地质雷达和TST技术在地质预报中的应用

翟宸儇

中铁第六勘察设计院集团有限公司 （勘察院地质勘察分院）天津300308

摘要：在隧道工程中，地质超前预报是不可缺少的步骤，而TST技术的应用，有利于确保超前地质预报结果的准确性。因此，本文就地质雷达和TST技术在地质预报中的应用进行研究，希望能为相关行业提供借鉴。

关键词：地质雷达;TST;超前地质预报;效果评价

引言

目前，仍有很多山区道路没有修通，在山区道路修建中，开挖隧道是常见的工程项目之一，很多山区地形复杂，如果绕过山体进行修建，不仅费时费力，成本还高，因此经常选择在山体中开挖隧道的方式来保证道路的连通性。隧道开挖本质上是一种山体破坏行为，山体原有结构平衡被打破，在施工过程中很容易发生安全事故。面对这种情况，不良地质体探测是一项非常重要的风险预报工作。不良地质体，具体包括瓦斯、断层、破碎带、软弱围岩、富水带和溶洞等。施工一旦遭遇这些不良地质体，很容易引发塌方、突水、围岩大变形等地质灾害，严重威胁现场施工人员安全。基于上述背景，进行不良地质体探测具有重要的现实意义。

1TST系统技术的原理

隧道地震波成像技术就是TST技术，利用规模不大的爆破或电火花产生地震波，在地震波传播时，会遇到岩性变化大的波抗界面，地震波就会被反射或散射，并被检测器所接收。关键技术可以被分为三种，分别是围岩波速分析、三位波场分离和偏移成像。TST系统由多个设备组成，激震源、信号检测仪和检波器就是系统的重要组成。激震源通常为制造地震波的材料，如雷管、炸药等。检波器为压电晶体带阻尼检波器，这种检波器内部设置了IC放大器，其最大频带可达5000Hz。信号检测仪具有24通道，24位A/D转换，其最大采样频率高达156kHz。

2地质雷达技术基本原理

地质雷达属电磁探测技术，其根据不同地质体对电磁波的响应不同的特性来明确其分布特性。地质雷达内置信号发射天线将高频短脉冲电磁波发射，如地质体内，电磁波在地质体内传播过程中遇到各种不同的地层或目标地质体将产生反射，信号接收天线将收到反射电磁波，并由主机对其反射信号进行分析处理。通过分析携带地质信息的反射电磁波，根据其在地质体内的传播时间、波幅、位置，判断地质体的空间分布位置、结构形态等特性。地质雷达的分析效果与目标地质体和普通介质间的介电常数差异息息相关，特别是对隧道围岩内的断层破碎带、富水体、溶腔等不良地质体具有极高的探测能力。

3地质雷达和TST技术在地质预报中的应用

3.1探测设备选型

地质雷达法所使用的探测设备为LTD-2600型智能化探地雷达。探地雷达具备的优势特征如下:①一体化便携式设计，主机与天线合为一体;②便携式设计，体积小、质量轻、功耗低;③雷达与平板电脑之间采用无线数据传输;④系统采用分布控制、流水作业，得以实现更多的实时数据处理功能;⑤使用DSP完成实时滤波、背景消除、边缘锐化等处理，突出目标特征，降低图像判读难度;⑥基于Windows操作系统开发的实时采集软件LTDSample和雷达数据处理软件IDSP5.0是全中文界面，操作简便、易上手;⑦适应野外恶劣的工作环境。TST系统主要由地震信号采集仪器、检波器、信号触发感应器、震源及连接电缆等构成。地震信号采集器为24通道，最大采样频率为150kHz，最大采样长度为100k，检波器内置有IC放大器，其检波频带为0．5Hz～8200Hz;信号触发感应器的触发时间一般为2ms～5ms。检波接收孔共有8个，分别布设在隧道两侧边墙部位，每侧布设4个，孔间距为3．5m，离地高度约1．5m。震源触发孔共有8个，隧道两侧边墙部位分别布设4个，孔间距为12m，第1个震源孔与检波接收孔间距为4m。检波接收孔与震源孔均采用手风钻成孔，其直径为50mm，并采用炮泥进行封堵，确保检波器与隧道围岩充分耦合。

3.2地质雷达测量

区段地下水发育、风化严重、岩体破碎、地质条件差，开挖施工前应注意：详细查明地下管线的位置与深度，并有必要制定好应急处置方案；在隧道初始支管后面拦排地下水；采取强支护、弱爆破、短进尺等措施，仰拱施工要及时并且要成环封闭充分；强化隧道内的临时横撑，避免局部开挖和地表沉陷引起过大的侧向形变。

3.3现场探测

地质雷达进行现场探测步骤如下。(1)步骤1。现场准备。除了LTD-2600型智能化探地雷达外，探测现场还需要准备计算机、数码照相机、钢卷尺、记录本。当探地雷达采集到反射信号时，将其发送给计算机，利用分析软件对信号进行分析。数码照相机的作用是记录现场。钢卷尺的作用是确定探测点。记录本的作用是填写并记录相关数据。(2)步骤2。设备调试，检测各设备是否正常。(3)步骤3。启动LTD-2600型智能化探地雷达，发射电磁波，并采集反射波。(4)步骤4。利用数据处理软件分析反射波波形特征(如振幅、频率、波形等)，得出隧道工作面前方不良地质体位置及其特征，从而确定围岩等级。

4工程应用

某隧道左右洞长度分别为11135m，11160m，为双向四车道分离式隧道，设计时速为80km/h。隧址区受地质构造的影响较为严重，洞身段围岩以片麻岩、石英岩为主，裂隙较为发育，岩体较破碎，且有多重结构面发育。总体而言，太岳山隧道围岩岩性较差，自稳能力较差，不利于隧道的整体稳定性。因此，在隧道施工过程中，采用地质雷达和TST对隧道围岩进行超前地质预报，地质雷达探测距离为30m，TST探测距离为100m，其探测结果如下:1)断面K142+309的地质雷达掌子面前方0m～10m范围内存在明显的强反射信号，且伴有楔形的绕射现象，该处波幅明显变大，说明该处存在小型溶腔，局部围岩破碎且含水量较大。其他隧道段围岩无明显反射界面，信号波幅变化不大，可见其节理裂隙发育一般，完整性较好。该断面的围岩开挖揭露图如该段围岩以黑云角闪斜长片麻岩为主，掌子面中部存在一断面破碎带，围岩破碎且淋雨状出水，对掌子面围岩稳定性有较大影响，建议在隧道开挖施工过程中根据掌子面围岩情况及时调整工法，确保施工安全。2)根据岩体地震波特征可将其分成4段:第1段，0～6m，该段围岩长度6m，纵波波速为2630m/s，强度稍低，偏移图像中显示该段围岩存在较为密集的红蓝条纹，形成明显强反射界面，因此根据纵波偏移图可推测该段节理裂隙发育，完整性差。由于该处靠近掌子面，故可推断该部分围岩受卸荷作用的影响而导致的破碎。建议施工时做好加固措施，并加强支护。第2段，6m～46m，该段围岩纵波波速升高，波速为3100m/s，强度较上一段大幅提高，偏移图像中显示该段围岩红蓝条纹稍少，推测该段围岩节理裂隙较少发育，完整性较好;第3段，46m～71m，该段围岩纵波波速降低，为2550m/s，强度较上一段大幅下降，偏移图像中显示该段围岩分布有密集的红蓝条纹，推测该段围岩节理裂隙发育，完整性较差，建议在施工过程中应注意由于围岩破碎导致的掉块、坍塌对施工安全的影响;第4段，71m～100m，该段围岩纵波波速升高，为2950m/s，强度较上一段升高，偏移图像中显示该段围岩红蓝条纹稍少，推测该段围岩节理裂隙较少发育，完整性较好。

结语

针对特长公路隧道的复杂地质条件，应采用长距离(TST地质预报法)和短距离(地质雷达探测法)相结合的手段开展综合地质超前预报工作，两种手段可相互印证，极大的提高了隧道超前地质预报的准确性。采用地质雷达可准确探测掌子面前方0m～10m范围内存在小型溶腔，局部围岩破碎且含水量较大;采用TST技术可探测掌子面前方100m范围内的围岩情况，从更宏观的层面对围岩裂隙、完整性进行了探测。隧道地质超前预报对于隧道设计及施工具有非常重要的作用，其不仅可准确探测围岩不良地质体，降低隧道施工风险，也为隧道确定围岩级别、调整设计参数、选取合理的施工工法提供技术支撑。

参考文献

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