綜合物探技術在巖溶隧道中的應用*

沈進喜，雪飛勝，鄒 偉

(湖南中大設計院有限公司，湖南長沙410075)

綜合物探技術在巖溶隧道中的應用*

沈進喜，雪飛勝，鄒 偉

(湖南中大設計院有限公司，湖南長沙410075)

在建云南段隧道地勢地貌十分復雜，巖溶發(fā)育，不良地質時有出現。單依賴一種預報方法已不能準確推測復雜、多變的地質情況，所以采用TSP203、地質雷達、紅外探水綜合物探預報方法進行探測，達到相互印證，互補的目的，通過對比及開挖驗證，采用多種物探方法和地質分析，為施工提供可靠的預報結論。

超前地質預報;TSP203plus;地質雷達;紅外探測

近年來，隨著我國高速公路、鐵路的大規(guī)模發(fā)展建設，長大的越嶺隧道因線路長，地質條件復雜，先期勘察手段的限制，設計已難以摸清隧道的沿線地質情況。在我國西南部滇黔山區(qū)，因地形地貌條件的影響，斷層破碎帶、富水帶、巖溶發(fā)育帶屢見不鮮，為減少或避免工程事故的發(fā)生，采用超前地質預報探測前方工程地質情況，從而指導隧道施工，有著重要的作用和意義。

一、綜合物探技術在巖溶隧道應用的必要性

(一)目前隧道內常用的超前預報方法

1.地質調查法、超前鉆探法

地面地質調查不干擾施工，設備簡單，出結果快;超前鉆探可以直觀反映掌子面前方基本地質情況，是施工預報最有效方法之一，但需占用較長的施工作業(yè)時間，費用高。

2.彈性波反射法(TSP)

TSP203PLUS采用地震波反射原理，在不均勻地質體中產生的反射波來推測地質條件和巖性的變化，其優(yōu)點是適用范圍長，探測時間短，對施工干擾小，且對判定斷層，軟弱或破碎巖體、巖溶發(fā)育區(qū)域有較高的準確性，但對于水體，一般依靠VP/VS或泊松比，VP/VS或泊松比突然增大，表明可能有流體的存在，很難有定性的判斷，對于溶洞或空腔的類型如:含水，砂、土填充型溶洞，溶洞的幾何尺寸、方位則難以辨識。

3.地質雷達法

地質雷達法利用電磁波在不同介質中產生透射、反射的特性，分析相位，振幅，頻率等，探測破碎巖體，溶洞效果較好，對于溶洞的類型、水體則通過頻率，介電常數，波速進行推測，其優(yōu)點是不受場地限制，探測時間短;缺點是受干擾大，預報距離短。

4.紅外探水探測

根據一切介質輻射紅外電磁波原理，接收到輻射信號分析場強值的方法。有效預報距離在30m以內。適用于定性的判斷探測點前方有無水體存在或方位，不能定量給出水量大小等參數。

此外還有BEAM法，高分辨直流電法等。

(二)各種物探方法比較(見表1)

表1

(三)綜合物探體系在巖溶隧道中應用的思路

在巖溶隧道內，面對復雜多變的地質災害，可能產生涌水、突泥、危巖段坍塌，地表塌陷等工程事故，單純依靠某一種預報技術很難對前方施工地質體進行準確的推斷，應針對隧道的復雜程度，風險點采用綜合預報，在綜合預報中，常規(guī)預報是基礎，采用地質調查根據原有資料，利用常規(guī)地質理論、地質作圖和趨勢分析，對影響較大的不良地質做到細化、補充;在此基礎上通過TSP、地質雷達、紅外探水等物探方法進行探測，但由于各種物探方法都有多解性和局限性，所以在異常區(qū)域內采用超前水平鉆、加深炮孔的方法，直接驗證異常區(qū)的地質情況。建立起這樣的思路:地質調查、物探預報、超前鉆探相結合的綜合預報，消除單一物探方法帶來的誤差，同時也為巖溶隧道的風險做好預警準備，為施工提供安全保障。本文運用TSP、地質雷達、紅外探測三種物探方法對某巖溶隧道進行綜合預報，達到互相補充與印證的目的。

二、實例

(一)工程地質概況

本隧道位于貴州與云南的交接地帶，屬于在建的滬昆客專云南段的控制性工程，該隧道為全線第一長隧道，全長14800m，評估為極高風險A級隧道。最大埋深為750米，隧道由東向西穿越老黑山山脈北段，山脈走向呈北東～南西向，與構造線走向基本一致。山脊高程一般2184～2581m，主峰(大光山)高程2733.9m，屬條形高中山，具構造剝蝕、溶蝕地貌特點，共穿越6條斷層帶，地層以石炭系、二疊系和三疊系為主。隧區(qū)不良地質現象為坍塌、巖溶、煤層瓦斯及采空區(qū)、地裂縫、高地應力及巖爆。本次實例預報為平導進口段，地形坡度較陡，隧道軸線與地形等高線斜交，工程地質條件較差，已開挖段以灰?guī)r為主，夾頁巖和泥灰?guī)r，圍巖較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，但未出現溶洞，局部滲水，洞口里程為PDK977+683，本次預報掌子面里程為PDK978+618，掌子面巖性為灰?guī)r，較破碎，無水，設計圍巖Ⅳ級。

(二)TSP法預報情況分析

在隧道里程PDK978+550左、右邊墻各布置一個三分量接收傳感器，孔徑50mm，孔深約1.9m，孔高距隧底1.0m，距左邊墻接收器20m開始往掌子面方向按1.5的間距布置激發(fā)孔24個，孔徑45mm，孔深1.5－1.8m，孔向下略傾 5－15°，每個激發(fā)炮孔裝填藥量100g，炮孔與接收器基本在同一高度。采樣間隔62.5μs，記錄長度 451.125ms。實際激發(fā) 24 炮，每個激發(fā)孔均采用水封法引爆，以提高信噪比，本次TSP測試中，隧道洞內處于停工狀態(tài)，無噪聲干擾，所記錄的23炮合格(出現一個啞炮)，能量和信噪比都較適中，兩個接收傳感器耦合好。

經數據處理及分析，得到TSP2D成果圖如圖1所示。

圖1 TSP2D成果圖

對采集的數據經過TSPwin PLUS 2.2程序的高級模式分析處理，其反射層在探測范圍內的2D圖如圖1所示。結果分析判斷表明:PDK978+632，PDK 978+640，PDK 978+675 ～682處分別有負反射界面，尤其PDK 978+675～682段負反射較強，表現為動態(tài)楊氏模量、密度降低，泊松比增大，初步推斷PDK 978+675～682巖溶發(fā)育，存在溶洞的可能。

為了進一步得到更為精確的的資料和數據，采用TSPwin PLUS 2.2常規(guī)模式進行分析處理，依據采集數據的實際情況以及已開挖隧道的地質情況，改變相關參數進行調整處理，得到反射層在探測范圍內的TSP2D成果圖如圖2所示。

圖2 TSP2D成果圖

由圖2可知，掌子面向前約10m(PDK 978+625～632)段參數有變化，一直到PDK 978+670各參數變化不大;在PDK 978+670～690參數變化較明顯，PDK 978+685～690反射層較多。綜合兩次TSPwin PLUS 2.2分析處理，解譯成果見表2(從掌子面向前預報110m)。

表2 平導進口PDK978+618～PDK978+728段TSP法預報結論一覽表

(二)地質雷達測試分析

為驗證上述TSP在PDK978+670～+690段的判定，更精準核實溶洞的位置和類型，了解前方掌子面的巖體完整性，故采用地質雷達短預報方法進行探測，測試儀器為:瑞典MALA地球科學公司生產的RAMAC X3M型地質雷達及100MHz屏蔽天線，分析軟件為儀器配套生產的Reflexw軟件。在隧道掘進至PDK978+682進行測試，天線緊貼掌子面從左至右弧形測試如圖3，采用鍵盤點測觸發(fā)模式，觸發(fā)測試采樣步距0.01m，自動疊加模式，測量時窗 700ns，電磁波波速設定0.1m/ns。測試掌子面前方30m。

圖3 雷達測試成果圖

圖4

根據雷達測試判定為:PDK978+682～687同相軸不連續(xù)，振幅一般，頻率中等，判定該段圍巖較完整，節(jié)理不發(fā)育;PDK978+687～712段拱頂至右拱腰段，同相軸連續(xù)，信號振幅強，頻率較低，初步判定該段內存在溶蝕裂隙或溶洞。

值得一提的是判定溶洞的類型(干溶洞、含水或富水，土、砂填充型溶洞)，根據電磁波的傳播其傳播速度取決于媒質的相對介電常數εr，

εr為媒質的相對介電常數，通過頻率，推到波速，計算出介電常數。該例中振幅強反射區(qū)域介電常數2－6，灰?guī)r的介電常數為7－8，水的介電常數為81，空氣的介電常數為1，由此推斷該溶洞為干溶洞，無水，可能含砂。筆者認為不能單純的靠該理論推導溶洞的類型，由于隧道巖溶的復雜性、多變性，還需在以后實踐中總結、分析。

經地質雷達探測，結合TSP兩次處理分析，判定PDK978+687～712有溶洞存在，證實TSP對于把控巖溶發(fā)育區(qū)，斷層，破碎、軟弱巖體域是比較準確的，對于溶洞的位置和溶洞的類型則需要地質雷達加以輔助，由于溶洞的多變、復雜性，為更清楚查清溶洞的水體情況，故采用紅外探水探測。

(三)紅外探水測試

其原理是一切物質都在向外輻射紅外電磁波的原理，通過接收紅外輻射信號進行場強值分析，總結出正常場，再確定異常場，由異常場判定地下水體的存在與否。紅外探水使用的儀器型號為國產的HW－304，掌子面里程為PDK978+682，掌子面布置4條測線，每條測線布6個測點;從掌子面往洞口每5m布置一條測線，每條測線在左邊墻、左拱腰、拱頂、右拱腰、右邊墻、隧底軸線測6個測點，共布置11條測試。紅外測試結果如圖5和圖6所示。

圖5 PDK978+682掌子面紅外探測圖

圖6 PDK978+682掌子面往洞口紅外探測圖

分析及判定:1.由開挖面巖體上布置24個測點的紅外輻射場強數值(圖5)，可知其最大值為191μW/cm2，最小值為189μW/cm2，差值為 2μW/cm2，在正常場范圍內。

2.根據現場所測左邊墻腳、左邊墻、拱頂、右邊墻、右邊墻腳、隧底中線的輻射場強值(從掌子面往已開挖段每隔5m布置一個測點)。圖6可以看出:往掌子面方向，輻射場強值整體呈現上升趨勢，在靠近掌子面附近紅外輻射場強值曲線基本不變。

根據上述1、2兩種判別方法，結合已開挖揭示的圍巖情況(掌子面為灰?guī)r，較干燥)推測里程PDK978+682～PDK979+712巖體較干燥，對施工影響不大。

通過此次三種物探方法在該巖溶隧道的探測，解決了因勘察、地質調查中未發(fā)現的巖溶發(fā)育段，TSP能基本準確的對預報段的不良地質體作出判斷，但由于巖溶發(fā)育的復雜性，很有必要加上地質雷達及紅外探測法進行輔助及印證，保證預報的準確性，減少誤報和漏報，指導施工。針對巖溶隧道的復雜性，風險高的特點采用長、短距離預報，定性、定量相互印證、結合的原則，為隧道施工提供最佳的預報結論。

(四)實際開挖情況

1.掘進至PDK978+630有一段灰?guī)r夾泥巖，含泥量較大，節(jié)理發(fā)育，弱富水，局部有滴狀水滲漏，與TSP測試相吻合;

2.PDK978+635～PDK978+689圍巖較完整～較破碎，節(jié)理不發(fā)育，無水，與TSP探測基本吻合;

3.在PDK978+689右拱腰出現溶洞，溶洞大小為:寬×高約3m×3m，向隧道縱向右前方延伸，溶洞內無水，有砂和粘土，微潮，溶洞在隧道掘進剖面內一直延伸15m，經支護處理，未對施工造成影響，證實了地質雷達和紅外探測的測試。

特別提出，此處溶洞與TSP第二次分析相差不大，所以在TSPwin PLUS 2.2處理中，受巖石屬性，介質反射界面角度，反射波分辨率等影響不能一味選擇高級處理模式，要適當的改變默認參數以便數據的真實、可靠。對于驗證溶洞的位置和類型，水體情況采用短距離(地質雷達、紅外探測)預報還是有效的。

三、結論

1.先收集隧道勘察、設計資料，區(qū)域和工程地質資料，通過認真分析，對整個地區(qū)地質，包括風險點全面性了解;

2.綜合超前預報的特點，以地質調查、物探、超前鉆孔探測相結合，相互印證，避免盲目施工造成的突泥、水，大面積塌方等工程事故;

3.在保證隧道施工安全的前提下，對于常見不良地質情況如:富水、溶洞、軟弱巖體、斷層等最好能根據各物探方法的特點，優(yōu)越選擇;

4.由于各物探方法都是由已知推導未知的單一性，地域不同則各巖性的物理參數變化也不同，所以還需物探及地質工作者積累資料，總結經驗，才能提高物探預報的精度和準確性。

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2012－02－20

沈進喜(1982－)，男，湖南長沙人，工程師。