復(fù)雜地質(zhì)富水隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)研究

董 晉

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300000)

1 引 言

隨著鐵路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和“一帶一路”倡議的深入實(shí)施，新建鐵路項(xiàng)目逐漸向艱險(xiǎn)復(fù)雜山區(qū)轉(zhuǎn)移，為了保持線路的平順性和運(yùn)輸安全及生態(tài)環(huán)境，隧道工程的比例越來(lái)越高，且長(zhǎng)度和埋深不斷加大。因此遇到的隧道工程地質(zhì)問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜。在建設(shè)復(fù)雜地區(qū)的隧道工程，特別是穿越富水區(qū)域時(shí)，經(jīng)常會(huì)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中遭遇大型溶洞、涌水、突泥、暗河等地質(zhì)災(zāi)害。然而，由于地面勘察手段和精度的限制以及地下富水發(fā)育的不規(guī)律性，根據(jù)地面勘察資料做出的設(shè)計(jì)圖紙與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況不符的現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)。因此，在復(fù)雜隧道開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)富水段落的準(zhǔn)確探測(cè)和隧道的施工極其重要。

以往隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作普遍使用單一的方法，如地質(zhì)雷達(dá)或TSP，來(lái)探測(cè)前方情況。工程實(shí)踐證明，采用某一種預(yù)報(bào)方法進(jìn)行探測(cè)，其預(yù)報(bào)結(jié)果不能全面、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)開(kāi)挖面前方圍巖及地下水變化情況，易造成誤報(bào)、漏報(bào)現(xiàn)象。因此采用多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)相結(jié)合的綜合探測(cè)方法能夠大大提高探測(cè)精度[1-4]。本文根據(jù)某鐵路隧道的地質(zhì)與水文情況，采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)富水隧道進(jìn)行超前探測(cè)，取得了良好的效果。

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是一種結(jié)合多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，采用將長(zhǎng)期預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)、探水、地質(zhì)反饋分析等相結(jié)合的預(yù)報(bào)方式。每類(lèi)技術(shù)有各自的適用范圍、敏感特性和優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)選取多種預(yù)報(bào)方法，其預(yù)報(bào)物性參數(shù)可以相互補(bǔ)充配合，預(yù)報(bào)結(jié)論可以相互印證，從而可以更加全面、準(zhǔn)確地表現(xiàn)出來(lái)[5-8]。

2.1 TSP

TSP(Tunnel Seismic Prediction)是應(yīng)用地震波在傳播過(guò)程中遇到不均勻地質(zhì)體(存在波阻抗差異)時(shí)會(huì)發(fā)生反射的原理，結(jié)合隧洞的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)沿隧洞后方布置震源和傳感器來(lái)探測(cè)隧洞前方地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的觀測(cè)系統(tǒng)。與常規(guī)地面地震勘探關(guān)注介質(zhì)垂直變化不同，TSP更關(guān)注介質(zhì)的水平變化情況。為了從地震記錄中獲得隧洞前方反射波信息，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中進(jìn)行上下行波場(chǎng)分離并保留下行波(負(fù)視速度)，處理本質(zhì)上就是壓制來(lái)自測(cè)線垂向上的信息而保留來(lái)自水平方向上的反射信息。通過(guò)數(shù)據(jù)處理可以獲得P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學(xué)參數(shù)等成果，以及反射層在探測(cè)范圍內(nèi)的2D或3D空間分布，從而了解隧道工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)和位置及規(guī)模[9-11]。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)采用的是時(shí)間域脈沖雷達(dá)，將寬頻帶的高頻脈沖電磁波發(fā)射到前方圍巖介質(zhì)中，通過(guò)接收反射回來(lái)的電信號(hào)達(dá)到探測(cè)掌子面前方圍巖情況的目的。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)，就可以分析確定探測(cè)目標(biāo)的形態(tài)及結(jié)構(gòu)特性[12,13]。地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)精度較高，但因電磁波在巖土體內(nèi)衰減較快，其探測(cè)距離一般在30～50 m左右，適用于短距離構(gòu)造的精細(xì)探測(cè)。

2.3 瞬變電磁

瞬變電磁是時(shí)間域電磁方法的一種，通過(guò)對(duì)發(fā)射小線圈加載一個(gè)電流脈沖方波，電流脈沖方波在下降的瞬間，根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，沿電流方向?qū)a(chǎn)生一個(gè)向隧道圍巖四周傳遞的一次瞬變磁場(chǎng)，圍巖在瞬變磁場(chǎng)的感應(yīng)下將產(chǎn)生渦流，而渦流大小與圍巖的導(dǎo)電能力呈正比關(guān)系。在瞬變磁場(chǎng)消弱以后，感應(yīng)渦流將會(huì)有一段過(guò)渡衰減過(guò)程，該衰減過(guò)程會(huì)產(chǎn)生二次感應(yīng)磁場(chǎng)。使用探頭或小線圈在隧道開(kāi)挖掌子面捕捉接收二次感應(yīng)磁場(chǎng)，通過(guò)接收到的磁場(chǎng)判斷圍巖介質(zhì)情況[14-16]。

2.4 CFC

CFC(Complex Frequency Conductivity)是復(fù)頻電導(dǎo)率方法的簡(jiǎn)稱(chēng),是一種超前探水探測(cè)系統(tǒng)，它屬于電磁波探水技術(shù)。巖體是具有電導(dǎo)率與電容率的復(fù)頻電導(dǎo)介質(zhì)，含水后復(fù)頻電導(dǎo)率增大，本征阻抗降低。電磁波遇到本征阻抗變化的界面就會(huì)發(fā)生反射。使用100 kHz～10 MHz中頻段的電磁波，利用中頻探測(cè)時(shí)，入射和反射的電磁波在空間和時(shí)間上相互干涉，相干的結(jié)果在發(fā)射點(diǎn)與反射面之間形成駐波，有波腹點(diǎn)與波節(jié)點(diǎn)。對(duì)于含水界面，反射波具有半波損失，并且波腹點(diǎn)的相干條件是從接收點(diǎn)到反射界面的距離是1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，波節(jié)點(diǎn)的條件是1/2波長(zhǎng)的整數(shù)倍。在波腹點(diǎn)可得到最強(qiáng)的記錄，獲得相干頻率。利用頻率—距離的1/4波長(zhǎng)原理，建立起反射波相干頻率法。相干幅度的大小，反射波的強(qiáng)度，都與含水量相關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)掌子面前方圍巖含水位置與含水量的預(yù)報(bào)[17,18]。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況及地質(zhì)分析

某鐵路隧道工區(qū)位于安徽省黃山市休寧縣藍(lán)田鎮(zhèn)南北塢村境內(nèi)，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，隧址區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)一級(jí)構(gòu)造單元的江南臺(tái)隆，多發(fā)育東西向、北北東向、山字型及多字型等構(gòu)造體系。隧址區(qū)出露的地層主要為第四系殘坡積層粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土，下伏基巖為：震旦系上統(tǒng)皮園村組硅質(zhì)巖、白云質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)炭質(zhì)泥巖，局部夾炭質(zhì)灰?guī)r；震旦系中統(tǒng)休寧組砂巖，夾泥質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等。地下水類(lèi)型主要為基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水和巖溶水，由于山體切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫，地下水徑流途徑較短，受大氣降雨影響較大，局部淺埋及構(gòu)造帶處地下水直接接受附近地表溪流短距離補(bǔ)給[19,20]。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查成果，區(qū)內(nèi)共有5條斷層、5處節(jié)理密集發(fā)育帶及多處巖性接觸帶，多順溝谷走向或在線路附近穿越溝谷或地表水體，構(gòu)造帶與地表水可能存在一定的水力聯(lián)系，易導(dǎo)水，為可能的涌水通道，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中可能易引發(fā)滲水、突涌水現(xiàn)象。依據(jù)專(zhuān)家風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，該隧道為II級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。

通過(guò)查看該隧道縱斷面設(shè)計(jì)圖，該隧道施工段落XDK0+356～XDK0+140主要為弱風(fēng)化砂巖，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，巖體較完整，地下水主要為基巖裂隙水，不發(fā)育。里程XDK0+290現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖面揭示為：細(xì)砂巖，灰綠色，弱風(fēng)化，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，薄層—中厚層結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀95°∠66°，泥質(zhì)充填，節(jié)理裂隙較發(fā)育，掌子面未見(jiàn)地下水。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法中TSP可以進(jìn)行長(zhǎng)距離探測(cè)，對(duì)斷層、破碎巖體段落探測(cè)準(zhǔn)確度較高；地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，其方法對(duì)圍巖破碎程度更為敏感；瞬變電磁和CFC對(duì)圍巖富水性的預(yù)判較為準(zhǔn)確。綜合工區(qū)現(xiàn)場(chǎng)情況，本文針對(duì)性地制定綜合預(yù)報(bào)方案，選用以上四種方法進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)。

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)觀測(cè)系統(tǒng)布置

3.2.1 TSP現(xiàn)場(chǎng)布置

儀器設(shè)備使用TETSP-2隧道地震超前探測(cè)系統(tǒng)及三分量加速度地震檢波器。數(shù)據(jù)共24道，采樣長(zhǎng)度170 ms，采樣率0.083 ms?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)置接收孔2個(gè)，距離掌子面約55 m，孔深1.5 m，接收孔保持水平，在隧道兩側(cè)對(duì)稱(chēng)位置設(shè)置，用黃泥封孔；現(xiàn)場(chǎng)布置炮孔24個(gè)，位于接收孔同一側(cè)邊墻，炮孔1距離接收孔20 m，炮孔24距掌子面1.5 m，炮孔間距1.5 m，孔深1.5 m，用水封孔。TSP現(xiàn)場(chǎng)施工布置如圖1所示。

圖1 TSP現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖Fig.1 The arrangement of TSP

3.2.2 地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)布置

儀器設(shè)備使用美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的SIR-4 000型地質(zhì)雷達(dá)及100 MHz屏蔽天線進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)條件，在掌子面布置了測(cè)線1條，測(cè)線距掌子面底板高度為1.5 m，測(cè)線從左至右長(zhǎng)為9 m，地質(zhì)雷達(dá)施工做業(yè)示意圖如圖2所示。

3.2.3 瞬變電磁現(xiàn)場(chǎng)布置

儀器設(shè)備使用HPTEM-18等值反磁通瞬變電磁系統(tǒng)，采集設(shè)備發(fā)射電流60 A，發(fā)射頻率12.5 Hz。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)條件，從掌子面左側(cè)開(kāi)始布置測(cè)點(diǎn)，至右側(cè)為止共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間隔1 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)向正前方探測(cè)掌子面巖層的電性變化情況。隧道頂板、隧道中線、隧道底板共布置3條測(cè)線，數(shù)據(jù)采集測(cè)點(diǎn)合計(jì)24個(gè)，瞬變電磁施工布置如圖3所示。

3.2.4 CFC現(xiàn)場(chǎng)布置

儀器設(shè)備使用TD-CFC復(fù)頻電導(dǎo)隧道超前探水系統(tǒng)，CFC采用一組發(fā)射電極、多組接收電極，組合成陣列觀測(cè)方式。洞壁兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置；每側(cè)5個(gè)接收電極，1個(gè)發(fā)射電極；電極間距為10 m；接收電極M1、N1距掌子面10 m，電極埋入深度1.5 m，電極與圍巖通過(guò)錨固劑良好耦合，CFC超前探水施工布置如圖4所示。

3.3 探測(cè)結(jié)果及分析

上述四種綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)里程示意圖如圖5所示。

圖5 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)示意圖Fig.5 Schematic diagram of comprehensive advanced geological prediction

在里程XDK0+347、XDK0+290分別施工做業(yè)TSP和CFC，探測(cè)前方圍巖情況。TSP數(shù)據(jù)通過(guò)觀測(cè)系統(tǒng)定義→濾波→初至拾取與校正→炮能量均衡→反Q濾波→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層等處理。圖6為T(mén)SP深度偏移剖面及反射層提取圖，圖7為T(mén)SP波速曲線圖。

圖6 TSP深度偏移剖面及反射層提取Fig.6 The depth migration profile and reflection layer extraction image of TSP

圖7 TSP波速曲線Fig.7 The wave velocity curve of TSP

從圖6 TSP深度偏移剖面及反射層提取圖可以看出,里程XDK0+267～XDK0+187段反射信號(hào)較強(qiáng)，存在多組明顯波阻抗界面。從圖7波速曲線圖中可以看出，里程XDK0+267～XDK0+250段和XDK0+237～XDK0+207段縱波速度起伏劇烈，XDK0+267～XDK0+247段及XDK0+227～XDK0+200段橫波速度下降明顯，縱橫波比明顯上升，推測(cè)該段落節(jié)理裂隙相對(duì)發(fā)育，可能存在節(jié)理密集帶，地下水相對(duì)發(fā)育。

CFC數(shù)據(jù)通過(guò)記錄選取→數(shù)據(jù)預(yù)處理→觀測(cè)系統(tǒng)幾何位置編輯→頻譜歸一化→CFC電磁波速掃描→CFC合成孔徑偏移成像計(jì)算等過(guò)程，成果如圖8所示。

圖8 CFC偏移圖像Fig.8 The migration image of CFC

CFC彩色圖像表示偏移成像后相干能量強(qiáng)度圖，其中紅色、黃色、綠色、藍(lán)色條紋表示相干能量強(qiáng)度由強(qiáng)到弱，相干能量越強(qiáng)，反射波越強(qiáng)，含水可能性和含水量越高。從圖8中可以看出，XDK0+225～XDK0+195段以黃綠色為主，反射波稍強(qiáng)，推測(cè)該段圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，可能存在節(jié)理裂隙密集帶，地下水較發(fā)育。其中XDK0+225～XDK0+195段相干能量較強(qiáng)，與TSP結(jié)論吻合。XDK0+280～XDK0+225段CFC探測(cè)相干能量譜為藍(lán)綠色，推測(cè)富水可能性較小。

為準(zhǔn)確得出預(yù)報(bào)結(jié)論，分別于里程XDK0+280、XDK0+230施工做業(yè)瞬變電磁和地質(zhì)雷達(dá)。瞬變電磁數(shù)據(jù)通過(guò)干擾校正→數(shù)據(jù)預(yù)處理→圓滑處理→反演計(jì)算等過(guò)程成果如圖9所示。

圖9 瞬變電磁視電阻率Fig.9 Apparent resistivity diagram of transient electromagnetic method

圖9(a)為隧道中線瞬變電磁視電阻率成果圖，圖9(b)為結(jié)合頂板和底板數(shù)據(jù)組成隧道三維視電阻率圖。據(jù)圖9分析，XDK0+280～XDK0+240段視電阻率較高，推測(cè)圍巖完整性較好，右邊墻里程XDK0+210至XDK0+190段到左邊墻XDK0+220～XDK0+200段，視電阻率明顯較低，為低阻區(qū)域，疑似富水區(qū)。

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理→濾波→背景去噪→調(diào)節(jié)增益→滑動(dòng)平均等處理，測(cè)線剖面成果如圖10所示。

圖10 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線波形Fig.10 Waveform diagram of GPR

掌子面前方0～3 m，電磁波振幅能量較強(qiáng)且不連續(xù)，推測(cè)受開(kāi)挖擾動(dòng)所致。掌子面前方3～8 m，電磁波反射能量較弱，同相軸較連續(xù)，推測(cè)圍巖較完整。掌子面前方8～22 m，電磁波出現(xiàn)強(qiáng)反射界面，同相軸局部錯(cuò)斷不連續(xù)，波形雜亂，推測(cè)該段圍巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，易富集地下水。掌子面前方22～35 m，電磁波反射能量減弱，未出現(xiàn)明顯反射界面，推測(cè)圍巖完整性較好。

3.4 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論與實(shí)際揭露情況對(duì)比

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)施工做業(yè)后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行跟蹤并記錄，綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論與隧道實(shí)際開(kāi)挖情況對(duì)比如表1所示。圖11(a)～圖11(c)分別為里程XDK0+280、XDK0+256、XDK0+218實(shí)際揭露地質(zhì)情況圖。

表1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論與隧道實(shí)際開(kāi)挖情況對(duì)比

圖11 掌子面圍巖情況Fig.11 Surrounding rock condition of tunnel face

4 結(jié) 論

1)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施探測(cè)前需充分了解相關(guān)地質(zhì)區(qū)域概況等信息，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選取有效的超前預(yù)報(bào)方法。并且預(yù)報(bào)人員需將地質(zhì)設(shè)計(jì)圖等作為參照，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖面情況時(shí)刻保持警覺(jué)。

2)TSP數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)圍巖破碎程度敏感度較高，縱波速度變化劇烈即出現(xiàn)多段波阻抗界面的區(qū)域往往圍巖破碎不均一，縱橫波比明顯上升時(shí)表明含水可能性大大增加，但易引起誤判，所以需要和其他超前預(yù)報(bào)方法綜合分析含水性。CFC和瞬變電磁法對(duì)富水情況探測(cè)較為準(zhǔn)確，相干能量較強(qiáng)和視電阻率較低的區(qū)域易富集地下水，但其探測(cè)結(jié)果對(duì)圍巖破碎程度指導(dǎo)意義有限。地質(zhì)雷達(dá)能準(zhǔn)確探測(cè)前方圍巖破碎程度，但是否含水需其他方法輔助進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。通過(guò)上述綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)解譯，對(duì)掌子面前方的基本地質(zhì)條件，包括斷層、巖體破碎情況、地下水情況等可以進(jìn)行精準(zhǔn)的探測(cè)。

3)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果應(yīng)與施工揭示的掌子面情況進(jìn)行分析與對(duì)比，這樣有利于及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，綜合每個(gè)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的特點(diǎn)，不斷提高預(yù)報(bào)水平。

4)由于隧道地質(zhì)條件的復(fù)雜性，每一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法都有其適用性和局限性，為了提高預(yù)測(cè)的精度和準(zhǔn)確率，開(kāi)展綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)研究是十分必要的。本文通過(guò)四種預(yù)報(bào)方法，證明綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在某鐵路復(fù)雜地質(zhì)富水隧道探測(cè)中取得了較好的效果，研究成果可為類(lèi)似隧道工程的超前預(yù)報(bào)提供參考和借鑒。