綜合物探技術(shù)在隧道基底巖溶探測(cè)中的應(yīng)用

劉　杰，杜　翠，程遠(yuǎn)水( 1．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　100081; 2．高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081)

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綜合物探技術(shù)在隧道基底巖溶探測(cè)中的應(yīng)用

劉杰1，2，杜翠1，2，程遠(yuǎn)水1，2
( 1．中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 2．高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

摘要:巖溶塌陷是鐵路建設(shè)中經(jīng)常遇到的地質(zhì)災(zāi)害，具有隱蔽性、突發(fā)性等特點(diǎn)，是隧道工程主要安全隱患之一。本文采用探地雷達(dá)和地震映像相結(jié)合的綜合物探技術(shù)，對(duì)準(zhǔn)格爾—朔州鐵路六郎山隧道底部進(jìn)行巖溶探測(cè)。首先應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)整個(gè)隧道底部進(jìn)行全面探測(cè)，初步識(shí)別隧道底部巖溶的分布范圍、巖溶類型、巖溶發(fā)育程度等異常情況，再利用地震映像技術(shù)對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證，從而最終確定巖溶的分布。兩種方法相互驗(yàn)證，減少了誤判，效果良好。

關(guān)鍵詞:隧道基底巖溶探地雷達(dá)地震映像綜合探測(cè)

巖溶是水對(duì)可溶巖的化學(xué)溶解作用與機(jī)械破壞作用以及由這些作用所引起的各種地質(zhì)現(xiàn)象與形態(tài)的總稱［1］。巖溶因具有隱蔽性、突發(fā)性、危害大等特點(diǎn)，是隧道工程中主要的安全隱患。每年由巖溶塌陷引起的安全事故數(shù)量多，損失巨大，嚴(yán)重影響隧道建設(shè)以及隧道運(yùn)營安全［2］，因此，查明在建隧道巖溶的分布，并及時(shí)進(jìn)行加固處理十分必要。目前，巖溶探測(cè)主要有鉆探和物探兩種方法。鉆探屬于破損檢測(cè)，其結(jié)果比較準(zhǔn)確，但是探測(cè)速度緩慢，費(fèi)用高，只能單點(diǎn)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果不全面，容易遺漏;物探方法具有探測(cè)速度快，精度高，無損、費(fèi)用低廉等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于巖土工程中。常用的巖溶物探方法有淺層地震法［3］、電阻率測(cè)深法［4-5］、探地雷達(dá)法［6-10］等。本文采用探地雷達(dá)和地震映像相結(jié)合的綜合物探方法對(duì)山西準(zhǔn)朔鐵路六狼山隧道底部巖溶進(jìn)行探測(cè)，驗(yàn)證檢測(cè)效果。

1　工程概況

六狼山隧道位于管涔山脈中段東側(cè)邊緣，地勢(shì)西高東低，海拔在1 260～1 810 m，最大埋深549 m。中部屬中、低山，該區(qū)以強(qiáng)烈剝蝕、切割地質(zhì)作用為主。大部分區(qū)域有奧陶系碳酸巖系地層出露，地形起伏較大。

隧道地下水類型主要為孔隙潛水、巖溶水、基巖裂隙水和構(gòu)造水。其中，孔隙潛水分布于隧道區(qū)東部、南部，主要賦存于第四系土石界面及溝谷碎石類土層中，受氣候影響較大;裂隙巖溶水主要分布于奧陶系和寒武系碳酸巖地區(qū)。含水層巖性主要為白云巖和灰?guī)r。區(qū)域巖溶水補(bǔ)給面積大，而淺層排泄量小，裂隙、溶隙、溶孔較為發(fā)育。

隧道區(qū)域存在兩條較大的斷層，即FY1逆斷層和FY2大傾角正斷層。該區(qū)域?qū)儆谔猩健獏瘟荷健幧娇刂茀^(qū)域的第三隆起帶，古巖溶較為發(fā)育。在初期地質(zhì)勘察報(bào)告中存在十幾處低電阻異常區(qū)，推測(cè)為巖溶發(fā)育區(qū)，但在隧道開挖過程中，沒有揭露到。為了防止巖溶位于隧道底部，危及隧道安全運(yùn)營，在隧道貫通以后對(duì)隧道底部進(jìn)行一次巖溶調(diào)查。采用的方法為探地雷達(dá)和地震映像相結(jié)合的綜合物探方法，并配合少量的鉆探進(jìn)行驗(yàn)證。

2　探測(cè)方法

2. 1探地雷達(dá)

探地雷達(dá)通過天線向地下發(fā)射高頻率、寬頻帶的短脈沖電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中，在不同電性介質(zhì)的交界面，電磁波發(fā)生反射和透射。反射電磁波被接收。通過計(jì)算電磁波在介質(zhì)中的雙程走時(shí)、振幅大小、頻譜、相位以及衰減等信息，來判斷地下異常體的大小、埋深和性質(zhì)。

2. 2地震映像

地震映像是基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的。是以相同的偏移距逐步移動(dòng)測(cè)點(diǎn)接收地震信號(hào)，對(duì)隱伏地層或目標(biāo)體進(jìn)行連續(xù)掃描，利用多種地震波信息來探測(cè)地下介質(zhì)變化的淺層地震勘探方法。該方法以小偏移距、小點(diǎn)距密集采集人工激發(fā)的彈性波中的面波、反射波等地震波信息?？梢岳枚喾N地震波作為有效波來進(jìn)行探測(cè)，也可以根據(jù)探測(cè)目的要求，僅采用一種特定的地震波作為有效波。依據(jù)地震映像資料在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的變化特征，分析地下介質(zhì)的非連續(xù)性和各向異性變化，從而推斷巖溶、溶洞、空洞的形態(tài)、規(guī)模及空間分布，圈定巖溶發(fā)育帶。

3　數(shù)據(jù)采集

3. 1探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集

為獲取較好的巖溶探測(cè)效果，本次隧道基底巖溶探測(cè)選用美國GSSI公司生產(chǎn)的10-B型探地雷達(dá)，配置100 MHz加強(qiáng)型天線。為保障一定探測(cè)深度，采樣時(shí)間為500 ns，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024點(diǎn)，7點(diǎn)自動(dòng)增益，全通型濾波器。為保證巖溶探測(cè)位置的準(zhǔn)確性，在數(shù)據(jù)采集過程中，每5 m樁號(hào)打單標(biāo)，整100 m樁號(hào)打雙標(biāo)，整1 000 m樁號(hào)打三標(biāo)。在整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程中探測(cè)速度保持勻速且≤5 km/h。

3. 2地震映像數(shù)據(jù)采集

地震映像探測(cè)儀器是美國ES-3000簡(jiǎn)約式淺層地震儀，配置30 kHz，100 kHz兩種檢波器，錘擊震源。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)噪音調(diào)查試驗(yàn)，確定地震映像采集參數(shù)為:采樣間隔25 μs，采樣點(diǎn)數(shù)8 192，偏移距(炮檢距) 5 m，道間距0. 5 m。

4　數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是綜合物探方法的重要環(huán)節(jié)。在數(shù)據(jù)采集過程中，不僅采集到地下有效的異常信號(hào)，也采集到周圍環(huán)境干擾信號(hào)，以及由于儀器設(shè)備自身原因所產(chǎn)生的水平干擾信號(hào)，因此，必須對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，壓制干擾信號(hào)，突出有效信號(hào)，提高原數(shù)據(jù)的信噪比，有利于異常結(jié)構(gòu)的診斷和判識(shí)。

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理步驟主要包括零點(diǎn)校正、漂移去除、增益處理、濾波處理、頻率補(bǔ)償、反褶積、小波變換等。

地震映像數(shù)據(jù)處理分為兩個(gè)階段:①將記錄數(shù)據(jù)處理成圖像，從圖像上進(jìn)行巡視，確定標(biāo)志層與異常，分析異常處的相位特征、頻率特征等;②用專用軟件包對(duì)所確定的異常進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理通過地震道信號(hào)預(yù)處理、靜校正、振幅補(bǔ)償和空間濾波形成地震映像資料，再根據(jù)影像資料結(jié)合工程地質(zhì)特征進(jìn)行地基狀態(tài)評(píng)估。

在地震映像時(shí)間剖面上，那些具有低速、散射、頻率變化、能量衰減明顯等特征，且呈現(xiàn)低頻振蕩的異常區(qū)域，推斷有巖溶、溶洞、空洞、軟弱層等不良地質(zhì)體存在;在地震映像時(shí)間剖面上呈現(xiàn)多相位、波組不連續(xù)、同相軸錯(cuò)斷、斷面波等特征，且能量、速度不明顯降低的異常區(qū)域，推斷有破碎、斷裂構(gòu)造。

5　探測(cè)結(jié)果

通過對(duì)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理，在雷達(dá)剖面上可以明顯地發(fā)現(xiàn)，在本次探測(cè)的區(qū)段中巖溶情況較為發(fā)育。根據(jù)巖溶在雷達(dá)剖面上的表現(xiàn)形式把測(cè)區(qū)內(nèi)的巖溶分為斷層破碎帶巖溶、溶洞充填型巖溶、裂隙型巖溶等。

圖1 DK22 + 950—DK22 + 990探地雷達(dá)剖面

斷層破碎帶巖溶。圖1為該隧道DK22 + 950—DK22 + 990探地雷達(dá)剖面。從整個(gè)雷達(dá)剖面上可以看出:在0～45 ns范圍內(nèi)，存在一組水平連續(xù)的反射波，這是隧底至仰拱充填混凝土部分反射特征;在DK22 + 955—DK22 + 985，60～170 ns存在一個(gè)傾角較大的反射界面，該界面把兩側(cè)的水平同相軸截?cái)嗖㈠e(cuò)開，從結(jié)構(gòu)上推斷該反射界面為斷層面;在傾斜反射界面下方，反射波同相軸不連續(xù)，反射能量強(qiáng)、反射零亂，推測(cè)為斷層錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的破碎體，反射能量強(qiáng)表明破碎體含水較多。結(jié)構(gòu)體巖性為碳酸巖，因此推測(cè)該處為斷層破碎帶導(dǎo)致的巖溶體。

為驗(yàn)證探地雷達(dá)檢測(cè)的效果和確定巖溶規(guī)模，分別采用地震映像和鉆探取芯法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了探測(cè)。圖2為DK22 + 940—DK23 + 015地震映像剖面和DK22 + 970處巖芯照片。在地震映像剖面上，DK22 + 950—DK22 + 985范圍內(nèi)，5 ms時(shí)間下方，地震波近似呈弧形反射，在弧形反射下方，地震波組不連續(xù)、零亂，并伴有多次震蕩，推測(cè)該處地層極為破碎。DK22 + 970處的巖芯情況與探地雷達(dá)和地震映像探測(cè)的結(jié)果相當(dāng)吻合。

溶洞充填型巖溶。對(duì)于沒有充填的溶洞，由于溶洞與圍巖的相對(duì)介電常數(shù)存在較大的差異，溶洞在雷達(dá)剖面上很容易識(shí)別出來;但是如果溶洞受到外來的物體充填，洞體與圍巖的相對(duì)介電常數(shù)差異變小，反射能量降低，在雷達(dá)剖面上界限不明顯，很難分辨。對(duì)此可以從溶洞周邊圍巖反射同相軸變化以及溶洞內(nèi)充填物的反射特征來確定。圖3為DK32 + 985—DK33 + 025探地雷達(dá)剖面。由圖可見:在0～70 ns雷達(dá)反射波平直連續(xù)無異常;在70 ns下方，在DK32 + 990—DK33 + 025兩側(cè)反射信號(hào)同相軸畸變呈弧形;內(nèi)部反射信號(hào)同相軸不連續(xù)、零亂，波組變寬、頻率降低、反射能量增強(qiáng)，表明內(nèi)部巖體破碎且含水量較大。推測(cè)該處為溶洞充填型巖溶。

圖2 DK22 + 940—DK23 + 015地震映像剖面及DK22 + 970處巖芯照片

圖3 DK32 + 985—DK33 + 025探地雷達(dá)剖面

圖4為DK32 + 995—DK33 + 050地震映像剖面和DK33 + 010處巖芯照片。從圖4 ( a)可以看出，在DK32 + 995—DK33 + 050范圍內(nèi)，15 ms以下地震波能量衰減較慢，震蕩十分強(qiáng)烈，表明該處巖石特別松散破碎。從圖4( b) DK33 + 010處鉆芯照片可以看出，在4～8 m深度范圍內(nèi)圍巖十分破碎，在8～10 m深度范圍內(nèi)均為含水率較大的黏土充填，與探地雷達(dá)和地震映像結(jié)果基本吻合。

圖4 DK32 + 995—DK33 + 050地震映像剖面及DK33 + 010處巖芯照片

裂隙型巖溶。圖5為DK23 + 170—DK23 + 220探地雷達(dá)剖面，從圖5可以清晰地看到幾組從右上方向左下方傾斜的平行反射信號(hào)( A，B，C，D)。根據(jù)地質(zhì)資料，推斷這幾組平行反射為巖層面(或節(jié)理面)的反射。此外，在圖5中還存在幾組傾角較大的由左上角向右下角傾斜的反射信號(hào)( a，b，c，d)，這幾組反射信號(hào)與前述的A，B，C，D反射信號(hào)斜交，形成幾組相互切割的“X”形反射界面。由“X”形反射信號(hào)的振幅較大，能量較強(qiáng)，推測(cè)含水較多;再根據(jù)雷達(dá)剖面反射信號(hào)的形態(tài)，推測(cè)該處為裂隙型巖溶。

圖5 DK23 + 170—DK23 + 220探地雷達(dá)剖面

6　結(jié)論

1)通過探地雷達(dá)和地震映像綜合檢測(cè)，該區(qū)域無大型巖溶，但中小型巖溶較發(fā)育，巖溶類型較多，其發(fā)育規(guī)模和大小受斷裂構(gòu)造的控制。

2)探地雷達(dá)和地震映像對(duì)隧道底部巖溶均有較好的響應(yīng)。對(duì)于淺層巖溶，探地雷達(dá)有更高的分辨能力;對(duì)于深層巖溶，地震映像有更強(qiáng)的穿透力。

3)由于地球物理探測(cè)方法自身具有多解性，單一的物探方法都難于準(zhǔn)確判斷出巖溶病害，因此采用兩種或兩種以上的綜合物探方法可以有效克服單一物探方法自身的局限性，能夠較為準(zhǔn)確地確定巖溶病害的位置、性質(zhì)和規(guī)模等。

4)綜合物探方法是一種無損檢測(cè)方法。不同的物探方法可以相互驗(yàn)證，減少誤判，可以為工程建設(shè)節(jié)省大量時(shí)間和財(cái)力，是巖溶探測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

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(責(zé)任審編葛全紅)

Application of comprehensive geophysical exploration technologies for probing karst under tunnel invert

LIU Jie1，2，DU Cui1，2，CHENG Yuanshui1，2
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:Karst collapse is one of the common geological hazards in railway construction，which has the characteristics of concealment and emergency and is one of the major security risks for the tunnel project．T his paper adopted comprehensive geophysical exploration technology by combing the ground penetrating radar( GPR) and the seismic image，and made karst exploration at the bottom of Liulangshan tunnel in Zhungeer-Shuozhou railway．Overall exploration of whole tunnel bottom was implemented by GPR，which could initially identify such abnormal conditions as the distribution range，the karst type and the karst development degree at the bottom of the tunnel，the abnormal regions were verified by seismic image technology，and the karst distribution was determined finally．T wo methods are validated by each other，reducing the false positives，and the good effect is achieved．

Key words:T unnel basement; Karst; Ground penetrating radar( GPR) ; Seismic image; Comprehensive exploration

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 01-0038-05

中圖分類號(hào):P631．4+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．08

作者簡(jiǎn)介:劉杰( 1971—)，男，副研究員，博士。

基金項(xiàng)目:中國鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目( 2015YJ036)

收稿日期:2015-11-10;修回日期: 2015-12-20