TST和地质雷达法在隧道超前预报过程中的组合应用.pdf

-56-TST 和地质雷达法在隧道超前预报过程中的组合应用苏于水1，张 旭2，马明畅2，王振军2（1.兰陵县农村公路事业发展服务中心，山东 临沂 277700；2.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031）摘要：以三峰山隧道为依托，研究了TST和地质雷达在地质预报过程中的组合应用，得出结论：采用地质雷达对隧道洞身展开短距离预测能够有效弥补TST地质预报在短距离方面的不足；TST地质预报系统能够对隧道掌子面前10倍导洞宽度的距离展开预报，提高了施工效率；运用地质雷达法可以实现隧道短距离精准预测，并基于此优化每次循环参数；地质预报的组合应用成功预测了掌子面前方的破碎围岩与孤石。关键词：隧道工程；超前预报；TST；地质雷达中图分类号：U452.1文献标识码：ACombined application of TST and geological radar method in tunnel advanced prediction processSU Yushui 1,ZHANG Xu 2,MA Mingchang2,WANG Zhenjun 2（1.Lanling County Rural Highway Development Service Center,Shandong Linyi 277700 China;2.Shandong Transportation Institute,Shandong Jinan 250031 China）Abstract:BasedontheSanfengshantunnel,thecombinedapplicationofTSTandgeologicalradaringeologicalpredictionprocesswasstudied,andthefollowingconclusionsweredrawnthatusinggeologicalradarforshortdistancepredictionoftunnelbodycaneffectivelycompensatefortheshortcomingsofTSTgeologicalpredictioninshortdistance.TheTSTgeologicalpredictionsystemcanpredictadistanceof10timesthewidthofthepilottunnelinfrontofthetunnelface,improvingconstructionefficiency.Theuseofgeologicalradarmethodcanachieveprecisepredictionoftunnelshortdistance,andoptimizetheparametersofeachcyclebasedonthis.Thecombinationapplicationofgeologicalpredictionhassuccessfullypredictedthefracturedsurroundingrockandsolitaryrocksinfrontofthetunnelface.Key words:tunnelengineering;advanceforecast;TST;geologicalradar0 引言在我国交通运输网络建设过程中，公路、铁路、水运涵洞等隧道的数量日益增多，其中针对隧道工程的地质勘察与超前预报是保证隧道工程安全施工的前提条件。周轮等1预测了隧道地质预报未来趋势，研究了雷达处理图像上不同干扰因素的表现特征与识别方法。赵俊杰和李妮2对雷达法地质预报的注意细节及操作需求做出了详述。苏涛等3提出了岩溶地区地质预报干扰波形的特点及解决办法。曹旭华等4-7介绍了地质雷达法在各项工程实例中的应用情况，且分析了其重要性。杜添8对不同围岩等级和各地质体雷达图像解译标志进行了研究。张楠等9运用地质雷达和现场地质资料，证实了雷达在节理破碎、溶洞、积水等不良地质体探测方面的可靠性。张细宝10对掘进过程中易发问题和掘进过程超前地质预报、掘进参数确定、防螺机喷涌及防漏水措施等隧道下穿河流的关键技术进行了研究。谷江洪和申康路11介绍了TST（TunnelSeismicTomography）在不同隧道中的应用，证实了该技术的可靠性。王宇等12发明了一种TST超前地质预报检波器安装装置，有效提高了检波器的安装效果和测量精度。王志军13研究了不同地质预报方法的组合办法，并验证了其精确性。现有研究针对多种超前地质预报的应用方法、基金项目：山东省交通运输厅科技计划项目，项目编号：2021B40。收稿日期：2022-11-14作者简介：苏于水（1972），男，山东临沂人，高级工 程师。2023 年第 4 期山东交通科技-57-原理等都做出了详细分析，且将其付诸于工程实践，验证了其良好的应用效果，但是单一的地质预报仍然有各自的局限性，通过多种超前预报的组合应用能够有效地解决上述局限性。介绍TST超前地质预报系统与地质雷达在三峰山隧道的组合应用，对其预测效果展开分析，为类似工程提供借鉴。1 工程概况拟建兰陵路东延全线工程项目位于兰陵县神山镇、磨山镇，路线分南北段和东西段。其中三峰山隧道围岩等级为级，岩石节理裂隙较为发育，主体采用CRD法开挖。为分离式超小净距隧道，左右线净距约7.58.5m。隧道左线长370m，右线长370m（含向东段延伸的30m），净宽18.0m，净高5m。2 超前预报机理分析2.1 TST 逆散射成像机理分析TST采用逆散射地震偏移成像技术。该技术对观测角度无要求，适合对狭长空间地质进行预报，相对于反射法，其工程实用性更强，且精度更高。TST数据处理可以采用波场分离，将数据进行有效剥离，去除干扰信号，见图1。波场分离上方界面横波 Zsv横波Zsh纵波 Yp纵波 Xp横波 Ysv横波 Ysh横波 Xsh横波 Xsv侧向界面前方界面XYZ三分量检波器隧道图 1 波长分离原理2.2 MALA 地质雷达预报机理分析探地雷达法（GroundPenetratingRadarMethod）是一种地球物理探测方法，利用反射电磁波探测目标体空间位置和分布。其根本原理是通过电磁波在不同结构中的传播速度与在不同地质体分界线上的回波来确定不良地质体的位置和形状。其目标体探测原理见图2。XdtX（a）孤立体XXd层t（b）层面体图 2 基本目标体探测原理2.3 预报方法2.3.1 TST预报方法TST观测系统的具体点位布设方法见图3。主机触发器炮 1炮 8炮 7炮 6 炮 5炮 2炮 3 炮 4掌子面16 16 16 16 16 16 检 1检 5检 8检 7检 4检 2检 3检 64 4 4 4 4 4 4 4 4 4 图 3 TST 点位布设方法/m（1）打孔要求（钻头直径50mm）。距地面高度：横向偏移距最大；方便操作；如遇台阶，可适当调整。孔深：不得超过1.8m（线缆和安装杆的长度为2m）；一般应大于1m。倾斜：一般情况下以操作方便为主，无特殊要求；若洞内水量较大，可适当倾斜，以利于炮泥安装。（2）炮泥的安装方法。拔出推杆，将适当粗细的炮泥放在盛泥铲上，将送杆送至孔底，推动推杆，将炮泥推出（边推边退边旋转），将炮泥捣实后退出。（3）检波器安装方法。将检波器卡入送杆，并使送杆开槽方向指向掌子面，将送杆送入孔底，插入炮泥中，从送杆后部插入推杆，顶住推杆，使推杆抵住检波器，拔出安装杆，使安装杆和检波器分离，退出送杆和推杆，并用炮泥等材料封堵孔口。（4）炸药安装方法。将炸药+雷管埋入孔底，用锚固剂/炮泥/水封堵严实。2.3.2 地质雷达预报方法隧道采用CRD法分四部分开挖，地质雷达测线共分为上、中、下三条，根据不同导洞的进深开展不同导洞的超前地质预报，并将先导洞的预报结果留待后导洞做借鉴，见图4。雷达测线雷达测线掌子面图 4 地质雷达点位预报测线布置苏于水，张 旭，马明畅，王振军：TST 和地质雷达法在隧道超前预报过程中的组合应用-58-3 预报结果分析验证3.1 TST 与地质雷达组合方法由上述原理可知，运用TST超前地质预报系统进行超前预报，需要在隧道进尺达到一定距离之后才可以施作，其最短施作距离为70m左右，在此之前使用地质雷达进行短距离预报。进尺深度达到70m以后采用TST进行长距离预报与阶段性采用TST与地质雷达相结合的预报方法，并通过开挖揭露地层进行验证。3.2 TST 超前预报结果分析TST超前地质预报在速度分布扫描成像及偏移成像的基础上，结合已有地质资料进行解译。利用TST软件对三峰山隧道K0+342K0+242预报区段地质情况展开了分析，根据典型图像重点针对K0+342K0+322、K0+282K0+262段进行了解译，见图5。K0+412 K0+402 K0+392 K0+372 K0+362 K0+352 K0+342 K0+332 K0+322 K0+312 K0+302 K0+292 K0+282 K0+272 K0+262 K0+252 K0+242K0+412 K0+402 K0+392 K0+372 K0+362 K0+352 K0+342 K0+332 K0+322 K0+312 K0+302 K0+292 K0+282 K0+272 K0+262 K0+252 K0+242K0+412 K0+402 K0+392 K0+372 K0+362 K0+352 K0+342 K0+332 K0+322 K0+312 K0+302 K0+292 K0+282 K0+272 K0+262 K0+252 K0+2424.53.52.50-2.5-3.5-4.5图 5 偏移图像和波速图像3.956 752.024 41-1.840 26-3.772 603 6003 4003 2003 0002 8002 6002 4002 2003.2.1 K0+342K0+322该段围岩波速平均值为2400m/s，建议级围岩，原岩为中风化页岩、泥岩；偏移图像红蓝反射条纹较多，围岩节理裂隙较发育，岩体较破碎，岩体呈碎裂镶嵌结构，围岩稳定性较差。3.2.2 K0+282K0+262该段围岩波速平均值为3600m/s，建议级围岩，原岩为中风化页岩、泥岩；围岩岩体呈巨块状镶嵌结构，完整性较好，但是围岩整体强度不高，易出现大块孤石，施工过程中应加强风险管控。3.3 地质雷达预报结果分析3.3.1 K0+342K0+322三峰山隧道左洞上台阶K0+342K0+322检测结果见图6。在20m的有效预报距离内，电磁波信号内呈杂乱的分布状态；信号的同相轴连续性较差，呈断续状分布；初步判断此区段雷达有效探测范围内，围岩较为破碎，裂隙发育，节理密集，完整性、自稳性较差，开挖后应及时支护。3.3.2 K0+282K0+262雷达在K0+282K0+262先导洞上部测线处纵剖面图出现了明显的弧形反射，见图7。大致为抛物曲线，反射弧中间较明显、清晰，反射能较大，两侧翼部较模糊，反射能较小，即反射能从中间向两侧减弱，初步判断为溶洞或孤石。结合前期TST超前地质预报结果分析可知该处纵波波速较高，排除了溶岩空洞的可能，初步定性为孤石。010020030040050060001002003004005006000102030010200 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7图 6 K0+342K0+322 雷达水平纵剖面3.4 现场地质揭露验证与施工措施（1）由现场开挖过程中地质揭露状况显示，K0+342K0+322位置处为破碎页岩，节理裂隙极为发育，且部分位置存在夹泥，结合上述超前地质预报，对该处采取了机械开挖的方法，减小围岩扰动，且快速支护、及早成环，保证了施工的顺利进DEPTH METER atv=0.1/（mns-1）DEPTH METER atv=0.1/（mns-1）2023 年第 4 期山东交通科技-59-展。（2）K0+282K0+262位置处存在大块孤石，且通过前期地质预报的有效预测，施工过程中对该位置处实行了“短距离爆破+机械开挖+诱导滑落”的施工方法，成功诱导孤石由隧道掌子面上部位置滑落，并通过爆破方法将大块孤石进行了微爆破处理，分解为小块岩石清除，保证了施工环境的安全。副线长度118图 7 K0+282K0+262 雷达水平纵剖面1084 结语通过TST和地质雷达超前地质预报方法在三峰山隧道中的组合应用，得出结论：（1）在隧道工程的建设过程中，TST长距离超前地质预报方法需要隧道进深一定距离后开展，在此之前采用地质雷达对隧道洞身展开短距离预测能够有效弥补这一不足。（2）在地质预报过程中，TST地质预报系统能够对隧道掌子面前10倍导洞宽度的距离展开预报，能够使施工针对于前方不良地质状况进行提前调整，降低了工程风险。（3）运用地质雷达法对隧道掌子面前方20m距离内展开地质预报，能够更加精准地对先导洞前方不良地质状况进行预测，从而更加有效地控制每循环的爆破方法，且优化爆破参数。（4）通过TST和地质雷达的组合应用，更加精确地预报了隧道前方的地质状况，且二者的预报成果得到了现场先导洞开挖验证，成功预测了掌子面前方的破碎围岩与孤石。参考文献：1 周轮,李术才,许振浩,等.隧道施工期超前预报地质雷达异常干扰识别及处理J.隧道建设,2016,36（12）:1517-1522.2 赵俊杰,李妮.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用J.黑龙江交通科技,2021,44（9）:161,163.3 苏涛,侯俊敏,车立刚.探地雷达在岩溶区隧道超前地质预报中的应用研究J.公路工程,2018,43（4）:53-56.4 曹旭华.地质雷达法在岩溶隧道超前地质预报中的应用J.中国公路,2020（22）:102-103.5 王进.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用J.建筑技术开发,2020,47（24）:68-69.6 李怡哲,王威,谢逸超.地质雷达在勐远3号隧道超前地质预报中的应用J.交通科技,2018（5）:102-105,117.7 刘金龙,袁小军,浦琛琛,等.地质雷达在隧道施工超前地质预报中的应用研究J.江苏建筑,2019（1）:86-87.8 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,2017.9 张楠,张运起,张宝.基于地质雷达法的山岭隧道超前地质预报原理及其应用J.甘肃科技纵横,2019,48（1）:21-24,90.10 张细宝.深圳地铁岩溶隧道下穿河流段盾构施工技术J.山东交通科技,2022（3）:45-47.11 谷江洪,申康路.TST地质超前预报技术在N-J水电工程中的应用J.土工基础,2018,32（2）:224-228.12 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