鐵路隧道小煤窯采空區(qū)綜合超前預(yù)報(bào)探測(cè)技術(shù)＊

周 金，牟元存，高樹全

（中鐵二院成都工程檢測(cè)有限責(zé)任公司，四川 成都 610083；中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)中鐵二院院士專家工作站，四川 成都 610083）

1 研究背景

近年來中國(guó)大規(guī)模開展鐵路建設(shè)，尤其在中西部以山地地形為主的地區(qū)，線路經(jīng)常采用隧道方式穿越山體。采空區(qū)屬于一種人為坑洞，是隧道建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中不良地質(zhì)之一，易導(dǎo)致隧道建設(shè)過程中發(fā)生突水涌泥、有毒有害氣體聚集、失穩(wěn)坍塌等災(zāi)害，故在地質(zhì)選線過程中通常以一定安全距離繞避采空區(qū)，以保證工程建設(shè)施工和后期運(yùn)營(yíng)安全，但受各種因素制約，很多線路方案必須經(jīng)過小煤窯采空區(qū)及其附近地區(qū)[1]，如何有效探查采空區(qū)成為解決上述問題的關(guān)鍵。采空區(qū)的地質(zhì)勘察工作主要包括資料搜集、調(diào)查訪問、地質(zhì)測(cè)繪，必要時(shí)輔以物探和鉆探工作，常用的物探方法有高密度電法、直流電測(cè)深、淺層地震法、跨孔電磁波CT、瞬變電磁法等[2-5]。單一方法難以查明小煤窯采空區(qū)及巷道，在地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，采用多種物探方法進(jìn)行綜合探測(cè)，輔以鉆探法驗(yàn)證，基本能查明采空區(qū)和巷道的平面位置和埋深。但由于早期小煤窯支護(hù)措施簡(jiǎn)陋、規(guī)模小，導(dǎo)致巷道和采空區(qū)由于年代久遠(yuǎn)而垮塌、封閉，局部塌陷后痕跡不明顯，極具隱蔽性。加之小煤窯開采無規(guī)律、資料不完善等不利因素，使得部分小煤窯采空區(qū)及巷道在勘察階段成為“漏網(wǎng)之魚”，對(duì)隧道工程施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成極大隱患。

超前預(yù)報(bào)是在隧道開挖過程中采用特定方法對(duì)掌子面前方圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行探查，能查明掌子面前方存在的斷層破碎帶、富水體、巖溶、采空區(qū)等不良地質(zhì)體，為正確選擇開挖方法、支護(hù)措施，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)及施工方案提供參考。本文在地表勘察未查明小煤窯采空區(qū)情況下，施工階段在隧道內(nèi)采用地震波反射法、地質(zhì)雷達(dá)法和超前鉆探法對(duì)其進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)探測(cè)，以地震波反射法在較長(zhǎng)預(yù)報(bào)距離內(nèi)控制采空區(qū)分布范圍、地質(zhì)雷達(dá)法精準(zhǔn)探查采空區(qū)的空間位置、超前鉆探法進(jìn)一步驗(yàn)證采空區(qū)的邊界和填充物性質(zhì)，長(zhǎng)短距離預(yù)報(bào)方法結(jié)合對(duì)小煤窯采空區(qū)準(zhǔn)確探查，開挖結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性，可為類似工程和相關(guān)工作人員提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

2 采空區(qū)地球物理特征

分析采空區(qū)的地球物理特征，結(jié)合具體的地質(zhì)條件和各種方法的適用特點(diǎn)來選擇合適的方法，是探明采空區(qū)的關(guān)鍵。

采空區(qū)及巷道是在地下完整巖體中開挖形成的，在地下巖層中的狀態(tài)為密閉或半密閉空間，無論采空區(qū)是填充型還是非填充型，在其邊界附近都會(huì)形成較強(qiáng)波阻抗界面，在一定條件下地震波反射法能在較長(zhǎng)距離（100～120 m）范圍內(nèi)識(shí)別該界面。另外采空區(qū)附近介質(zhì)密度降低將導(dǎo)致彈性波速降低，通過統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)地區(qū)以往地震波反射法預(yù)報(bào)成果，得出地層巖體特征或不良地質(zhì)與縱波波速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過這一特征可劃分采空區(qū)可能分布的段落。

地質(zhì)雷達(dá)法在探測(cè)淺部介質(zhì)時(shí)分辨率較高，在隧道掌子面開展超前預(yù)報(bào)能充分發(fā)揮這一優(yōu)勢(shì)。無論采空區(qū)及巷道的填充物為何種性質(zhì)，其電性特征都與圍巖存在較明顯的差異，尤其在采空區(qū)與圍巖分界面位置的介電性質(zhì)差異能在地質(zhì)雷達(dá)剖面上形成強(qiáng)烈反射，利用這一特性能探明采空區(qū)及巷道在掌子面前方的分布范圍[6]。

結(jié)合地震波反射法和地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)的采空區(qū)位置針對(duì)性地布設(shè)超前水平鉆，可進(jìn)一步明確采空區(qū)的邊界位置和填充物性質(zhì)。綜上，結(jié)合前期勘查成果，采用地震波反射法、地質(zhì)雷達(dá)法和超前鉆探法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)探測(cè)是可行的。

3 方法原理

3.1 地震波反射法

地震波反射法是通過分析彈性波在巖體中傳播時(shí)遇到目標(biāo)地質(zhì)體產(chǎn)生的反射波中攜帶的信息來探測(cè)目標(biāo)地質(zhì)體的一種物探方法。采用地震波反射法預(yù)報(bào)通常是在隧道掌子面附近邊墻一定范圍內(nèi)布置激發(fā)孔，通過在孔中人工激發(fā)地震波，所產(chǎn)生的地震波以球面波的形式在隧道圍巖中傳播，當(dāng)圍巖波阻抗發(fā)生變化時(shí)，一部分地震波將會(huì)被反射回來，另一部分地震波將會(huì)繼續(xù)向前傳播。反射的地震波由高精度的接收器所接收并傳遞到主機(jī)形成地震波記錄。地震波反射法的震源和檢波器近于線性分布，從彈性波運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析，要達(dá)到較好的預(yù)報(bào)效果，要求斷層或巖層界面的傾角大于35°，構(gòu)造走向與隧道軸線夾角大于45°[7]。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是通過發(fā)射天線向被探測(cè)體內(nèi)發(fā)射高頻電磁波（主頻1～1 000 MHz），當(dāng)電磁波傳至被探測(cè)體內(nèi)2 種不同介質(zhì)的分界面時(shí)，由于2 種介質(zhì)的介電常數(shù)不同而使電磁波發(fā)生反射、折射，反射波返回被探測(cè)體的表面，并由地質(zhì)雷達(dá)的接收天線所接收，形成地質(zhì)雷達(dá)圖像，通過處理和分析地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)以達(dá)到探測(cè)目標(biāo)體（破碎帶、空洞、界面等）的目的。地質(zhì)雷達(dá)法具有靈活方便、分辨率高、定位準(zhǔn)確、剖面直觀、對(duì)施工干擾少等優(yōu)點(diǎn)，通常采用100 MHz 雷達(dá)天線能探測(cè)20～30 m 范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程地質(zhì)特征

探查段位于侏羅紀(jì)中下統(tǒng)自流井組（J1-2z）泥巖夾砂巖地層，圍巖巖性以泥巖和頁巖為主。泥巖為紫紅、黃綠色，粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀；頁巖為深灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁理構(gòu)造，巖質(zhì)較軟，易風(fēng)化剝落，具遇水軟化崩解、失水收縮開裂等特性。隧址區(qū)位于背斜南東翼，核部地表出露地層為三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）砂巖、泥巖夾煤層，該煤層為可采煤層且埋深淺。據(jù)調(diào)查走訪了解，隧址區(qū)附近存在私采小煤窯，由于年代久遠(yuǎn)地表調(diào)查未發(fā)現(xiàn)洞口痕跡，推測(cè)隧道DK144+500—+800 段開挖可能揭示小煤窯采空區(qū)或采空巷道。

4.2 地震波反射法預(yù)報(bào)

在隧道進(jìn)入可能存在采空區(qū)段落后，采用瑞士安伯格公司生產(chǎn)的TSP303Plus 超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)探測(cè)。預(yù)報(bào)時(shí)掌子面里程DK144+603.4，巖性主要為泥巖、頁巖，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，掌子面局部滲滴水。在隧道DK144+682 里程左右邊墻各布置一個(gè)地震波信息接收孔，在DK144+670—+631.4 段的左邊墻，按約1.5 m 的間距布置24 個(gè)激發(fā)孔并逐一激發(fā)。數(shù)據(jù)處理流程為：數(shù)據(jù)設(shè)置→時(shí)變高截→帶通濾波→初至拾取→直達(dá)波調(diào)整→Q 分析→反射波提取→P-S 波分離→速度分析→深度偏移→反射層拾取。經(jīng)過處理得到反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果圖和波速分布云圖，如圖1 和圖2 所示。

圖1 TSP 法反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果圖

圖2 TSP 波速分布云圖

通過統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)地區(qū)以往地震波反射法預(yù)報(bào)成果，得出地層巖體特征與縱波波速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 預(yù)報(bào)地區(qū)地層巖體特征與縱波波速對(duì)應(yīng)關(guān)系統(tǒng)計(jì)表

如圖1 所示，DK144+582—+564 段（圖中線框區(qū)域）反射界面密集，收斂性較好，泊松比和動(dòng)態(tài)楊氏模量起伏變化明顯，表明該段圍巖破碎或存在界面。另外DK144+580 里程處縱波波速降低至2 850 m/s，波速分布云圖中該段也存在明顯低速區(qū)（圖2 箭頭指向區(qū)域），根據(jù)表1 結(jié)合隧道工程地質(zhì)情況分析，推測(cè)該段巖體連續(xù)性差，可能存在軟弱夾層或采空區(qū)。

4.3 地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)

采用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)地震波反射法推測(cè)的存在采空區(qū)段落進(jìn)行短距離預(yù)報(bào)探測(cè)。此次地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)時(shí)掌子面里程為DK144+603，巖性主要為泥巖、頁巖，灰色、黃綠色，薄—中厚層狀，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，掌子面無水。本次探測(cè)工作采用美國(guó)GSSI 公司生產(chǎn)的SIR-4000 型地質(zhì)雷達(dá)，搭配自激自收的100 MHz屏蔽天線，時(shí)窗長(zhǎng)度650 ns，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為512，在掌子面中下部水平布設(shè)2 條測(cè)線，分別離地高1.5 m 和1 m，預(yù)報(bào)里程范圍為DK144+603—+573 段（即掌子面開挖方向30 m）。采用“RADAN 7”軟件包對(duì)地質(zhì)雷達(dá)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理流程為：數(shù)據(jù)傳輸→文件編輯→水平均衡→數(shù)字濾波→零點(diǎn)歸位→偏移處理→能量均衡→距離歸一化→輸出雷達(dá)深度剖面圖。根據(jù)輸出的深度剖面圖上的反射波組、強(qiáng)能量團(tuán)塊分布和曲線特征對(duì)資料進(jìn)行判釋。

經(jīng)過處理得到雷達(dá)深度剖面圖，如圖3 所示（縱向?yàn)樯疃确较颍?，剖面中淺部電磁波反射波信號(hào)能量較弱，相位穩(wěn)定，波形較為均一，表明該段無明顯地質(zhì)異常；DK144+580—+575 段（掌子面前方23～28 m）左側(cè)和中部約6 m 寬度內(nèi)電磁波反射波信號(hào)能量增強(qiáng)（圖3 中線框區(qū)域），同相軸較為連續(xù)，存在明顯反射波組，以低頻信號(hào)為主，表明該位置存在分界面（推測(cè)為采空區(qū)或巷道），且測(cè)線1 異常較測(cè)線2 靠左，說明采空區(qū)或巷道向線路左側(cè)延伸（預(yù)報(bào)為小里程方向，線路左側(cè)為探測(cè)方向右側(cè)）。結(jié)合走訪結(jié)果和TSP 預(yù)報(bào)結(jié)論，推測(cè)DK144+580—+575 段圍巖破碎，節(jié)理發(fā)育，存在采空區(qū)。為確保施工安全，建議施工單位進(jìn)一步采用超前鉆探法進(jìn)行探測(cè)，探明采空區(qū)的填充性質(zhì)、瓦斯及其他有害氣體情況，同時(shí)施工過程中加強(qiáng)支護(hù)，防止坍塌、突涌等。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)深度剖面圖

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)結(jié)果，在測(cè)線1 高度離左邊墻3 m 處實(shí)施超前水平鉆1 孔，鉆探結(jié)果顯示DK144+579—+576 段存在突進(jìn)，沖洗液含黃泥，鉆進(jìn)過程中無水。綜合分析推測(cè)DK144+580—+575 段存在采空區(qū)或巷道，橫向?qū)捈s6 m，向線路左側(cè)延伸，為泥質(zhì)半填充或全填充，無水。

4.4 開挖結(jié)果與分析

開挖結(jié)果表明，在隧道DK144+580 里程線路右側(cè)拱腳位置揭示一小煤窯采空巷道，經(jīng)測(cè)量巷道與隧道接觸面高3 m，寬5 m，巷道發(fā)育方向與隧道軸線交角約45°，巷道坡度約45°，從DK144+580 線路右側(cè)拱腳延伸至DK144+575 線路右線中線仰拱輪廓線位置，巷道中發(fā)現(xiàn)腐木及松散軟黏土，有少量地下水，開挖結(jié)果與預(yù)報(bào)結(jié)論相符?，F(xiàn)場(chǎng)開挖揭示采空巷道圖如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)開挖揭示采空巷道圖

應(yīng)用實(shí)例表明采用地震波反射法、地質(zhì)雷達(dá)法和超前鉆探法對(duì)采空區(qū)及巷道進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)是有效的，物探異常明顯，結(jié)合鉆探法能相互印證、相互補(bǔ)充，提高預(yù)報(bào)精度，準(zhǔn)確探明采空區(qū)及巷道空間位置和填充物性質(zhì)。

5 結(jié)束語

對(duì)于勘察階段未查明的小煤窯采空區(qū)，根據(jù)采空區(qū)地層工程地質(zhì)特點(diǎn)和采空區(qū)地球物理特征，在施工階段選擇適宜的預(yù)報(bào)方法對(duì)探明采空區(qū)及巷道空間位置至關(guān)重要。在一定條件下采用地震波反射法、地質(zhì)雷達(dá)法和超前鉆探法對(duì)采空區(qū)及巷道進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)是有效的，物探異常指導(dǎo)靶向鉆探，能相互印證、相互補(bǔ)充，提高預(yù)報(bào)精度，準(zhǔn)確探明采空區(qū)及巷道空間位置和填充物性質(zhì)。

案例中的采空巷道延伸方向與隧道軸線角度較大，具備地震波反射法探測(cè)要求，物探異常明顯。但若采空巷道走向與隧道軸線角度小，探測(cè)效果會(huì)一定受影響。地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)結(jié)果受測(cè)線布置和干擾影響較大，需結(jié)合具體的地質(zhì)條件和目標(biāo)體特點(diǎn)合理布置測(cè)線，資料解譯時(shí)需排除臺(tái)架等干擾導(dǎo)致的假異常。超前鉆探法結(jié)果直觀，但效率較低且難免“一孔之見”，需結(jié)合物探成果針對(duì)性地布孔，減少成本、提高工效的同時(shí)達(dá)到靶向鉆進(jìn)驗(yàn)證的目的。