公路隧道的超前地质预报检测

公路隧道的超前地质预报检测

袁浩

广信检测认证集团有限公司

摘要：针对隧道超前地质预报，常用的超前地质预报方法主要有：地质雷达法、瞬变电磁法、TSP203超前地质预报系统、Beam超前地质预报系统、超前水平钻探法、TRT超前地质预报系统等。以上超前地质预报方法中，TRT技术具有三维层析成像的特点，这一点是其他地震波成像方法所不具备的，因此能够立体直观地呈现出掌子面前方的不良地质情况。TRT技术地震波三维层析成像采用三维布置的方法。通过采集地震波反射的信号，构建出掌子面前方岩体的三维构造，能够比较清晰地呈现掌子面前方的不良地质情况，预测精度较高[8]。本文主要分析公路隧道的超前地质预报检测。

关键词：TRT超前地质预报；三维层析成像；软岩隧道；隧道检测

引言

近年来，各种高难度隧道工程不断涌现，大大增加了隧道开挖施工难度，同时也对地质勘察工作的要求不断加大。因此，为了能够提前预知隧道开挖过程中掌子面前方地质构造类型，超前地质预报技术便成为用来探测隧道掌子面前方围岩中是否存在地质病害的重要手段之一。超前地质预报方法包括地质调查法、超前导洞法、超前钻探法以及物探法等多种方法。其中，物探法作为一种间接的勘测方式，其以准确高效、成本低廉、不会对隧道掌子面的施工造成影响，并且也不会破坏隧道内的地质环境等优点在隧道的超前地质预报中得到广泛的应用。

1、TRT法技术原理

TRT超前地质预报技术的全称是“真正反射层析成像技术”（TrueReflectionTomography，简称TRT），由美国NSA工程公司在近年来研发的。当在隧道掌子面后方通过锤击震源点激发地震波时，激发的地震波会以球面波的形式进行传播。当地震波遇到声学阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。在地震波处于地层岩性或岩体不连续界面时，声学阻抗会发生变化。通过在掌子面后方立体布置的无线模块，接收反射波信息并将其数字化，并无线传输给基站。反射波中声学阻抗包含了掌子面前方不良地质体的情况。该技术是由美国NSA工程公司开发的隧洞地质超前预报方法。该方法采用空间多点激发和接收的观测方式，充分获取隧洞掌子面及附近空间地震波场信息，利用速度扫描和偏移成像技术，通过三维成像来预报掌子面正前方及隧道中心线上下和左右各50m立体空间范围内的岩体情况，确定掌子面前方地质异常体的性质、位置及规模，以此对掌子面前方的地质情况进行长距离预报。TＲT技术的基本原理是当人工激发的地震波遇到声学阻抗差异(密度×波速)界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质，反射回来的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面，反射体的尺寸越大声学阻抗差异越大，回波就越明显，越容易被探测到。通过对反射波信息进行处理和分析，可解译出隧道掌子面前方的围岩情况，主要包括断层、破碎带、软弱带，岩溶、富水区等不良地质体的位置和规模。

2、钻爆法隧道TＲT预报系统

常规的钻爆法开挖中，岩体裸露、洞内视野较好，震源点的激发、检波器的安装以及坐标的采集就相对简单。

2.1震源点激发

TＲT系统采用锤击震源进行激发，把触发开关绑扎在锤头上，通过触发线与主机相连接，采用回路触发方式，触发与采集同步进行。采集信号时，用锤头直接锤击岩体表面即可进行激发。

2.2检波器安装

在传统的钻爆法施工隧道中，只需要通过8mm左右的电钻打6cm深的孔，在固定块上抹上膨胀性快干水泥，把固定块固定在隧道边墙和洞顶表面，传感器通过螺丝安装在固定块上，从而实现传感器和岩体的紧密耦合，该方法简便易于操作。

2.3大地坐标系统

在资料处理的过程中需要建立隧道勘测布置图，因此需要震源点和检波器接收点等点位的三维坐标信息，一般情况下，采用全站仪直接测量出所需点的大地坐标即可。在钻爆法开挖施工的隧道中，由于洞内设备较少，对以上点位的影响较小，可以直接进行测量。

3、TBM隧道TＲT预报系统设计

3.1由于TBM隧道与钻爆法

隧道开挖方式不同，TBM管片之间的衔接安装无法使岩体裸露出来，而且TBM掘进机本身结构复杂，安装管片所构成的封闭结构使得岩体被隔离，震源点和检波器的安装难度较大;同时由于TBM机设备复杂，震源点和接收点的位置容易被各种设备阻挡，难以用全站仪测量出各个点位的大地坐标，这给建立隧道勘测布置图增加了困难。本文结合TBM掘进机的结构特点，通过对TＲT超前地质预报系统在震源激发、检波器安装等方式上进行改进创新，同时在数据处理过程中引入相对坐标系统代替大地坐标系统，在TBM隧道中取得了良好预报效果。

3.1激发装置的改进

在钻爆法施工隧道中，只需要人工锤击表面的岩体进行激发，方便快捷。但在TBM掘进机中，仅在刀盘附近的伸缩缝和空压锤处能够看到岩体，伸缩缝一般情况下处在关闭状态，关闭状态下缝隙狭小，仅有10cm宽，并且附近设备较多，难以直接锤击激发。TBM空压锤处有约20cm×20cm的空间能够直接看到岩体，由于附近有空压锤的阻挡，也难以直接锤击激发。通过现场多次试验，用空压钻在管片定位孔上钻孔，然后加工实心铁棒，把实心铁棒放到定位孔中与岩体紧贴，通过锤击实心铁棒进行激发，效果良好。

3.2开挖对比

对于本次预报后的地质掘进情况，研究小组人员进行了现场跟踪。在掘进至K10+076m时，掌子面在掘进过程中经常出现掉块、塌落现象，出渣以块状为主，掘进参数异常。在K10+076m～K10+246m段，地质条件差，掘进过程中先后出现数次伸缩盾、尾盾甚至全盾卡机事故。受TBM施工机械设备特点和掘进速度影响，观察空间有限且无法连续收集地质信息，仅能从刀盘间隙、侧窗、伸缩盾缝隙进行岩壁观察，同时收集岩渣特征、地下水特征和掘进参数。渣体观察时，K10+100m处以前渣体以块状为主，约占70%～80%;K10+100m以后渣体以粉状为主，少见块状，未见片状。根据现场开挖掘进情况以及收集揭露的地质资料来看，地质超前预报效果理想，与开挖揭露的地质情况吻合度高，EH4剖面中的异常段在本次预报中也得到了印证。过现场地质条件与预报成果比对表明，TRT与TST技术预报精度均能够满足施工安全需要。这2项技术在预报围岩破碎带、裂隙发育、岩体强度等与实际有着较高的吻合。TRT技术现场采集通过空间布设震源点和检波器，利用无线传输方式进行数据获取，得出地质异常体三维边界信息和内部波阻结构信息，较容易对地质异常体性质做出判断；现场数据采集便捷，数据采集时间大大缩短。TST技术在进行数据分析提取有效信号时，采用了波场分离技术，保证了预报可靠性；采用隧道双侧观测系统，其走时数据能同时确定围岩波速分布和界面位置；率先将方向滤波技术引入隧道超前预报中，可有效提取反射波，确保了信号的可靠性。

结束语

TRT超前地质预报技术作为一种隧道超前地质预报方法，能够直观地展现出掌子面前方不良地质体的情况，指导隧道施工。这是其独特的优势所在。然而，TRT超前地质预报技术作为一种地震波长预测的方法，也有一定的局限性。如果结合地质勘察资料，以TRT地震波长预报为主，在异常区域辅以地震雷达等短预报法进行加强预报，那么超前预报效果将会更好。

参考文献：

［1］伍小刚.隧道超前地质预报物探方法选择与解译阈值研究[D].成都：成都理工大学，2020.

［2］杜添.基于地质雷达的米仓山隧道超前地质预报应用研究[D].成都：西南石油大学，2017.

［3］许彦斌，赵志飞.基于瞬变电磁仪的公路隧道施工超前地质预报[J].公路工程，2011，36（6）：116-119.

［4］韩侃，王秉勇.TSP法超前预报数据分析及探测技术研究[J].铁道工程学报，2020，37（3）：72-77.

［5］冯春萌，邵羽，梁铭，等.水平钻探在山区隧道超前地质预报中的应用研究[J].公路，2020，65（9）：296-303.