地质雷达、TSP203等探测技术在岩溶隧道施工中的综合应用技术-课题进展及阶段性成果

地质雷达、TSP203等探测技术在岩溶隧道施工中的综合应用技术

——课题进展及阶段性成果

目前宜万铁路我指挥部负责标段施工正进入攻坚阶段，隧道施工也进入了关键阶段，地质雷达、TSP203等地质探测技术在隧道施工中也得到了广泛的应用，为保障施工安全，提高技术应用水平，我单位课题攻关组对各种探测技术在岩溶隧道施工中的综合应用技术积极进行了跟踪研究，收集了大量资料、数据。目前已取得了一定进展和阶段性成果，现将具体情况汇报如下：

一、地质雷达探测技术

1．地质雷达工作原理

地质雷达是一种无损检测设备，主要由控制单元、天线和界面单元组成，控制单元是雷达的核心部分，它是在计算机的基础上配合信号发生触发器、A/D转换器共同组成。地质雷达工作时向地下发射高频电磁波，当遇到不同介质分界面时产生的回波由天线接收极接收，反射界面的深度可由公式D=V*?t/2=C*?t/2(ξr ?)求得。（C为电磁波在空气中的介电常数，?t为电磁波在衬砌介质中的双程旅行时间，ξr 为介质的相对介电常数值）。其中雷达波在不同介质中的传播速度是不一样的，因此我们需要对不同介质的层设置不同的雷达波速，以得到精确的分层厚度值。一般我们采用钻孔取芯的方法或在已知厚度的地方做实验得出真实的波速值。波速值的求法是根据波在介质中的双程走时时间不变的原理来求得的，即 D1/V1=D2/V2=△t（D1为钻孔取芯得到的实际介质分层厚度，V1为我们需要求的雷达波速值，D2为从雷达图上读出的介质分层厚度，V2为在测量前事先设定的雷达波速），雷达工作原理如下图所示：

地质雷达工作原理示意图

2．探测执行规范、仪器设备及测量参数

地质雷达检测参照规范《铁路工程物理勘探规程》（TB10013-98）、《公路工程质量检验评定标准》（JTJ071-98）执行。

我标段采用意大利IDS公司生产的RIS-2K探地雷达，使用IDSGras现场数

据采集软件IDSGRED/IN/LAYERING后处理软件、三通道数据采集单元AU-CU3、VA80MHz屏蔽天线、博泰克RIS-2K数据采集相关配置硬件。

检测时，天线采用垂直探测有测量轮的模式，以连续剖面的记录方式采集数

据，每10米作测量轮修正标记，为满足检测深度和精度要求，时窗长度200ns。

3、地质雷达方法

地质雷达对地下隐蔽物进行探测时，只需将雷达天线在地面上拖动，高频电磁波由天线进入土层中；当电磁波遇到地下的各种媒质的地层（混凝土、土壤、岩石、金属、或各种管线等）时，产生反射，并被接收天线所接收。隐蔽物的位置可以直接由天线的定位系统给出，深度可以由公式d=v*t/2得出，式中：d为地下隐蔽物的深度；v是电磁波在地下的传播速度；t为电磁波的双程传播时间。因为电磁波的传播时间可以直接在雷达图上读出，所以只要知道波速，就可以准确的得到隐蔽物的深度。某一地区的媒质中的电磁波速度通常可以用以下两种方法得到：1)在现场通过一个已知隐蔽物的深度，然后由上式反推出电磁波在该地区媒质中的传播速度；2)对于介质中的波速，可以由公式v=C/ε1/2得到。其中，C为电磁波在空气中的传播速度(30cm/ns)，ε为介质的介电常数。因此，只要

得到该地区媒质的介电常数，就可以算出电磁波在地下的传播速度。

4、课题进展和阶段性成果

按照设计要求，我标段地质雷达主要用于检测隧底10m内岩溶情况，确保施工和运营安全，每座隧道底板各检测左中右三条测线。截止到2006年11月，我标段赵家岭隧道、白云山隧道、景阳坪隧道共完成隧底检测10034m，并取得相应检测资料和图片，检测中发现隧底12处异常，经确认有9处为岩溶和软弱地层，准确率达75％。

在隧道底板的检测过程中，我们对地质雷达在岩溶隧道施工中的应用取得了一些成果。1）隧底围岩条件对检测效果的影响。隧底围岩条件如岩石强度、完整性等对雷达检测效果的影响很大，主要反映在两个方面：检测深度和检测精度。当隧底为完整的基岩时，探测深度和效果最好，隧底为虚碴或土层时，探测深度减小，但在一定深度范围内精度尚能保证。虚碴厚度愈大探测深度愈小。此外，底板的平整度对探测效果也存在一定的影响。下一步将研究隧底含水量对探测深度和精度的影响，研究如何提高地质雷达探测效果。2）地质雷达图的判读。地质雷达图的判读也很重要，根据多次探测的结果和地质雷达图的对比，我们形成了一套有效的判读方法，通过加大图片对比度，突出波形，淡化背景和综合其它

地质预报资料如地质编录等的方法进行综合判读。

二、TSP203探测技术应用

1、TSP203系统预报原理

TSP203是一种通过定点接收多点爆破产生的地震波进行预报物探方法。其主要利用地震波在不同性质的岩层或介质中的传播速度不同的原理来进行预报。预报时，通过爆破产生地震波，地震波在隧道中的岩体内传播，当遇到地质界面如断层、破碎带、溶洞、大的节理面等时，一部分地震波就被反射回来，反射波经过一段时间到达传感器后被接收并被记录主机记录下来，然后通过专门的物探分析软件进行分析处理，就得到清晰的反射波图象。再通过对反射波特征的分析，如发射与反射之间的时间差、相位差、反射信号强弱、纵波与横波的比率等，并结合区域地质资料、跟踪观测地质资料就可以确定隧道前方及周围区域地质构造的位置和特性。

TSP203是隧道施工超前地质预测预报的重要手段，是目前远距离预报的主要手段之一。TSP203主要适用于断层、岩性变化界面和较大规模的溶洞的探测，其探测距离一般约100-200m。

2、仪器设备及测量参数

我单位施工中使用瑞士安博格公司生产的TSP203型地质预报系统，该系统包括记录单元、接收单元，记录单元使用一台松下笔记本电脑和12通道24位A/D转换器，动态范围最小为120分贝，所接收信号的频率范围为10到8000赫兹，记录范围从451ms到1808ms@62.5/125μs；接收单元：三分量地震加速度检波器(X-Y-Z分量)，频宽10—5000Hz，灵敏度：1000mV/g±5%；采集的数据采用TSPwin1.1分析软件进行分析。

3、探测方法及探测步骤

TSP203探测通过定点接收多点爆破地震波信号的方法进行预报。在施工中，我们采用双传感器探测，隧道左右壁各布置1个，爆破孔布置23个，然后逐点起爆，采集地震波信息进行分析。其工作流程如下：1、施工准备，包括布点、钻孔、装药、安装传感器、风水电配合等，施工准备工作必须严格按照操作规范执行，尽可能减少由此引起的信号干扰和误差；2、试爆检测，进行线路连接并检验其可靠性；3、爆破和信号采集，由近至远逐点引爆并通过系统记录地震波信号；4、信号分析，通过信号分析软件TSPwin1.1先进行处理，然后人工分析；

5、预报及反馈，经过人工分析形成初步结果，再结合探测地段的地质素描资料和钻探、物探成果，最终形成预报结论。预报后，在施工过程中不断与实际地质情况进行对比，一方面修正预报结论提高后续预报的准确性，保证施工安全，另一方面提高预报水平。

4、课题进展和阶段性成果

根据设计要求，白云山隧道平导和正洞必须采用TSP203进行全隧贯通探测，截止到2006年11月底，我标段共进行了66次探测，在对隧道岩溶探测的过程中，我们对TSP203在岩溶隧道施工中的应用也取得了一些成果。

1）TSP203探测纳入施工工序方面：TSP203每100-150m需要做一次，每次至少需要花2-3小时，为保证施工顺利进行，必须将TSP203探测纳入施工工序，做好统筹安排。TSP203探测耗时最多的是准备工作中的钻孔、传感器安装和炸药安装。钻孔由开挖工班在每循环开挖时附带钻孔，钻孔由每工班指定的专人负责，钻孔前做好技术交底，如此既可节省探测耗费时间，又可保证钻孔质量。传感器安装主要困难在于需要使用风枪，炸药安装则在于需要领取雷管炸药，因此TSP203探测时可选择在爆破工序前进行，这样既可节约时间又便于配合。

2）影响TSP203探测精度的因素。TSP203探测精度是保证预报准确的基础，要提高TSP203探测精度，必须先了解影响TSP203探测精度的各种因素。根据我们的研究，钻孔质量、传感器安装位置、锚固效果、堵孔效果、现场环境等都对TSP203探测精度存在影响。钻孔质量对探测精度的影响主要反映在爆破孔孔底位置是否在一条直线上、倾角是否利于注水堵孔。传感器孔孔径是否利于传感器套管全长锚固。传感器安装位置对探测精度的影响在于主传感器是否位于接收地震波信号最有利位置。锚固效果对探测精度的影响在于是否全长锚固避免了传感器套管震动产生的干扰波。堵孔效果和现场环境主要是减少声波和各种震动杂波的影响。

3）TSP203探测结果分析预报。对采集信号的分析主要通过探测系统自带的TSPwin1.1软件进行，但作出预报必须通过人工对软件处理结果进行分析。它是保证预报结果准确的最重要环节，分析时应注意以下几个方面的问题：a.通过对原始记录、频谱特征、波速、纵横波分离后P、SH、SV波形特征分析，对预报结果形成一个定性的认识或期望。b.对不同参数的软件处理结果综合分析，看哪一种参数的处理结果与自己的定性认识比较接近，如果相差甚远，就应重新分析原始记录和不同处理步聚得出的结果，调整你的定性认识。c.综合对比分析P、SH、SV不同处理结果，不能只用一种纵波的资料就简单的下结论。厂家给出了四条判别依据，应该从不同处理步聚的结果中找到这些依据，而不是简单的写在报告中。d.对最终的软件处理结果，必须结合现场地质编录和地质调查的结果作出判断，这样才能比较接近实际情况。

下一阶段工作我们将主要研究探测结果的分析，通过实际开挖后的地质情况与预报资料对比，找出其中比较通用的规律，提高判读水平。

中铁十八局宜万指 2006年12月10日