TSP地质雷达红外探水在工程中的应用原理.docx

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TSP地质雷达红外探水在工程中的应用原理

地质雷达方法

地质雷达检测是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，其工作过程是由置于地面的发射天线发送入地下一高频电磁脉冲波（主频为数十兆赫至数百兆赫乃至千兆），地层系统的结构层可以根据其电磁特性如介电常数来区分，当相邻的结构层材料的电磁特性不同时，就会在其界面间影响射频信号的传播，发生透射和反射。

一部分电磁波能量被界面反射回来，另一部分能量会继续穿透界面进入下一层介质，电磁波在地层系统内传播的过程中，每遇到不同的结构层，就会在层间界面发生透射和反射，由于介质对电磁波信号有损耗作用，所以透射的雷达信号会越来越弱。

探地雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备（计算机）等组成。

   各界面反射电磁波由天线中的接收器接收并由主机记录，利用采样技术将其转化为数字信号进行处理。

从测试结果剖面图得到从发射经地下界面反射回到接收天线的双程走时t。

当地下介质的波速已知时，可根据测到的精确t值求得目标体的位置和埋深。

这样，可对各测点进行快速连续的探测，并根据反射波组的波形与强度特征，通过数据处理得到地质雷达剖面图像。

而通过多条测线的探测，则可了解场地目标体平面分布情况（如图2.2所示）。

通过对电磁波反射信号（即回波信号）的时频特征、振幅特征、相位特征等进行分析，便能了解地层的特征信息（如介电常数、层厚、空洞等）。

红外探水仪

　　简介

　　地质体每时每刻都在由向外部发射红外能量，并形成红外辐射场。

地质体由内向外发射红外辐射时，必然会把地质体内部的地质信息，以红外电磁场的形式传递出来。

　　当隧道前方和外围介质相对比较均匀，且不存在隐蔽灾害源时，沿隧道走向分别对顶板、底板、左边墙、右边墙向外进行探测，所获得的红外探测曲线，具有正常场特征。

当隧道断面前方或隧道外围任一空间部位存在隐蔽灾害源时，隐蔽灾害源产生的灾害场就一定会迭加到正常场上，使正常场中的某一段曲线发生畸变，畸变段称作红外异常。

红外探测就是根据红外异常来确定隐蔽灾害源的存在。

隐蔽灾害源是指含水断层、含水溶洞、地下暗河。

　　HW－304型红外探测仪，是在303型的基础上向前迈进了一步，它可将探测场强数据储存在仪器内，用通讯电缆与微机连接后，可将探测数据直接传输至微机，实现快速准确成图。

　　用途

　　在复杂地质条件下，特别是岩溶发育地区，相对掘进隧道的隐伏水体或含水构造，除了出现在掘进前方之外，还可能出现在顶板上方、底板下方、两边墙外部。

针对复杂水文地质特点，红外探测仪可实现全空间全方位探测。

其具体地质预报内容如下：

　　1、通过超前探测可预报掘进前方30米范围内有无含水断层和溶洞。

　　2、通过对顶板上方探测，可确定隧道上方30米范围有无含水层或含水构造。

　　3、通过对底板下方探测，可了解下方有无含水构造，以预防滞后突水。

　　4、分别向两边墙外部探测，了解30米范围内有无含水体或者含水断层，以预防含水断层在前方与隧道相交造成大突水。

　　使用环境条件：

　　温度：

0℃——+40℃

　　湿度：

应不大于80％。

在潮湿环境工作不应超过8小时。

　　大气压力：

（0.8－1.1）×105Pa。

　　无腐蚀性气体和强电磁场干扰。

　　技术参数：

　　瞄准方式：

红色激光

　　电源：

镍氢可充电电池

　　电源电压：

1.2V×5

　　电流参数：

　　正常工作电流为18mA

　　背景光电流为28mA

　　激光器电流为20mA

　　辐射场场强分辨率：

H档0.05mw/cm2；m档0.07mw/cm2

　　液晶显示：

LCD，带背景光照明

　　仪器尺寸：

180×88×34（mm）

　　重量：

350g

超前地质预报在乌鞘岭特长隧道中的应用 

隧道网（2005-8-2）  来源：

隧道网

   摘要隧道超前地质预报是工程地球物理研究中疑难问题之一。

具体阐述了TSP203超前地质预报系统的数据采集、数据处理解释结果以及工程实例的应用情况。

   关键词 隧道工程乌鞘岭特长隧道TSP203超前地质预报系统工程实例

   分类号P631.8，U45   文献标识码A   文章编号 1000-6915（2004）增2-5140-07

   1 引 言

   随着我国西部大开发的深入，在铁路、公路、水利等工程施工中往往要遇到一些埋深大、长度大的隧道。

这些隧道工程在设计阶段有关地质资料多在地表获得，而由于受工程地质条件和水文地质条件复杂多变性和目前勘察技术水平的影响，要想在施工前查明隧道围岩和其周围不良地质体（断层、破碎带、溶洞、暗河、软弱地层等）所处状态，特别是要准确查明隧道施工中可能发生的地质灾害的位置、规模和性质是十分困难的。

而由于地质灾害的可能存在，仅靠施工揭露后再进行处理的办法，带有很大的盲目性，常常发生各种突发事故，造成投资增加、资源浪费、人员和施工设备的损害、工期延误等诸多问题。

因此，采用科学的、先进的隧道超前地质预报方法来准确地预测预报隧道开挖工作面前方岩体及其状态，减少隧道施工的盲目性一直是国内外隧道施工和地质工作的重要研究课题。

   目前，国内外超前地质预报的方法有许多，总体上分直接法和间接法2种。

直接法采用导坑、超前钻探等手段；间接法采用FSP法、负速度法、高频地震反射法、水平声波剖面法、地质雷达等物探方法。

直接法涉及昂贵的费用和较长的预报时间；间接法采用物探手段，具有施工快捷、预报结果及时、费用低廉等特点，是今后地质预报的发展方向。

通过对上述各种方法的比较，从其使用效果、预报成本、可操作性等方面综合考虑，瑞士Amberg公司研制的TSP203超前地质预报系统（图1）具有一定的优势。

该系统具有超前地质预报距离长、准确度高、成本低、提交资料及时等优点，该系统已逐步在很多长大隧道中发挥了较好的作用。

图1 TSP203超前地质预报系统组成图

   2 工程概况

   2.1概况

   乌鞘岭特长隧道是兰新铁路兰州一武威南段增建第2线的重点控制工期工程。

其位于兰新线兰武段打柴沟车站与龙沟车站之间，设计为2座单线隧道，左右线隧道长20050m，除隧道出口段线路位于半径为1200m曲线上、左右线缓和曲线伸入隧道68.84及127.29m外，隧道其余地段均位于直线上，线间距40m；2座隧道纵坡相同，主要为11‰的单面下坡，右线隧道较左线隧道高0.56～0.73m；隧道洞身最大埋深1100m左右。

中铁十二局集团承担5#斜井2182.35m，7#斜井3361.97m，5#竖井466.6m及YDK169+700～YDKl71+350，YDKl72+100～YDK172+463段正洞，DK171+350～DK172+463段平导施工任务。

   2.2工程地质条件

   乌鞘岭隧道被称为“地质博物馆”，其施工过程就是同地质灾害作斗争的过程。

   2.2.1地层岩性

   本段地层岩性复杂，沉积岩、火成岩、变质岩3大岩类均有，但以沉积岩为主，其分布主要受区域断裂构造控制。

区内出露的地层主要有第四系、第三系、白垩系及三叠系沉积岩，志留系、奥陶系变质岩，并伴有加里东晚期闪长岩侵入体。

   2.2.2地质构造

   褶皱构造在本区较为发育，褶皱形态复杂，据其形成时代和所处的构造部位不同，由南向北划分为加里东期和海西～印支期2个褶皱构造带；区内断裂构造发育，主要为区域性大断裂，走向基本为北西向，压性～压扭性，具有深切割、延伸长、规模大的特点，破碎带一般较宽，断裂带内物质主要为碎裂岩、断层角砾。

本标段内断层由南向北依次分布如下：

（1）毛山南缘断层（F4）：

为逆断层，延伸长度80km，断层走向近东西向，倾向北，倾角40°～60°，断层带物质主要由断层泥砾、碎裂岩组成，松散破碎，破碎带出露宽度200～500m。

（2）大柳树一黑马圈河断层（F5）：

为逆断层，延伸长度60km，断层走向北西西向，倾向南，倾角70°左右，断层带物质主要由断层泥砾、碎裂岩组成，松散破碎，破碎带出露宽度80～260m。

   （3）毛毛山岭中断层（F6）：

为逆断层，延伸长度48km，断层走向北西西向，倾向北，倾角80°左右，断层带物质主要由断层泥砾、碎裂岩组成，松散破碎，破碎带出露宽度40～80m。

   2.2.3可能的地质灾害

   隧道最大埋深在1100m左右，地应力值较高；岭脊为坚硬的闪长岩，Ⅲ～Ⅳ类同岩占80％左右；洞身通过断层破碎带的长度约1400m；岩性为砂、页岩夹煤层，软硬不均，存在小褶皱、节理密集带，工程地质条件复杂。

施工中极度可能出现突泥、涌水、围岩失稳、岩爆、高地温、瓦斯等地质灾害。

   2.3水文地质条件

   5#斜井范围地表水、地下水均不发育，但正洞穿过F4，F5断层及其影响带，有突然涌水的可能；7#斜井范围地下水主要为基岩裂隙水。

其中，志留系下统板岩夹千枚岩及F6断层破碎带，地下水较丰富，属中等富水区：

三叠系上统砂岩夹页岩段地下水较发育，为弱富水区；加里东晚期闪长岩段地下水不发育，为贫水区。

3TSP203超前地质预报系统流程TSP203超前地质预报系统流程见图2。

图2 TSP203超前地质预报系统流程图

   4TSP203超前地质预报系统工作原理、工作方法

   4.1工作原理

   TSP203超前地质预报系统工作原理见图3。

TSP203超前地质预报系统，是由瑞士Amberg测量技术公司开发应用于隧道超前预报的先进技术，其工作原理是利用隧道反射地震波法，即由人工弱爆破产生的地震波在隧道中的岩体内传播，当遇到地质界面时（如断层、破碎带等），一部分地震波被反射回来，即反射波经过一段时间后到达接收传感器，再通过接收传感器被记录仪所接收，然后经专门的分析软件进行处理，就得到清晰的反射波图像，反射界面两侧的岩性差异越大，反射回来的信号就越强。

由于从产生地震波到反射信号被接收这段时间是与反射界面的位置、反射信号的强弱与反射界面的性质、产状有密切关系，因此，通过对反射波性质的分析可以推断反射界面的性质。

图3 TSP203超前地质预报系统工作原理图

   TSP203超前地质预报系统使用的是非常灵敏的三分量传感器（图1中④），它可以接收来白掌子面前方和四周很远的地震反射波。

因此，处理方法有独到之处，该方法在欧洲、亚洲有广泛的应用，该系统预报距离远、预报范围大。

一般情况下，TSP203超前地质预报系统可以预报100～250m，在地质条件较好时，甚至可以预报更长的距离。

   4.2工作方法

图4 TSP203超前地质系统的现场测试示意图

   TSP203超前地质预报系统的现场测试示意图见图4。

TSP203超前地质预报系统的原始数据采集是由一个三分量接收器承担，接收器孔布置在隧道两侧各1个，使用φ45mm钻头，钻孔深度为2m，钻孔倾角为向上5°；爆破孔布置在隧道任何一侧岩壁上，使用φ38mm钻头，钻孔深度为1.2～1.6m，钻孔向下倾斜10±5°。

爆破孔等间距（间距1.5m）布置在与接收点为1条平行于隧道轴线的直线上。

在数据采集前，钻孔、接收传感器（图1中⑩）套管的安装、以及接受器孔和爆破孔倾角、倾向和三维坐标测量要先期完成，由于这些准备工作不干扰正常施工，可与隧道施工平行作业。

当正式爆破采集数据时，洞内一切施工必须停止，以确保采集到的数据尽可能少地受外界噪声的干扰。

在数据采集时，相互间配合要做好，一般情况下数据采集时间可以控制在50min内。

   5TSP203超前地质预报的实施

   5.1数据处理

   数据处理结果见图5和6。

数据处理用专门处理软件对隧道内采集到的原始资料不采用走时曲线分析方法，而是采用深度偏移成像方法。

偏移成像方法偏移成像之前进行二维Radn变换，利用视速的差异，消除与隧道走向近乎平行的反射界面。

该方法对纵横P，SV，SH分别进行处理，可提供反映掌子面前方结构的剖面及各种地震岩性参数。

在进行数据处理以前，应将描述隧道轮廓的参数、各孔的三维坐标、各炮孔装药量等数据输入处理软件中，数据处理共需11步，其流程见图7。

   5.2数据解释

   TSP203超前地质预报系统，经过数据处理以后，提供了20个反射界面的空间位置，包括各反射界面距基准点的距离、与隧道轴线的夹角、各反射面处的岩性参数（包括波速、密度、泊松比、动静态弹性模量、纵横波速比等）以及各反射面在隧道中的二维、三维图像。

图5 7#斜井（1+256～1+403段）2D图

图6 7#斜井（1+256～l+403段）3D图

图7 数据处理流程图

   经过数据处理后，提供的直接成果仅仅描述了围岩性质可能发生变化的位置及各反射界面围岩的物理性质、类别。

因此，根据各反射界面的岩性参数、产状以及各步解释后的隐含信息，推断围岩的岩性以及可能存在的不良地质段的性质是数据解释的难点和重点。

在TSP203超前地质预报实践中，要不断总结和积累经验，提高解释技术人员地质知识（特别是工程地质力学的知识）和野外、洞内地质工作的基本功。

同时，还需要认真参考设计勘察地质资料，紧密结合现场的地质情况。

   6 工程实例

   在2003年11月18日对7#斜井l+256～1+403段做了一次超前地质预报，其成果与实际开挖情况对比结果见表1。

对比结果显示，此次预报掌子面前方100～150m范围内地质情况与实际情况基本吻合，为前方施工起到了指导作用，减少了施工的盲目性。

   本次预报中，1+388～1+397段为重点预报段，主要表现为开挖后右侧拱顶向下1m位置有股状水涌出，其判断过程如下：

（1）从图5中可以看出，此地段反射面（节理面）非常多，从图6中也同样可以证实此观点，说明此地段节理相当发育，岩体整体性差。

（2）从表2岩体力学参数中可以看出：

此地段岩体P波波速低，说明此地段中存在液体或空隙率较大；此地段泊松比非常高，说明此地段有液体存在。

   7 结束语

   7.1超前地质预报与施工

表1 TSP203超前地质预报与实际开挖地质情况对比表

表2 7#斜井（1+256～1+403段）岩体力学参数

   TSP203超前地质预报的主要任务是为隧道施工提供掌子面前方100～250m范围内的地质情况，使隧道施工者对掌子面前方地质体，尤其是不良地质体做到心中有数，提前作出应对方案。

经过19次的现场实践证明，花50min的时间来判断掌子面前方100m左右范围内的地质情况是值得的，这种方法在乌鞘岭隧道的施工中被广泛应用。

   7.2超前地质预报费用

   乌鞘岭隧道经常出现涌水、突泥及断层破碎带等不良地质情况，地质条件相当复杂，超前地质工作尤为重要，其意义不同于一般的工作。

除了为动态设计提供依据外，更主要的是避免地质灾害的发生。

每做一次TSP203超前地质预报的费用合计约6000元，与处理塌体延长工期费用相比，工程成本大大降低。

   7.3关于TSP203超前地质预报成果的看法

（1）转变观念，机器不是万能的，主要靠人。

   地质预报的精确度是从不太准确到判断准确的过程，只有重视了地质体的变化，对预报成果作出准确的判断，并在实践中用所得的成果与现场揭露的围岩进行对比、分析、查证，才能逐步提升预报水平。

（2）采取宁多勿漏的原则。

   TSP203超前地质预报系统对反射面相当敏感，基本上可以揭露存在的所有反射面，但在预测成果中出现的不良地质体，在实际开挖后，可能会不存在。

因此，TSP203超前地质预报工作除了加强物探方法的预报频度外，辅以超前水平钻探是必要的，只有多种方法相结合，才可以较准确地探明前方掌子面的不良地质情况。

   7.4建议

   对于象乌鞘岭隧道这样地质条件复杂多变的情况，建议采用以TSP203超前地质预报系统作为长距离宏观控制手段，以红外探水纳入地质素描作为日常手段，同时以地质雷达、HSP作为补充，加强超前水平钻孔和地质综合分析的综合地质预报系统，只有这样，才能对前方地质情况起到准确预报。

（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 上海200030）（中铁十二局集团有限公司 太原030032）

（邓尤东）