摘要：該研究通過工（gōng）程實（shí）例綜合使用了TSP超前預報與地質雷達（dá）綜合應用，介紹了超前地質預（yù）報中地質雷達（dá）的工作原理與應用方法、地質雷達布線方法以及雷（léi）達探（tàn）測結（jié）果及TSP隧道超前地質預報中地震（zhèn）勘探的工作原理與應用方法。結（jié）合二（èr）者在數據獲取、處理等方麵的優勢，保證了隧道的安全快速施工。
        關鍵詞：TSP；地質雷達；隧道；超前地質預報
        0 引（yǐn）言
        近年來我國基礎設（shè）施建設尤其（qí）是中西部地區公路和鐵路建設（shè）高（gāo）速發展。其中，隧道工程由於其在道路建設中的重要性，進一步引起人們的重視。為了滿（mǎn）足隧道工程中安全性與施工進度，就要對隧道內的地質信息（xī）進行超前地質預報。對於隧道施工中可能產生的安全性（xìng）問（wèn）題，超前地質預報能夠分（fèn）析所（suǒ）需的施工前方圍岩與地層（céng）情況[1，2]。爭取在施工前掌握岩土體性質、狀態等地質信息，為進一步的施工提出建議，防止在施工過（guò）程中發生湧水、岩爆（bào）等地質災害，從（cóng）而實現施工安（ān）全高（gāo）效的進行。隧道地震波法（tunnel seismic prediction，簡稱（chēng）TSP）是隧道超前地質預報的重要方法[3，4]。該方法通過（guò）高精度的接收儀器獲取爆破所產生的地震波信號（hào）並通過計算機（jī）軟件（jiàn）初步探查（chá）前（qián）方圍（wéi）岩（yán）性質、節理裂隙分布、及含水狀況（kuàng）等；地（dì）質雷達法具有簡單實（shí）用（yòng），精度較高（gāo），可用（yòng）來查明斷層破碎帶、滑坡麵（miàn）、岩溶（róng）和（hé）土洞，適合在超前地質預報中進行短距離探測，根據處理（lǐ）後的雷達圖像（xiàng）可以直（zhí）觀的得出工程所需的地質信息[5，6]。
        1 隧道地震波法（TSP）與（yǔ）地質（zhì）雷達預報原理
        （1）TSP預報原理
        周家山隧道預報采用瑞士安伯格公司生產的最新型（xíng）號的TSP203 plus 隧道地質超前預報係統。TSP測量係統（tǒng）是通過在掌子麵後方一定距離內的鑽孔中以（yǐ）微震爆（bào）破來發射信號的，爆破引發的地震波在岩體中以球麵（miàn）的形式向四周傳播（bō），其中一（yī）部分向隧道前方傳播（bō），經隧道前方的界麵反射回來，反射信號經接受傳感器轉換成電信號並（bìng）放大[3，4]。從起爆到發射信號被接收（shōu）的這段時間是與反射麵的距離成比例的（de）。通過反射時間與地震波傳播速度的換算就可以將反射麵的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進麵的距離確定下來，同時還可以將隧道中存在（zài）的岩性變化帶的位置方便的（de）探測出來。振動波由在特定位（wèi）置人為製造的小（xiǎo）型爆破產生，一般是沿隧道一側洞壁布置（zhì）24個爆破點，爆破點平行於隧道（dào）底麵呈直線排列，孔距1.5 m，孔深1.5m，炮孔垂直於邊牆向下傾斜（xié）10~15°，以利於灌水堵孔。距最後（hòu）的爆破點15~20 m處設（shè）接收器點（diǎn）（在一側或雙（shuāng）側），接收器安裝孔的（de）孔深2 m，向上傾斜15度，內置接收傳感器。

        圖1 TSP隧道超前地質（zhì）預報布孔要求
        在測量過程中，逐次引爆爆破點的炸藥（yào）（約50-150g，根據（jù）圍岩（yán）不同適時調整），製（zhì）造出小型地（dì）震波，地震波遇到節理（lǐ）麵、地層層（céng）麵、破碎帶界麵和溶（róng）洞、暗河等不良地質界麵時，將產生反射波，反射波的強度及傳送時間反映了相關界（jiè）麵的性質、產狀、距離接收（shōu）點的距離。利用TSPwin軟件對采集的TSP數據進（jìn）行處理，獲得P波、SH波、SV波的時間剖麵、深（shēn）度偏移剖麵和反射層提取以及岩石物性參數等一係列成果。在成果解釋中，以P波資料為（wéi）主對岩層進行劃分，結合橫波資料對地質現象進行解釋。解釋中，遵循以下準則：
        ① 正反射振幅表明硬岩層，負反射振幅表明（míng）軟岩層。
        ② 若S波反射（shè）較P波強，則表明（míng）岩層飽含水（shuǐ）。
        ③ Vp/Vs增加或δ突（tū）然增大，常常由於流（liú）體（tǐ）的存在而引起。
        ④ 若Vp下降，則表明（míng）裂隙或孔隙度增加。
        （2）地質雷達原理
        地質雷達（Ground Penetrating Radar（GPR））是一種利用高頻電（diàn）磁波探測地下（xià）物體的電子設備。地質雷達通過發射天線（xiàn）發射中心頻率為12.5M至1200M、脈衝寬度（dù）為（wéi）0.1 ns的脈衝（chōng）電磁波訊號。當這一訊號在（zài）岩層（céng）中遇到探測目標時，會產生一個（gè）反射訊號。直達訊號（hào）和反射訊號（hào）通過接收天線輸入到接（jiē）收機，放大後由示波（bō）器顯示出來（lái）。根據示波器有無反射汛（xùn）號（hào），可以判斷有無被測目標；根據反射訊號到達滯後時間（jiān）及目標物體平均反射（shè）波速，可以大致計算出探測目標的距離[7-9]。
        2 工程概況
        周家灣隧道是擬建銀川至北海（hǎi）高速公（gōng）路建始（隴裏）至恩施（羅針田（tián））段（duàn）上的一座分離式隧道。起訖裏程樁號：左隧道ZK95+377～ZK97+815，長2438m，右隧（suì）道YK95+415～YK97+819，長（zhǎng）2404m，為長隧道。隧道最大埋深約（yuē）246m，洞軸線方位（wèi）角210°；單洞淨空10.50m×5.0m，進口洞門均采用端牆式（shì），燈光照明（míng），機械通風。隧道地（dì）表土層為坡積（Q4dl）粘（zhān）性土和碎石、崩積坡積成因的粘性土（tǔ）和塊石土（Q4c+dl），岩（yán）層為誌留（liú）係中統紗帽組（S2s）粉砂岩、粉（fěn）砂岩夾石英細砂岩、炭質灰岩、斷層角礫岩，二疊係下統（tǒng）棲霞組（P1q）灰岩、炭質灰岩、含炭鈣（gài）質頁岩、薄煤層、茅口（kǒu）組（P1m）微晶（jīng）灰岩（含燧石結核）、上統（tǒng）吳家（jiā）坪組（P2w）炭質頁岩、大隆組（P2d）炭質（zhì）頁岩夾矽質岩，三疊係下統大冶組（T1d）灰岩、灰岩夾頁岩、底部頁岩夾灰岩，主要為灰（huī）岩易（yì）發（fā）育溶洞（dòng）等不良地質體。
        3 TSP超前探測
        （1）探測結果
        用TSPwin軟件對接收到的地震波信（xìn）號進行處理，得到掌子麵前方岩體（tǐ）波速、界麵及岩體物（wù）性參數等成果（guǒ）。（表1，圖2）。

        圖2 地震波處理（lǐ）結果（左：P波提（tí）取的反射界麵 右（yòu）：2D結果（guǒ）顯示（shì）與岩體物性圖）
      
     （2）該段施工建（jiàn）議
        綜合（hé）TSP探測結果及地質資料（liào）分析，預報段總體情（qíng）況如掌子麵揭露所見，中-微風化灰岩，局部夾雜泥質，其中YK96+284~YK96+280、YK96+274~YK96+270段、YK96+270~YK96+256段、岩（yán）體較破碎，節理裂隙及岩溶裂隙發育，圍岩強度降低，含有裂隙。施工（gōng）時應結合TSP超前預報結果和掌子麵圍岩揭（jiē）露情況，可能存在異常段要注意防止塌方（fāng）等工程事故的發生（shēng），保證隧道施工安全。
        4 地質雷達探測
        （1）地質雷達（dá）測線布置
        2018年12月13日，周家灣隧道出口（kǒu）YK96+215掌子麵開展（zhǎn）了一次短（duǎn）距離地質雷達探測工作（zuò），采用（yòng）天線頻率為100MHz，采集樣本點為1024。
        （2）地質雷達探測成果
        本次地質雷達探測距（jù）離為（wéi）30m，裏程樁（zhuāng）號範圍為YK96+215~YK96+185，處理後雷（léi）達（dá）圖（tú）像如圖（tú）3。結合現場地質情況分析，具體探測結論描述如下：
        ①掌子（zǐ）麵前方YK96+214~YK96+202中部至（zhì）右側（cè）範圍內信號紊亂，根據雷（léi）達信息特征，推測該處圍岩受風化作用影響強烈，圍岩（yán）相對較破碎（suì），節理（lǐ）裂隙發育且存（cún）在較大（dà）裂隙或細小（xiǎo）空洞，局部夾雜泥質，易發生（shēng）脫（tuō）落掉塊，施工時應注意安全（quán）防範措施。
        ②掌子麵前方YK96+211~YK96+209範圍內左側3m雷達（dá）反應強烈（liè），根據雷達特征，推測該處圍岩破碎，膠結能力較差，成分主要由土夾石組成。施工時應注意塌（tā）方掉塊。

        圖3 測線處理結果圖
        （3）該段施工建議
        該段圍岩以中風化灰岩為主，圍岩完整性較好，岩體較破碎，局部節理裂（liè）隙發育，可能存在小型溶洞，裂隙中夾雜泥質及裂（liè）隙水。需要說明的是，掌子麵凹凸不平及（jí）施工現場的金屬物對（duì）雷達探測結果（guǒ）有一定影響。因此，根據分析結果，反應（yīng）異（yì）常區建議（yì）做好防範措施（shī），施（shī）工時（shí）應（yīng）施作超前炮孔和超前水平鑽，注意掌子麵地質變化情況，注意現場施工安全，確保施工（gōng）質量和安全（quán）。
        5 結論
        周家灣隧道同時（shí）采用TSP超前預報與地質雷達共同探測，分別探測YK96+380~YK96+250段落與YK96+215～YK96+185段落（luò），並就探測結果給出（chū）了施（shī）工建議（yì）。通過長程預報與短程預報相結合極大（dà）的提（tí）高了隧道施工的（de）預報精度與施工安（ān）全性，提高了施工效率。