地質(zhì)雷達和TGP地震波法在高家坪特長隧道巖溶探測中的應用

彭 程

(中鐵十一局集團公司 勘察設計院，湖北 武漢 430074)

1 引 言

隨著國內(nèi)外工程技術(shù)的進步和對地質(zhì)災害的重視，地質(zhì)災害預報探測技術(shù)在工程設計施工中受到了越來越多的關(guān)注。目前國內(nèi)外主要的隧道巖溶水災害預報方法有物探化探法、地質(zhì)法及鉆探法等[1-4]。而針對巖溶水的地球物理探測，主要采用高密度電法、地質(zhì)雷達、瞬變電磁法及三維高分辨地震法等方法技術(shù)，這些方法技術(shù)在實際應用中取得了較好的探測效果[5]。喬鋒[6]利用地質(zhì)雷達手段對某高速公路隧道的巖溶位置及腔內(nèi)填充物進行探測；李文文等[7]采用地震波CT、孔內(nèi)雷達等方法探明了巖溶空間的分布和規(guī)模；馬錦國[8]、李良泉[9]應用綜合物探法全面系統(tǒng)地探明了鐵路基底巖溶；朱自強[10]、呂明等[11]采用大地電磁、高密度電法、地質(zhì)雷達、地震波法等綜合物探方法對隧道巖溶發(fā)育情況進行勘察；晏軍[12]論述了巖溶隧道超前地質(zhì)預報方法的理論依據(jù)和方法選擇，并以九衢鐵路何家隧道為例驗證了方法的適用性和準確度。秦浩靖[13]綜合運用TGP、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達法等方法成功預報了平陽隧道中的含水地質(zhì)體。

早期對宜城至?？刀胃咚俟分械母呒移核淼赖膸r溶地下水系統(tǒng)的調(diào)查表明，該隧道的多個里程段與巖溶地下暗河或管道系統(tǒng)相交，存在突涌水風險，需在超前探測的基礎(chǔ)上進行防排水預案。因此本文以該隧道的Zk45+705～Zk45+845里程段為研究對象，采用超前地質(zhì)雷達和TGP地震波超前預報相結(jié)合的綜合物探法，探明了巖溶管道發(fā)育情況，為防排水預案提供了指導。

2 工區(qū)地質(zhì)

麻城至竹溪高速公路是湖北省“七縱五橫三環(huán)”主骨架公路網(wǎng)規(guī)劃中的第一橫，是橫貫湖北省中北部的一條東西向省際通道，其中宜城至?？刀纹鹩谙尻柺幸顺鞘行『渔?zhèn)，對接麻竹高速公路襄陽東段。宜城至保康段高速公路位于新華夏系第三隆起帶與淮陽山字型西翼反射弧東段的復合部位，廣泛出露二疊系—三疊系碳酸鹽巖地層，地質(zhì)構(gòu)造復雜，巖溶極為發(fā)育，除了普遍發(fā)育的溶溝、溶槽、石牙、落水洞、巖溶洼地等地表巖溶形態(tài)外，還有少量的溶丘、峰叢及溶蝕溝谷等，地下巖溶形態(tài)則有地下暗河、巖溶洞穴及地下巖溶管道等。宜保高速高家坪隧道設計為分離式隧道，左線進出口里程樁號為Zk44+636～Zk47+941，中心樁號為Zk46+293，全長3 305 m；右線進出口里程樁號為k44+634～k47+949，中心樁號為k46+294，全長3 315 m，該隧道屬特長隧道。工區(qū)復雜的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和巖溶發(fā)育條件，對高家坪特長隧道的勘察、設計和施工等各方面都具有嚴峻的挑戰(zhàn)。

3 綜合物探方法

3.1 超前地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達是采用電磁法進行探測的技術(shù)，其原理為發(fā)射出的具有一定中心頻率的電磁脈沖波在巖石介質(zhì)中進行傳播時，由于巖石介質(zhì)的電磁性差異導致分界面處發(fā)生反射及透射，反射回的電磁波信號由接收天線進行接收[14]。在對接收到的信號進行數(shù)據(jù)處理后即可得到地質(zhì)雷達剖面，通過與地質(zhì)資料相結(jié)合進行異常特征解釋，從而推斷出巖石介質(zhì)的巖體結(jié)構(gòu)特征或含水信息等[15,16]。

采用瑞典MALA GEOSCIENCE公司生產(chǎn)的ROMAC/GPR地質(zhì)雷達對研究工區(qū)進行地質(zhì)超前預報，配中心頻率為250 MHz的屏蔽天線。采用點測方式進行采樣，點距為0.5 m；記錄時窗w=400 ns，32次疊加，采樣率為1024點/道。數(shù)據(jù)處理方法主要有背景去除、偏移、增益、濾波、變換、反褶積、道間均衡、子波相干加強等。

3.2 TGP 地震波超前預報

圖2 高家坪隧道Zk45+725～Zk45+755 掌子面中部地質(zhì)雷達波形Fig.2 Geological radar results of Gaojiaping tunnel face at Zk45+725～Zk45+755

TGP地震波超前地質(zhì)預報在隧道中的應用主要利用的是地震波反射和繞射原理，目的是對隧道掌子面前方的地質(zhì)體進行探測[17]。地震波在巖石介質(zhì)的傳播過程中，當聲阻抗界面相對較大時,產(chǎn)生反射波;當聲阻抗界面較小時,產(chǎn)生繞射波，這兩種波統(tǒng)稱為地震回波[18]。利用地震儀器采集到隧道圍巖界面的地震回波，通過對數(shù)字信號進行處理，在結(jié)合前期地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，對界面位置、空間分布等進行分析，從而實現(xiàn)隧道施工超前地質(zhì)預報[19,20]。

采用地震波法進行數(shù)據(jù)采集時，在距離掌子面5～10 m處,以1.2 m高度和1.5 m的間距將24個激發(fā)孔連續(xù)布置在構(gòu)造界面與隧道夾角小的一側(cè)洞壁，在隧道左右洞壁約20 m處各布置一個接收孔。

4 應用實例

4.1 地質(zhì)雷達法的應用分析

研究工區(qū)Zk45+705～Zk45+845隧道段位于宜保高速公路高家坪隧道左線，根據(jù)前期巖溶水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果分析，該隧道段平面上可能與巖溶管道相交，存在巖溶突水突泥的風險。對Zk45+705～Zk45+755段隧道施工掌子面采用地質(zhì)雷達進行超前探測，地質(zhì)雷達波形圖如圖1和圖2所示。從圖1高家坪隧道進口左幅Zk45+705～Zk45+725 地質(zhì)雷達波形圖可以看出，該隧道段范圍內(nèi)反射波呈中低—中頻較弱反射，同相軸連續(xù)性較好，反射能量不均勻；從圖2高家坪隧道Zk45+725～Zk45+755 掌子面中部地質(zhì)雷達波形圖可以看出，該段隧道范圍內(nèi)右側(cè)反射波呈中高頻強反射，同相軸連續(xù)性較好，反射能量不均勻，左側(cè)反射波呈中—中高頻強反射，同相軸連續(xù)性較好，反射能量不均勻。

圖1 高家坪隧道進口左幅Zk45+705～Zk45+725 地質(zhì)雷達波形Fig.1 Geological radar results of Gaojiaping tunnel left tube at Zk45+705～Zk45+725

地質(zhì)雷達預報結(jié)果表明：Zk45+705前方20～30 m范圍內(nèi)(Zk45+725～Zk45+735)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，且可能發(fā)育有溶洞。據(jù)此建議采用超前水平鉆探或加長炮孔等鉆探手段加強掌子面前方巖溶發(fā)育情況的探測，后期施工揭示了Zk45+725處發(fā)育一沿走向的大型溶洞(圖3)?？紤]到Zk45+725溶洞為干溶洞，且有鐘乳石發(fā)育，分析認為其為早期巖溶管道，推測隧道底板下方還發(fā)育有充水巖溶管道。

圖3 高家坪隧道進口左洞Zk45+725掌子面照片F(xiàn)ig.3 The face pictures of left tube of Gaojiaping tunnel at Zk45+725

4.2 TGP地震波超前預報應用分析

為了進一步探測隧道底板巖溶發(fā)育情況，采用TGP地震波法對Zk45+725～Zk45+845段進行預報，TGP地震波法探測成果如圖4～圖6所示。圖4為縱、橫波繞射偏移成果圖，其表征隧道掌子面前方巖體中構(gòu)造面的存在、規(guī)模和性質(zhì)。圖中橫坐標表示隧道里程，縱坐標表示隧道掌子面前方巖體的厚度,單位均為m；右下角色標表示反射波的極性，“0”處綠色為中點，0以上為正極性，表示巖體較好，0以下為負極性，表示巖體較差。從圖4中左側(cè)的縱波繞射偏移圖可看出，Zk45+725～Zk45+760段存在連續(xù)強反射，推斷圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎完整性較差。

圖5 反射界面俯視、側(cè)視圖Fig.5 Top view and bottom view of reflective surface注：藍色代表縱波；紅色代表橫波

圖6 比速度及反射符號分布Fig.6 Ratio velocity curve and the distribution of reflected signals注：圖(a)中藍色代表縱波速度，紅色代表橫波速度；圖(b)中藍色表示縱波速度界面分布情況，紅色表示橫波速度界面分布情況,紫色為藍色與紅色的疊加

圖5為反射界面俯視圖和側(cè)視圖，其中反射界面俯視圖反映了構(gòu)造走向，反射界面?zhèn)纫晥D反映了構(gòu)造傾向；圖6的比速度及反射符號分布圖則反映了縱波、橫波的波速變化及反射極性；反射符號分布圖中X坐標軸上方線段表示正反射，表示反射構(gòu)造面巖體相對較好，X坐標軸下方的線段為負反射，表示反射構(gòu)造面巖體相對較差。

根據(jù)TGP地震波法預報結(jié)果(圖4～圖6)以及現(xiàn)場巖溶發(fā)育情況分析可見,高家坪隧道進口端左洞Zk45+725～Zk45+845 段可能巖溶發(fā)育主要集中在Zk45+725～Zk45+760 段，可分為以下2段：1)Zk45+725～Zk45+744段，該段溶洞主要分布于掌子面右側(cè)，沿洞軸線方向長約為12 m，高約為8 m，水平方向以隧道右側(cè)洞壁為分界面,平行于掌子面方向延伸4 m 左右，右側(cè)延伸較長；該段巖溶發(fā)育范圍隨著長度、高度的增加逐漸減小，逐漸變?yōu)槿芪g裂隙。2)Zk45+744～Zk45+760段，該段巖溶延伸方向主要為垂直于洞軸線方向，長度約為8 m，寬度與高度均較小，多在1 m 以下，且該段溶蝕裂隙較發(fā)育。

后期施工現(xiàn)場揭示多處巖溶現(xiàn)象，在Zk45+753的位置出現(xiàn)向下方連通的溶槽、落水洞，在Zk45+770的底板位置出現(xiàn)深約8 m的溶洞，并水平向前延伸約14 m，溶洞內(nèi)有3個落水洞，2個連接溶洞上方，1個向下延伸。

5 結(jié) 語

本文采用地質(zhì)雷達和TGP地震波法相結(jié)合的綜合物探法對研究工區(qū)進行了探測。地質(zhì)雷達探測結(jié)果首先揭露了Zk45+725～Zk45+735里程段巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，可能含有溶洞，并推測該里程段隧道底板下方還發(fā)育有充水巖溶管道；為進一步探測隧道底板巖溶發(fā)育情況，隨后采用TGP地震波法進行探測，對Zk45+725～Zk45+744段和Zk45+744～Zkk45+760段分別進行了巖溶發(fā)育情況分析，后期施工過程中也揭示了Zk45+753的位置出現(xiàn)向下方連通的溶槽、落水洞，Zk45+770的底板位置出現(xiàn)溶洞。結(jié)果表明，對研究工區(qū)復雜巖溶發(fā)育情況進行探測時，地質(zhì)雷達和TGP地震波法相結(jié)合的綜合物探法比單一方法，更具有有效性和準確性。

根據(jù)對研究工區(qū)巖溶情況的探測分析可得出，工區(qū)巖溶發(fā)育程度較高，涌水量較大，可能有一定的水壓力，故可采取引排施工的處理方案，即在隧道底板設置排水涵道，連通溶洞兩側(cè)的涌水點和消水點，隧道段采取全封閉抗水壓襯砌。