綜合物探方法在地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

楊嘉明，劉 凱，韓 飛，郭 奇，2

（1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130062；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

綜合物探方法在地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

楊嘉明1,2，劉 凱1，韓 飛1,2，郭 奇1，2

（1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130062；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

通過(guò)兩種方法綜合應(yīng)用，探討選擇合理有效的預(yù)報(bào)方法，采用探地雷達(dá)和地震波反射相結(jié)合的隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法，對(duì)吉林省某供水工程二標(biāo)段樁號(hào)23+706掌子面進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，取得了較好的效果。

地質(zhì)超前預(yù)報(bào)；探地雷達(dá)；地震波反射

0 引言

隧洞開(kāi)挖是水利、鐵路、公路等各個(gè)行業(yè)在實(shí)際工程中遇到的必要環(huán)節(jié)，而地下不良地質(zhì)體的特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)際開(kāi)挖及處理。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多單位結(jié)合工程對(duì)隧道施工進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)理論研究與應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)較領(lǐng)先的技術(shù)方法是探地雷達(dá)法和地震波反射法結(jié)合探測(cè)較為廣泛。

鑒于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際巖性設(shè)置合理參數(shù)，盡可能取得高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)，并結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行綜合處理分析，探測(cè)出不良地質(zhì)體實(shí)際規(guī)模、走向，為施工處理提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

吉林省某供水工程總干線70 km，其中二標(biāo)段樁號(hào)為2+000～24+600。此段涉及地層巖性主要有凝灰?guī)r、安山巖、砂巖、花崗巖。斷裂構(gòu)造多有繼承性和復(fù)合型的特點(diǎn)。斷層多位于溝谷部位，和地下水、地表水很容易形成密切的聯(lián)系，工程地質(zhì)性質(zhì)差，往往成為隧洞涌水、突水、突泥的主要部位。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，樁號(hào)23+706掌子面處巖性為凝灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石完整性差，伴有基巖滲水，常有掉塊現(xiàn)象，圍巖類(lèi)別為V類(lèi)圍巖。地上地貌為河谷，常年流水。掌子面及前方55 m內(nèi)均為引水洞過(guò)溫德河段，且埋深較淺。

2 預(yù)報(bào)方法及原理

2.1 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)采用的是時(shí)間域脈沖雷達(dá)，將寬頻帶的脈沖電磁波發(fā)射到地下介質(zhì)中，通過(guò)接受反射信號(hào)達(dá)到探測(cè)地下目標(biāo)的目的，雷達(dá)系統(tǒng)向被探測(cè)物發(fā)射電磁波脈沖，電磁脈沖穿過(guò)介質(zhì)表面，碰到目標(biāo)物或不同介質(zhì)的界面而被反射回來(lái)，根據(jù)電磁波的雙程走時(shí)，分析確定探測(cè)目標(biāo)的形態(tài)及結(jié)構(gòu)特性，詳見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理圖

此次預(yù)報(bào)使用Zond-12e型地質(zhì)雷達(dá)儀，根據(jù)探測(cè)前方的巖性特征及現(xiàn)場(chǎng)的工作條件，探測(cè)距離可以達(dá)到30 m左右。測(cè)試時(shí)在掌子面處布置“井”字形剖面4個(gè)，采用點(diǎn)測(cè)方式，雷達(dá)天線貼近掌子面20 cm，并且垂直掌子面正前方施測(cè)，測(cè)試點(diǎn)距為5 cm。沿井字剖面逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。本次超前探測(cè)的天線中心頻率為75 MHz，所以在進(jìn)行數(shù)字濾波時(shí)，選擇頻率為19～150 MHZ的帶通濾波器進(jìn)行濾波。

2.2 地震波反射法

此次預(yù)報(bào)中地震波超前預(yù)報(bào)法使用的是TRT6000，原理是當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異（密度和波速的乘積）界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面。反射的地震信號(hào)被高靈敏地震信號(hào)傳感器接收，通過(guò)分析，被用來(lái)了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等），位置及規(guī)模。

此次在探查區(qū)共安裝10個(gè)傳感器，隧道左右邊墻各布置4個(gè)，洞頂2個(gè)，錘擊震源點(diǎn)共計(jì)12個(gè)，隧道左右邊墻各6個(gè)，震源需盡可能的靠近掌子面。這樣共獲取120組反射地震波信號(hào)。震源與傳感器點(diǎn)代號(hào)分布如圖2。

圖2 TRT傳感器布設(shè)

3 數(shù)據(jù)處理及成果分析

3.1 探地雷達(dá)法

在成果解釋中，雷達(dá)的起始初至相位一般為正相位，如發(fā)現(xiàn)有明顯的正相位強(qiáng)波反射波組出現(xiàn)，應(yīng)是巖層巖性變好的表現(xiàn)；如發(fā)現(xiàn)有明顯的反相位反射波組出現(xiàn)，應(yīng)是巖性變壞的反映；根據(jù)反射波反射強(qiáng)度的大小可以區(qū)分反射界面前方介質(zhì)的巖性特征，比如地下水賦存情況等。

依據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理結(jié)果并結(jié)合地質(zhì)資料分析得出以下預(yù)報(bào)結(jié)果，見(jiàn)圖3中1~6不同部位；

①樁號(hào)23+710～23+713雷達(dá)反射信號(hào)強(qiáng)烈為含水裂隙破碎帶，見(jiàn)部位1；

②樁號(hào)23+716～23+719雷達(dá)反射信號(hào)強(qiáng)烈為大面積含水裂隙破碎帶，見(jiàn)部位2；

③樁號(hào)23+719～23+722米雷達(dá)反射信號(hào)強(qiáng)烈有2處含水裂隙破碎帶，見(jiàn)部位3，4，樁號(hào)23+ 722～23+732處有幾處含水裂隙，見(jiàn)部位5，6；

④樁號(hào)23+737～23+738處有裂隙含水，見(jiàn)部位6。

3.2 地震波反射法

3.2 ．1 TRT6000數(shù)據(jù)處理流程由下面八個(gè)步聚組成：

①下載地震波數(shù)據(jù)和震源、傳感器位置的坐標(biāo)；

②設(shè)定地層成像區(qū)域和最佳精度（節(jié)點(diǎn)數(shù)目）的大??；

③設(shè)定濾波，選取每個(gè)記錄的直達(dá)波，并計(jì)算地震波的平均波速；

④為所選區(qū)塊構(gòu)建地震波速度模型；

⑤為數(shù)據(jù)處理設(shè)定過(guò)濾參數(shù)；

⑥重復(fù)步聚③，④，⑤處理數(shù)據(jù)，直到處理結(jié)果達(dá)到平衡，噪音干擾衰減到足夠小；

⑦設(shè)定背景2（比例、顏色代碼）來(lái)顯示結(jié)果；

⑧審查和分析在巖層中探測(cè)到的異常的平面（二維）和立體（三維）繪圖。

3.2 ．2 TRT6000成像圖

采用相對(duì)解釋原理，即確定一個(gè)背景場(chǎng)，所有解釋相對(duì)背景值進(jìn)行，異常區(qū)域會(huì)偏離背景區(qū)域值，根據(jù)偏離與分布多少解釋隧道前方的地質(zhì)情況。

1）一般來(lái)說(shuō)，軟件設(shè)定圍巖相對(duì)背景值破碎、含水區(qū)域呈藍(lán)色顯示，相對(duì)背景值硬質(zhì)巖石呈黃色顯示；

2）從整體上對(duì)成像圖進(jìn)行解釋?zhuān)荒軉为?dú)參照一個(gè)斷面的圖像；

3）根據(jù)異常區(qū)域圖像相對(duì)于圍巖背景，從背景波速分析異常的波速差異，進(jìn)而判斷圍巖類(lèi)別。

依據(jù)TRT6000地震數(shù)據(jù)處理結(jié)果并結(jié)合地質(zhì)資料分析得出以下預(yù)報(bào)結(jié)果：樁號(hào)23+716～23+ 723范圍內(nèi)破碎，含水，詳見(jiàn)圖4。

圖3 探地雷達(dá)成果圖

圖4 TRT6000三維側(cè)視成果圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)綜合物探方法探測(cè)隧洞中的不良地質(zhì)體可行、有效，且在后期的工程開(kāi)挖中得到了驗(yàn)證，為隧洞的開(kāi)挖處理提供了可靠依據(jù)，避免盲目施工誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，可在以后的工程中廣泛應(yīng)用。

［1］曾昭發(fā)，劉四新，王者江，薛建.探地雷達(dá)方法原理及應(yīng)

表1 實(shí)際洪水、洪水預(yù)報(bào)及修正預(yù)報(bào)結(jié)果

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2016-06-11