摘要：该研究通过工程实例综合使用了TSP超前预报与地质雷达综合应用，介绍了超前地质预报中地质雷达的工作原理与应用方法、地质雷达布线方法以及雷达探测结果及TSP隧道超前地质预报中地震勘探的工作原理与应用方法。结合二者在数据获取、处理等方面的优势，保证了隧道的安全快速施工。
        关键词：TSP；地质雷达；隧道；超前地质预报
        0 引言
        近年来我国基础设施建设尤其是中西部地区公路和铁路建设高速发展。其中，隧道工程由于其在道路建设中的重要性，进一步引起人们的重视。为了满足隧道工程中安全性与施工进度，就要对隧道内的地质信息进行超前地质预报。对于隧道施工中可能产生的安全性问题，超前地质预报能够分析所需的施工前方围岩与地层情况[1，2]。争取在施工前掌握岩土体性质、状态等地质信息，为进一步的施工提出建议，防止在施工过程中发生涌水、岩爆等地质灾害，从而实现施工安全高效的进行。隧道地震波法（tunnel seismic prediction，简称TSP）是隧道超前地质预报的重要方法[3，4]。该方法通过高精度的接收仪器获取爆破所产生的地震波信号并通过计算机软件初步探查前方围岩性质、节理裂隙分布、及含水状况等；地质雷达法具有简单实用，精度较高，可用来查明断层破碎带、滑坡面、岩溶和土洞，适合在超前地质预报中进行短距离探测，根据处理后的雷达图像可以直观的得出工程所需的地质信息[5，6]。
        1 隧道地震波法（TSP）与地质雷达预报原理
        （1）TSP预报原理
        周家山隧道预报采用瑞士安伯格公司生产的最新型号的TSP203 plus 隧道地质超前预报系统。TSP测量系统是通过在掌子面后方一定距离内的钻孔中以微震爆破来发射信号的，爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，经隧道前方的界面反射回来，反射信号经接受传感器转换成电信号并放大[3，4]。从起爆到发射信号被接收的这段时间是与反射面的距离成比例的。通过反射时间与地震波传播速度的换算就可以将反射面的位置、与隧道轴线的夹角以及与隧道掘进面的距离确定下来，同时还可以将隧道中存在的岩性变化带的位置方便的探测出来。振动波由在特定位置人为制造的小型爆破产生，一般是沿隧道一侧洞壁布置24个爆破点，爆破点平行于隧道底面呈直线排列，孔距1.5 m，孔深1.5m，炮孔垂直于边墙向下倾斜10~15°，以利于灌水堵孔。距最后的爆破点15~20 m处设接收器点（在一侧或双侧），接收器安装孔的孔深2 m，向上倾斜15度，内置接收传感器。

        图1 TSP隧道超前地质预报布孔要求
        在测量过程中，逐次引爆爆破点的炸药（约50-150g，根据围岩不同适时调整），制造出小型地震波，地震波遇到节理面、地层层面、破碎带界面和溶洞、暗河等不良地质界面时，将产生反射波，反射波的强度及传送时间反映了相关界面的性质、产状、距离接收点的距离。利用TSPwin软件对采集的TSP数据进行处理，获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面和反射层提取以及岩石物性参数等一系列成果。在成果解释中，以P波资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释。解释中，遵循以下准则：
        ① 正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。
        ② 若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。
        ③ Vp/Vs增加或δ突然增大，常常由于流体的存在而引起。
        ④ 若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。
        （2）地质雷达原理
        地质雷达（Ground Penetrating Radar（GPR））是一种利用高频电磁波探测地下物体的电子设备。地质雷达通过发射天线发射中心频率为12.5M至1200M、脉冲宽度为0.1 ns的脉冲电磁波讯号。当这一讯号在岩层中遇到探测目标时，会产生一个反射讯号。直达讯号和反射讯号通过接收天线输入到接收机，放大后由示波器显示出来。根据示波器有无反射汛号，可以判断有无被测目标；根据反射讯号到达滞后时间及目标物体平均反射波速，可以大致计算出探测目标的距离[7-9]。
        2 工程概况
        周家湾隧道是拟建银川至北海高速公路建始（陇里）至恩施（罗针田）段上的一座分离式隧道。起讫里程桩号：左隧道ZK95+377～ZK97+815，长2438m，右隧道YK95+415～YK97+819，长2404m，为长隧道。隧道最大埋深约246m，洞轴线方位角210°；单洞净空10.50m×5.0m，进口洞门均采用端墙式，灯光照明，机械通风。隧道地表土层为坡积（Q4dl）粘性土和碎石、崩积坡积成因的粘性土和块石土（Q4c+dl），岩层为志留系中统纱帽组（S2s）粉砂岩、粉砂岩夹石英细砂岩、炭质灰岩、断层角砾岩，二叠系下统栖霞组（P1q）灰岩、炭质灰岩、含炭钙质页岩、薄煤层、茅口组（P1m）微晶灰岩（含燧石结核）、上统吴家坪组（P2w）炭质页岩、大隆组（P2d）炭质页岩夹硅质岩，三叠系下统大冶组（T1d）灰岩、灰岩夹页岩、底部页岩夹灰岩，主要为灰岩易发育溶洞等不良地质体。
        3 TSP超前探测
        （1）探测结果
        用TSPwin软件对接收到的地震波信号进行处理，得到掌子面前方岩体波速、界面及岩体物性参数等成果。（表1，图2）。

        图2 地震波处理结果（左：P波提取的反射界面 右：2D结果显示与岩体物性图）
      
     （2）该段施工建议
        综合TSP探测结果及地质资料分析，预报段总体情况如掌子面揭露所见，中-微风化灰岩，局部夹杂泥质，其中YK96+284~YK96+280、YK96+274~YK96+270段、YK96+270~YK96+256段、岩体较破碎，节理裂隙及岩溶裂隙发育，围岩强度降低，含有裂隙。施工时应结合TSP超前预报结果和掌子面围岩揭露情况，可能存在异常段要注意防止塌方等工程事故的发生，保证隧道施工安全。
        4 地质雷达探测
        （1）地质雷达测线布置
        2018年12月13日，周家湾隧道出口YK96+215掌子面开展了一次短距离地质雷达探测工作，采用天线频率为100MHz，采集样本点为1024。
        （2）地质雷达探测成果
        本次地质雷达探测距离为30m，里程桩号范围为YK96+215~YK96+185，处理后雷达图像如图3。结合现场地质情况分析，具体探测结论描述如下：
        ①掌子面前方YK96+214~YK96+202中部至右侧范围内信号紊乱，根据雷达信息特征，推测该处围岩受风化作用影响强烈，围岩相对较破碎，节理裂隙发育且存在较大裂隙或细小空洞，局部夹杂泥质，易发生脱落掉块，施工时应注意安全防范措施。
        ②掌子面前方YK96+211~YK96+209范围内左侧3m雷达反应强烈，根据雷达特征，推测该处围岩破碎，胶结能力较差，成分主要由土夹石组成。施工时应注意塌方掉块。

        图3 测线处理结果图
        （3）该段施工建议
        该段围岩以中风化灰岩为主，围岩完整性较好，岩体较破碎，局部节理裂隙发育，可能存在小型溶洞，裂隙中夹杂泥质及裂隙水。需要说明的是，掌子面凹凸不平及施工现场的金属物对雷达探测结果有一定影响。因此，根据分析结果，反应异常区建议做好防范措施，施工时应施作超前炮孔和超前水平钻，注意掌子面地质变化情况，注意现场施工安全，确保施工质量和安全。
        5 结论
        周家湾隧道同时采用TSP超前预报与地质雷达共同探测，分别探测YK96+380~YK96+250段落与YK96+215～YK96+185段落，并就探测结果给出了施工建议。通过长程预报与短程预报相结合极大的提高了隧道施工的预报精度与施工安全性，提高了施工效率。