超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在龍?zhí)端淼乐械膽?yīng)用研究

劉永奎，柴琦龍

（中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250013）

0 引言

近年來，為了加快我國(guó)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，西部大開發(fā)戰(zhàn)略正在步步展開，我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)也邁入了前所未有的一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段。而基礎(chǔ)建設(shè)的重中之重——道路建設(shè)中，深埋、長(zhǎng)大隧道更是屢見不鮮，難度也是越來越大，安全事故時(shí)有發(fā)生，這與復(fù)雜難料的圍巖地質(zhì)情況息息相關(guān)。隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道施工過程中防止突發(fā)性自然災(zāi)害的最有效手段，能充分彌補(bǔ)現(xiàn)有地表勘測(cè)方法的不足。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)不但要在時(shí)間上提前，更要在距離上超前，以給施工變更留有充分的準(zhǔn)備時(shí)間。常規(guī)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要以地質(zhì)分析法為主，該方法在解決區(qū)域地質(zhì)以及淺埋簡(jiǎn)單的地質(zhì)情況下有一定的優(yōu)勢(shì)，但是長(zhǎng)大隧道的地質(zhì)情況瞬息萬變，使用單一的地質(zhì)分析法不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這些變化及其位置和規(guī)模，但這些異常恰恰是影響隧道圍巖穩(wěn)定的最重要因素，直接影響施工進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益，所以地球物理探測(cè)方法越來越受到管理部門和廣大工程技術(shù)人員的重視。作為滬蓉西高速公路的控制性工程龍?zhí)端淼涝谑┕み^程中采用多種地球物理探測(cè)手段，并輔以超前探孔的地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，在避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生方面起到一定作用，對(duì)后續(xù)類似工程具有借鑒意義。

1 工程概況

龍?zhí)端淼朗菧匚鞲咚俟芬瞬蕉魇┒蔚目刂菩怨こ?。上下行分離式隧道，左線全長(zhǎng)8694m，右線全長(zhǎng)8620m，兩線在洞口的凈距約20～30m，在洞身段的凈距30～40m，最大埋深530m。

隧址區(qū)屬于構(gòu)造溶蝕、侵蝕低中山溝谷地貌區(qū)，地形條件很復(fù)雜。隧道主要穿越堡鎮(zhèn)-碑坳分水嶺，區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，分水嶺兩側(cè)的主要沖溝有頭道河、龍?zhí)稖?、青巖溝等，而且它們的走向均與地層構(gòu)造線基本平行。隧道穿越的主要地質(zhì)構(gòu)造為長(zhǎng)陽復(fù)背斜和天陽坪斷裂以及仙女山斷裂及其分支斷裂，地質(zhì)構(gòu)造相當(dāng)復(fù)雜。

本區(qū)地層的巖性主要是志留系砂頁巖和奧陶系碳酸鹽巖地層，多屬于可溶巖。地下水以巖溶水為主，基巖裂隙水和孔隙水對(duì)工程施工影響和危害程度較輕。按常規(guī)分析龍?zhí)稖媳眰?cè)巖溶水應(yīng)順層向西側(cè)侵蝕基準(zhǔn)面，在低洼處排泄，但是由于受地層可溶性差異、構(gòu)造等因素影響，使地下水的徑流條件更加復(fù)雜。

隧道初步勘察認(rèn)為龍?zhí)端淼朗┕み^程中的主要工程地質(zhì)問題是F1和F2兩條斷層和巖溶問題。在隧道出口段施工過程中可能發(fā)生突水涌泥及斷裂破碎巖層的坍塌冒頂，在雨季甚至可能發(fā)生洞穴充填物塌陷及溝水倒灌。

2 預(yù)報(bào)方法簡(jiǎn)介

鑒于龍?zhí)端淼涝谡麠l線路中特別重要的地位和圍巖復(fù)雜性，基于安全和效益的考慮，只采用一種預(yù)報(bào)方法，難以滿足要求。根據(jù)隧道具體特征采取多手段結(jié)合的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，能夠使各種方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，達(dá)到安全高效的目的。經(jīng)過認(rèn)真的論證后，決定以TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)為主，輔以探地雷達(dá)、紅外探水等地球物理無損探測(cè)技術(shù)，并結(jié)合地質(zhì)分析和超前水平探孔及地質(zhì)勘察資料，對(duì)隧道施工影響區(qū)域內(nèi)的圍巖狀況進(jìn)行全面立體的預(yù)報(bào)，涵蓋不良地質(zhì)體的起止、洞穴的形狀、地層的走向、圍巖特性和地下水的情況等。

2.1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的采集方式是在邊墻設(shè)置多點(diǎn)微型震源，激發(fā)地震波，以球面波的形式在圍巖中傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄏ蚯皞鞑ビ龅綌鄬悠扑閹?、溶洞、暗河等不良地質(zhì)體的界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射，其信號(hào)會(huì)被高靈敏度的檢波器接收，再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)加以放大。通過震源與檢波器的位置關(guān)系和直達(dá)波的接收時(shí)間，可以確定波速（公式1）。在波速一定的前提下，從起爆到不良地質(zhì)體的反射信號(hào)被接受，這段時(shí)間是與距反射界面的距離成比例的，然后由反射時(shí)間和地震波的速度進(jìn)行換算。在地震波傳播速度已知情況下，通過測(cè)得的反射波傳播時(shí)間，推導(dǎo)出反射界面與傳感器之間的距離，從而間接得到反射界面與掌子面的距離，理論公式如式（2）。由于發(fā)射和接收的是球面波，所以可以得出反射面的位置和與隧道軸線的夾角，從而確定出距掌子面的距離和大體的形狀，同時(shí)還可以通過對(duì)波速的計(jì)算，類比以往工程中專家經(jīng)驗(yàn)將巖性的變化顯示出來。TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在Ⅱ、Ⅲ級(jí)較好圍巖中能夠預(yù)報(bào)130～180m，在Ⅳ、Ⅴ級(jí)較差圍巖中能預(yù)報(bào)80～120m。具有操作簡(jiǎn)單、耽誤施工少、預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)等特點(diǎn)，但是由于它是針對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)而研制的，所以對(duì)于小規(guī)模的地質(zhì)缺陷不是很敏感[1-6]。

式中:L1—震源到傳感器的距離；

T1—直達(dá)波到達(dá)傳感器的時(shí)間；

式中：T2—反射波傳播時(shí)間；

L2—爆破孔到反射面的距離；

L3—傳感器到反射面的距離。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrate Radar簡(jiǎn)稱GPR）是利用不同巖體的帶電性存在很大差異來對(duì)圍巖進(jìn)行探測(cè)的一種廣譜電磁波方法。根據(jù)波動(dòng)理論，其波動(dòng)方程是：式中:e-βr表示電磁波的場(chǎng)強(qiáng)值隨著離場(chǎng)源距離的增大而減小，β稱為吸收系數(shù)；αr表示電磁波傳播過程中的相位項(xiàng)，α稱為相位系數(shù)。

由于電磁波傳播速度：

當(dāng)電磁波的頻率極高時(shí)，（4）可簡(jiǎn)略為

式中：C是電磁波在真空中的傳播速度；ε是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

由于地質(zhì)雷達(dá)采用的是高頻電磁波，而同頻電磁波在真空中的傳播速度是相同的，所以地質(zhì)雷達(dá)發(fā)出的電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度主要取決于介質(zhì)中的相對(duì)介電常數(shù)。電磁波以短脈沖形式由地面向下入射，經(jīng)反射回到地面，需時(shí)：

式中:Z——反射界面深度；v——介質(zhì)中的傳播速度。

再由:

式中：C=3×108m/s；

ε—介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

所以（7）式中的t和V已知，從而求出反射界面的深度Z[7-9]。

在現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，利用一個(gè)發(fā)射天線將高頻電磁波激發(fā)到要預(yù)報(bào)的圍巖介質(zhì)中，而用接收天線接收反射回來的信號(hào)?，F(xiàn)在，探地雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)成為短距離的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)最重要的手段，由于其重演性高，可以比較準(zhǔn)確地判斷出30m范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體，如：溶洞、暗河、斷層破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)。其中探地雷達(dá)最大的優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)探測(cè)與洞穴有關(guān)的地質(zhì)異常時(shí)特別敏感，從而可以有效地預(yù)報(bào)溶洞，也在一定程度上彌補(bǔ)了TSP對(duì)于小溶洞不靈敏的不足。

2.3 紅外探水技術(shù)

紅外探水法探測(cè)隱伏的含水構(gòu)造或微含水構(gòu)造，基本原理是不同地質(zhì)體具有不同的熱性質(zhì)，能發(fā)射出不可見的紅外場(chǎng)，這場(chǎng)的大小與物體的發(fā)射率成正比，而發(fā)射率的大小取決于物體的性質(zhì)及其表面情況，簡(jiǎn)單說即水比巖石的熱導(dǎo)率低。當(dāng)隧道外圍包括掌子面前方不含隱伏異常構(gòu)造時(shí)，其紅外發(fā)射場(chǎng)為一正常場(chǎng)，當(dāng)隧道外圍包括掘進(jìn)前方存在隱伏的含水構(gòu)造時(shí)，構(gòu)造就要產(chǎn)生異常場(chǎng)，迭加到正常場(chǎng)以后，使正常場(chǎng)發(fā)生畸變，我們就可以從曲線的變化規(guī)律上分析出是否含有隱伏構(gòu)造，從而實(shí)現(xiàn)隧道立體全方位的查找隱伏構(gòu)造[10]。

3 工程預(yù)報(bào)實(shí)例

3.1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

本次預(yù)報(bào)使用的是瑞士Amberg工程技術(shù)公司研制并已擁有專利的隧道地震探測(cè)儀器——TSP 203 plus。在龍?zhí)犊拷谱用妫╖K72+781）的右邊墻上沿直線向洞口方向每隔1.5m布置一個(gè)深1.5m鉆孔，下傾角度10～15O，共布設(shè)24個(gè)。 然后在ZK72+838處布置一個(gè)接收器孔，深度為1.95m。用自動(dòng)測(cè)平儀和激光測(cè)距儀確定出各個(gè)激發(fā)孔具體的傾角、方位角、深度和間距，記錄在案，這些是信號(hào)分析和處理所必需的。

在采集過程中采用瞬發(fā)電雷管引爆孔內(nèi)微量炸藥，并采用水封炮孔等方式，確保信息采集效果，其他儀器參數(shù)均取默認(rèn)值，本著距離適中，保證精度的原則。預(yù)報(bào)范圍：ZK72+781～ZK72＋650，共計(jì)131m。在輸入相關(guān)激發(fā)孔和接收器孔的參數(shù)及炸藥（乳化炸藥）藥量等參數(shù)后，經(jīng)過TSPwin軟件的地震波濾波計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)ZK72+762附近有較強(qiáng)的負(fù)反射（如圖1中的藍(lán)色），表明此處圍巖的巖性發(fā)生較大變化，而且在隨后的42m范圍內(nèi)，反射面明顯增多，且以負(fù)反射居多，表明圍巖的節(jié)理裂隙較發(fā)育，完整性較差。再比較縱波和橫波的提取圖以及查看縱波和橫波的速度比，可以看出此段范圍內(nèi)含水的可能性較大。綜合考慮各個(gè)方面可以斷定此處就是F2斷層所在具體位置。從ZK72+720開始，有一強(qiáng)烈的紅色正反射，再結(jié)合2D圖、速度圖、巖性圖，可以發(fā)現(xiàn)此段圍巖反射面較少且以正反射為主，速度較高，密度較大，泊松比較小，從上述分析可以看出，圍巖在此處開始稍微變好，趨向于完整，但再向前總體來說，還是負(fù)反射較多，且較強(qiáng)，因此可以確定在ZK72+650之前隧道基本在斷層影響帶內(nèi)。后經(jīng)超前水平探孔和開挖得知，預(yù)報(bào)結(jié)果的誤差在2m左右，實(shí)際開挖時(shí)，圍巖在ZK72+761附近開始變差，并出現(xiàn)磨礫巖，與預(yù)報(bào)的地質(zhì)情況基本吻合。

圖1 TSP反射層提取圖

3.2 探地雷達(dá)

在開挖過程中，直到ZK72+764附近（出口端由大里程向小里程掘進(jìn)），隧道的圍巖還是完整的碳酸鹽巖，未曾出現(xiàn)一點(diǎn)破碎的跡象，考慮到碳酸鹽巖是可溶性巖石和TSP的預(yù)報(bào)結(jié)果，因此不排除有溶洞的可能，為了施工安全，防止涌水和突泥的發(fā)生，決定采用探地雷達(dá)來對(duì)前方的圍巖進(jìn)行有針對(duì)性的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

信號(hào)采集在掌子面ZK72+764上進(jìn)行，采用SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)，其測(cè)線布置如圖2所示。參數(shù)設(shè)置：時(shí)間域采樣間隔1ns，時(shí)窗開至400ns，介電常數(shù)7.8，為了加大探測(cè)深度故配置了頻率為100M的天線。通過對(duì)該測(cè)線進(jìn)行連續(xù)4次的信號(hào)采集后，對(duì)探測(cè)所得的回波進(jìn)行漂移去除、零線設(shè)定、背景去噪、增益、平衡和混波處理后，得到回波圖，如圖3所示?？梢钥闯鲈?m深處，回波發(fā)生畸變，負(fù)反射開始急劇變大，表明圍巖中開始出現(xiàn)空洞或者軟質(zhì)充填物。從3m處沿軸線延伸12m左右，負(fù)反射變化劇烈，表明圍巖中出現(xiàn)不良地質(zhì)體，而且形體巨大，橫跨在掌子面前方。后經(jīng)超前水平探孔和開挖得知，此段為一被硬塑黃泥和巨大孤石共同充填的特大充填型溶洞，預(yù)報(bào)情況與實(shí)際開挖情況基本吻合。

圖2 雷達(dá)探測(cè)軌跡

圖3 探地雷達(dá)回波圖

3.3 紅外探水

在做了雷達(dá)探測(cè)，對(duì)于前方的圍巖情況有了一個(gè)比較詳細(xì)的了解以后，項(xiàng)目部對(duì)掌子面繼續(xù)進(jìn)行掘進(jìn)，在掘進(jìn)到ZK72+761附近時(shí)，開始出現(xiàn)少量的黃色硬塑泥土，再向前開挖1m左右，黃色硬塑泥土幾乎覆蓋了掌子面，并偶有巨塊的孤石包裹其中，重達(dá)20多t，孤石間存有面積為20cm2的空洞，伴有呼呼的風(fēng)聲和微弱的水聲?？紤]到TSP預(yù)報(bào)中，此段可能含水，且通過已開挖段的地質(zhì)素描，結(jié)合目前掌子面情況，進(jìn)行地質(zhì)分析可以推斷出前段可能存在隱伏的含水構(gòu)造，為了防止突水涌泥災(zāi)害發(fā)生，項(xiàng)目部決定進(jìn)行紅外探水預(yù)測(cè)，從而對(duì)TSP和GPR結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比。

儀器是煤炭科學(xué)院研制的HY-303型防爆紅外探測(cè)儀。測(cè)點(diǎn)布設(shè)是從掌子面（ZK72+761）向洞口方向按左拱腳、左拱腰、拱頂、右拱腰、右拱腳的順序進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)斷面的測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，每5m測(cè)取一組數(shù)據(jù)，共12個(gè)斷面，總長(zhǎng)60m，并繪制相應(yīng)的輻射曲線，如圖5所示，根據(jù)曲線的趨勢(shì)判斷前方有無含水。對(duì)比處理后的五條場(chǎng)強(qiáng)曲線，可以看出左邊墻中部和左起拱線處場(chǎng)強(qiáng)值均有明顯的降低，并結(jié)合TSP的含水預(yù)報(bào)，推斷認(rèn)為掌子面左前方可能存在隱伏的含水構(gòu)造，后經(jīng)水平鉆探和現(xiàn)場(chǎng)開挖得知，在ZK72+757附近出現(xiàn)較大的流水，與預(yù)測(cè)情況完全吻合。

圖4 紅外線探軌跡

圖5 紅外線探水成果圖

3.4 建議

通過這一工程案例的成功實(shí)施，三種無損探測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，導(dǎo)致其適用性存在差異，在保證預(yù)報(bào)精度的前提下，從預(yù)報(bào)距離上來說，TSP的預(yù)報(bào)距離在100m左右，視圍巖條件可以進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)距離一般在30m以內(nèi)；紅外探水的功能相對(duì)單一，預(yù)報(bào)距離也一般控制在20m以內(nèi)，且不能準(zhǔn)確確定位置。

在隧道施工過程中，建議全程采用TSP進(jìn)行長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)，盡可能少的干擾施工基本作業(yè)，通過分析TSP預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)隧道可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的段落采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行針對(duì)性預(yù)報(bào)，對(duì)于可能存在地下水體的段落進(jìn)行輔助性紅外探水驗(yàn)證工作，從而盡可能地避免漏報(bào)、誤報(bào)現(xiàn)象的發(fā)生，保證隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

（1）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)都有其局限性，在實(shí)踐過程中要結(jié)合具體的隧道和地質(zhì)條件綜合運(yùn)用。

（2）TSP作為長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)手段，貫穿整個(gè)施工期的預(yù)報(bào)方法是比較可取的；地質(zhì)雷達(dá)作為短距離、高精度的預(yù)報(bào)手段在潛在不良地質(zhì)段具有較高的可信性；紅外探水?dāng)y帶方便、操作簡(jiǎn)單可以對(duì)短距離內(nèi)含水構(gòu)造的存在與否做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

（3）預(yù)報(bào)過程中要對(duì)不同手段的局限性有清楚認(rèn)識(shí)。TSP系統(tǒng)對(duì)于較小洞穴、沿軸線的順層變化不敏感；雷達(dá)探測(cè)的距離較短，對(duì)探測(cè)位置平整度有較高要求；紅外探水對(duì)于隧道內(nèi)熱源比較敏感，尤其是近掌子面的噴射混凝土。

（4）現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)預(yù)報(bào)工作要從洞內(nèi)與洞外兩個(gè)環(huán)境、鉆探與物探兩個(gè)方法、長(zhǎng)距離低精度與短距離高精度不同物探手段三個(gè)方面著手，倚重科學(xué)結(jié)合的物探手段，注重鉆孔驗(yàn)證，避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

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