊松比、密度等参数，最后得ＴＳＰ　探测结果如下：　（１）在距隧道轴线２９，３２，４１　ｍ处有较强的　反射波以４３。～４５。夹角从右而人与隧道轴线相交　于ＺＫ３２＋３００，＋３１０，＋３２９处，大致近南北走　向，倾角近乎直立。　（２）在探测范围ＺＫ３２＋２８０￣ＺＫ３２＋３８０段　内，由ＴＳＰ反射面图可看出，前段纵横波反射波　较强。在纵横波比值曲线上显示ＺＫ３２＋３００～　ＺＫ３２＋３４７段纵、横比值起伏明显，尤其ＺＫ３２＋　３２９处，纵波速度升高，横波降低，推断该段为富　水构造破碎带。　（３）根据ＴＳＰ探测成果和工程地质条件，推　测ＺＫ３２＋２８０～ＺＫ３２＋３８０段围岩工程地质水　总第２５９期　交通科技　Ｓｅｒｉａ１　Ｎｏ．２５９　２０１３年第４期　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　８Ｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１３　超高韧性水泥基复合材料在隧道　二次衬砌中的应用分析＊　豆红强　王福建。　韩同春　（１．浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心杭州　３１００５８；２．浙江大学交通工程研究所杭州　３１００５８）　摘要超高韧性水泥基复合材料（ｕＨＴｃｃ）以其良好的延性和多裂缝稳态开展性能，近年来受　到工程界的青睐。通过建立模拟隧道空间开挖的二维有限元模型，对由ＵＨＴＣＣ和普通混凝土构　成的二次衬砌的内力、安全系数以及洞周位移等进行了对比分析，研究了二次衬砌厚度变化对其　安全系数和结构稳定性的影响。计算结果表明，二次衬砌结构的安全系数随衬砌截面厚度呈非线　性增加，由于ＵＨＴＣＣ具有低刚度、高韧性的特点，在同等条件下，ＵＨＴＣＣ材料的二衬支护结构　的安全系数较普通混凝土材料提高２～３倍。　关键词　ＵＨＴＣＣ隧道二次衬砌　截面厚度　安全性　１　引言　出现渗漏水现象＿】］。所以为保持隧道二次衬砌的　安全储备，在隧道设计中往往采用较厚的衬砌层，　隧道衬砌作为永久支护结构，其投资约为隧　但这势必导致开挖量、施工难度的增加，并最终大　道全部投资的１／４～１／３。通常情况下，隧道二次　大增加施工成本。为此众多学者对隧道衬砌材料　衬砌常采用整体模筑混凝土结构，常规混凝土的　做了大量的研究，贺少辉等ｌ＿２　针对复合式衬砌在　抗拉伸变形能力较低，易出现裂缝，且带裂缝工作　施工、承载和防水方面存在的问题，基于小团山隧　性能较差，进而导致衬砌混凝土的开裂破坏，衬砌　道系统地研究了隧道湿喷纤维高性能混凝土单层　＊浙江省重点科技创新团队（２０１０Ｒ５００３４）资助　收稿日期：２０１３－０３—１８　４．５　ＴＳＰ与地质雷达仪超前预报优缺点分析　尤其是在对反射面位置的确定上。　从对两者探测的结果分析比较来看，ＴＳＰ与　地质雷达仪具有各自的优缺点。　５　结语　（１）ＴＳＰ的优点在于能计算出地震波在围岩　通过对ＴＳＰ、地质雷达仪探测结果进行的比　不同段落的传播速度，因此可以求出围岩的各项　较分析，可以看出ＴＳＰ与地质雷达２种探测技术　岩性参数，对围岩进行分级。而且由于地震波波　在进行围岩超前预报时存在优势互补，如果在探　速是实测的结果，因此能更准确地确定各反射层　测时能同时运用２种物探手段，综合分析探测结　的位置。比地质雷达根据经验电磁波波速确定反　果，将大大提高围岩预报的准确性。　射面位置精确度更高。在ＴＳＰ与地质雷达对裂　隙等结构面反射位置存在争议时应以ＴＳＰ所确　参考文献　定的位置为准。ＴＳＰ的缺点则在于无法对结构　面在掌子面的具体分布位置作出详细描述。　Ｅｌｉ　内根斯多夫．ＴＳＰ　２０３ｐｌｕｓ野外操作及数据采集手　（２）地质雷达的优点在于操作灵活，探测时　册［Ｍ］．瑞士：安伯格技术公司，２００８．　Ｅ２］李大心．探地雷达方法与应用ＥＭ］．北京：地质出版　能对掌子面不同区域进行探测，因此能对裂隙等　社，１９９４．　结构面在掌子面的分布情况作出较详细的描述。　Ｅ３］李之达，黄彬，王花平．公路隧道初期支护结构与　缺点在于无法探测出围岩的各项物理参数，无法　围岩特性分析ＥＪ］．武汉理工大学学报：交通科学与　对围岩进行分级，同时探测的精度没有ＴＳＰ高，　工程版，２０１１（２）：２１９—２２２．