1、地震波法与电磁波法超前地质预报应用对比浅析摘要：油竹山隧道通过地段岩溶发育、岩体破碎，地质条件非常复杂，是贵阳至广州快速铁路控制性工程之一。施工中超前地质预报采用了 TSP203 即地震波法与地质雷达即电磁波等方法。预报过程中，发现TSP203 预报系统在判断前方破碎带和软弱层时，效果较好，可作为超前预报长距离预报的首选；地质雷达在预报前方溶洞、富水的断裂和裂隙时，效果较好，可作为超前短距离地质预报的首选。本文对比 TSP203 与地质雷达超前地质预报方法在油竹山隧道工程中的预报结果，分析影响TSP203 与地质雷达超前地质预报方法的适用性因素。 关键词：超前地质预报；TSP203；地质雷达；
2、适用性 Comparison of Application of TSP and Swedish Geological Radar of Advance Geological Forecasting Li Yongbao (China Railway Tunnel Survey&design institute,co.,LTD,Tianjin,300133) 中图分类号：P642 文献标识码：A 0 引言 在隧道施工阶段开展超前地质预报工作对确保施工安全和施工质量具有十分重要的作用。超前地质预报为施工建设提供施工前方的地质条件成为确定工程对策、工程措施的关键，是工程施工安全的前提，是控制和合理
3、运用工程投资的重要因素。 TSP203 超前地质预报预测具有距离较长、精度较高、快速、经济等优点1。地质雷达预报距离较短、精度较高、成本低等优点。本文分析油竹山隧道进口 DK81+676DK81+776 段 TSP203 与地质雷达超前地质预报方法的预报结果，分析影响 TSP203 与地质雷达超前地质预报方法适用性因素2。提高超前地质预报方法对不良地质体探测预报的精确度和分析描述的准确性，为其在岩溶多变地质环境中超前预报积累了经验。 1 工作原理 1.1 TSP 超前地质预报系统工作原理 TSP 超前地质预报系统工作原理是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掘进前方及周围临近区
4、域的地质状况，属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点（设计为 24 个炮点，通常布置在隧道左或右边墙）由少量炸药激发产生，当地震波遇岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号投射进入前方介质。反射的地震波信号被高灵敏度的地震检波器接收，数据通过 TSPwin 软件处理，再通过地质解译，从而了解隧道前方不良地质体（软弱带、破碎带、岩溶、断层、含水等）发育位置及规模3 。TSP203 超前地质预报系统原理图如图 1 所示。 图 1 TSP203 超前地质预报系统原理图 Fig.1 Schematic diagram TSP203 1.2
5、地质雷达工作原理 地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称 GPR）是利用超高频窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探方法，其工作原理4（如图 2 所示5）是发射天线向隧道掌子面前方发射电磁信号（106Hz109Hz） ，在电磁波向掌子面前方传播过程中，当遇到电性差异的目标体（如空洞、裂隙、岩溶等）时，电磁波便发生反射，由接收天线接收反射波。在对地质雷达数据进行处理和分析的基础上，根据雷达波形、电磁场强度、振幅和双程走时等参数便可推断掌子面前方的地质构造。 目标体到掌子面的距离按式（1）计算： dvt/2 （1） 式中：t电磁波的双程走时，ns； v电磁波的传播速度
6、，cm/ns。 介质中电磁波的传播速度按式（2）计算： vc0/1/2 （2） 式中：c0电磁波在空气中的传播速度，30cm/ns； 介质相对介电常数，对空气为 1，对水为 81，对石灰岩为67，对花岗岩为 49。 电磁波在介质界面产生反射就是因为两侧介质的介电常数不同，差异越大反射信号越强烈，反之反射信号越差。 图 2 地质雷达工作原理图 Fig.2 Schematic diagram of GPR 2 工程实例 2.1 工程概况 油竹山隧道为贵广铁路穿越黔南山区的重大控制性工程，设计为双线隧道。隧道进口位于贵定打铁乡筷子坡地处苗岭山脉的腹部区，隧区主山体呈东西走向，支脉向南北方向展布，线路
7、与主山体走向一致。隧道区地貌受构造及岩性控制明显，兼有溶蚀、剥蚀类型，属低中山山地地貌。预报段竹油山隧道岩层主要岩性为白云岩（O1h）：灰色、浅灰色、灰白色，中厚层至厚层状，节理较发育，岩质坚硬、性脆。属 V 级次坚石。测区在大地构造上处川黔经向构造带南段，属南北向构造体系。该构造体系由一系列南北向箱状构造之背斜、紧密向斜及同向压性断层所组成，形成典型的隔槽型褶皱。 2.2 超前地质预报 2.2.1 TSP203 预报结果 根据 TSP203 记录结果图 3、图 4，及成果分析原则6: 反射振幅越高，反射系数和波阻抗的差别越大。 正反射振幅表明正的反射系数，也就是刚性岩层；负反射振幅指向软弱岩
8、层。 若 S 波反射比 P 波强，则表明岩层饱含水。 Vp/Vs 较大的增加或泊松比突然增大，常常因流体的存在而引起。 若 Vp 下降，则表明裂隙密度或孔隙度增加。 根据 TSP203 分析原则对竹油山隧道 DK81+676DK81+776 区段进行超前地质预报。得到如下结论: D3K81+676D3K81+708 该段围岩岩体较完整较破碎，属硬岩。节理裂隙较发育，地下水不发育。 D3K81+708D3K81+736 该段围岩较完整，属硬岩。节理发育，地下水较发育，滴渗水较普遍；D3K81+728 附近可能存在股状出水。 D3K81+736D3K81+776 该段围岩岩体较破碎，属硬岩。节理裂
9、隙较发育；D3K81+745+751，+776 段附近宽张裂隙发育，地下水不发育，D3K81+776 附近可能存在线状出水。 图 3 TSP203 记录结果图(a) Fig.3 Records of the results of TSP203 （a） 图 4 TSP203 记录结果图(b) Fig.4 Records of the results of TSP203 （b） 2.2.2 地质雷达预报结果 D3K81+682D3K81+712 段:掌子面前方探测范围D3K81+682D3K81+712 段岩体整体较完整，其中在掌子面左侧与横通道衔接处岩溶裂隙水发育，此外在前方 D3K81+692
10、D3K81+699 段推测为溶蚀破碎带。如图 5。 D3K81+724D3K81+754 段:整体较完整，局部较破碎，地下水不发育，其中 D3K81+733 附近掌子面中部有岩溶裂隙水发育。如图 6。 D3K81+746D3K81+776 段:岩体整体较破碎，地下水较发育。其中：D3K81+746D3K81+763 段隧道左侧发育有竖直的溶蚀裂隙或溶蚀管道，走向与隧道大致平行，裂隙水发育。其中 D3K81+752D3K81+753 段隧道右半侧雷达波反射强烈，推测该段发育宽张溶缝或溶腔，走向大致与掌子面近平行，推测该溶缝与隧道左侧溶蚀裂隙联通，宽度约 0.5m，长度约 4m，出水量较大。如图
11、7。 图 5 D3K81+682+712 地质雷达预报结果图 Fig.5 GPR prediction results for D3K81+682+712 图 6 D3K81+724+754 地质雷达预报结果图 Fig.6 GPR prediction results for D3K81+724+754 图 7 D3K81+746+776 地质雷达预报结果图 Fig.7 GPR prediction results for D3K81+746+776 2.3 实际开挖情况 D3K81+676D3K81+700 开挖段围岩岩性为灰色白云岩，岩体整体较完整，局部较破碎，微风化,中厚层厚层，属硬岩。
12、地下水不发育。 D3K81+700D3K81+746 开挖段围岩岩性为灰白色白云岩，中厚层厚层状，微风化，节理发育，泥质充填，溶蚀现象明显，地下水较发育。 D3K81+746D3K81+776 该段为灰白色灰岩，薄层，强风化，岩体破碎。其中 D3K81+746D3K81+760 掌子面左侧下部发育宽 3m 高 3m 的溶洞，岩体破碎。地下水发育。 2.4 预报结果分析 对比 TSP、地质雷达超前地质预报方法与实际开挖情况，可得到如下结果: TSP 法超前地质预报距离较远，一般为 100 m200m，地质雷达法预报距离为 20 m30 m。 目前的地震反射波仪器对有明显波阻抗异常的地质界面，如断
13、层破碎带、软弱夹层，预报准确率高，对基于地质界面基础上发育的不良地质体的探测效果良好；但其对水的直接探测或是对与隧道平行的地质界面的探测存在一定局限性。又如电磁波法对高阻背景基础上的低阻异常效果明显，但对低阻基础上的高阻异常效果一般。其他电磁波、地震波法都有自己使用的要求和局限型。地质预报人员应该认识到这一点，以充分利用多种预测预报方法，才能正确解释复杂地质问题。 3 结论 在隧道施工过程中，运用超前地质预报技术来指导施工是很重要也是很必要的，它在很大程度上消除了施工的盲目性，确保了施工的安全进行。 TSP 超前地质预报方法适用于长距离地质预报，且预报前方破碎带位置较为准确；地质雷达超前地质预
14、报方法适用于短距离地质预报，且预报掌子面前方溶洞位置较为准确。 要清楚的认识到这两种方法都有其使用的盲区或局限性，而且有些是共性，成为我们全方位预报出掌子面前方潜在的地质灾害的最大障碍。所以，在隧道超前地质预报的实施工作中一定坚持多种物探手段的应用，结合地质背景认识通过综合分析，得出可靠的预报结论。 参考文献 1罗卫华TSP 系统在隧道工程施工地质预报中的应用和发展J中南公路工程，2006.31(6). 2汪成兵等隧道超前地质预报技术及应用J水文地质工程地质，2007(1)：120122 3詹龙飞.TSP 技术在隧道超前地质预报中的应用J铁道勘察，2011（2）：72-73. 4郑维忠.地质雷达原理及其在隧道超前地质预报中的应用.山西建筑，2007.33（24）:308-309. 5蒋家龙，方必量地质雷达在岩溶地区岩土工程勘察中的应用J安徽地质，2008.18(4). 6陈广勋TSP 超前地质预报法在隧道工程中的应用J路基工程，2009(1).
