不良地質體的準確超前預報技術評價模型及評價方法研究

鄭 鈉

(廣東省長大公路工程有限公司)

1 引言

地質超前預報工作一直是地下工程實施過程中必須要做的和必不可少的工作。超前地質預報的實質是地下工程實施過程中的補充地質勘探。地質預報手段和方法包括地質觀測—計算—繪圖—分析—判斷法(包括地質力學法)、地球物理法、鉆探法，以及由此所組成的綜合分析推斷法。

廣悟高速公路鵝公髻隧道穿過鵝公髻丘陵，為雙洞四車道，左、右線隧道分離布設，廣州端和蒼梧端洞口均有一段小凈距，其余為正常間距。左線隧道里程LK90+619．24～LK93+749．9，長 3130．66m;右線隧道里程 RK90+628．26～RK93+741．38，長3113．12m，設計隧道底標高 226．76 ～257．2m，隧道埋深最大約290m。

根據目前國內外超前地質預報的研究現狀，并結合本項目具體情況，開展了以下三個方面的研究工作：典型超前地質預報手段的適應性研究;不良地質的準確超前地質預報組合技術研究;不良地質災害體的評價模型及評價方法研究。

2 典型超前預報手段的適應性研究

超前地質預報方法包括：無損傷的(地質的、地球物理的)、有損傷的(鉆探)，上述方法的綜合使用即為綜合超前地質預報。廣義的超前地質預報是綜合方法的運用，包括地質分析、地球物理探測法、鉆探;而通常所謂超前地質預報是指僅應用地球物理法進行的狹義日常超前地質預報，偶爾輔以超前鉆孔作為控制風險的最終手段。超前地質預報的任務，一是預報不良地質，二是劃分和認證圍巖級別，減少突發性和不可遇見性。

怎樣提高超前地質預報的準確性和經濟合理性，預報手段的選取以及多種預報手段的組合是關鍵。而預報手段的選取關鍵是看各種儀器對不同不良地質體的適應性如何，因此預報手段的適應性研究就顯得尤為關鍵。

2．1 本項目超前地質預報組合技術研究

根據前面的適應性研究可知，采用地震波法與地質雷達結合，可解決施工過程中的相應地質問題，如圍巖風化破碎帶、斷層破碎帶、圍巖局部富水區域、石灰巖巖溶發育情況等。電磁波法(地質雷達)與彈性波法(TSP)二者結合，其優點是可得到兩種不同類型的波的參數和特征圖像資料，在有可能出現不良地質情況時應進行臨近監測預報，并使用超前鉆探作為控制風險的最終手段。

2．2 典型不良地質災害體的評價方法研究

即典型超前預報手段對不良地質的目標識別研究，評價方法研究，包括典型巖溶、富水、斷層破碎帶的地質雷達、電法、TSP信息特征以及圍巖級別的判定。

(1)圍巖級別和不良地質的判定依據

①地質勘探按照從未知到已知，由粗到細的原則，即在任何地質情況不明的情況下，首先通過地面地質調查和觀測進行地面地質填圖，通過巖礦鑒定、同位素測定、地層層續對比、地質構造判斷，從而基本確定某地區的地層巖性及地質組合、地質時代、較大地質構造(折曲、斷層、各大類巖石的粗略分布)，在此基礎上根據生產需要可進一步開展詳查或精查勘探。使用物探方法進行超前地質預報對獲取的信號進行解譯則應遵循由已知到未知的原則，即首先熟悉隧道區基本地質情況，逐漸找到典型的地質體所對應的回波信號及組合特征，以便對未知區進行回波信號的地質解釋。

②TSP探測的主要判定依據是通過使用儀器進行處理、計算所得到的縱波速度Vp或縱橫波速比、密度、泊松比等：

a反射振幅越高，反射系數和波阻抗的差別越大。

b正反射振幅表明正的反射系數，即剛性地層;負反射振幅則指向軟弱巖層。

c若S波反射比P波強，則表明巖層包含水。

dVp/Vs較大的增加或泊松比突然增大，常常因流體的存在而引起。

e若Vp下降，則表明裂隙密度或空隙度增加。

③地質雷達的主要判定依據主要是雷達回波的組合特征和信號衰減變化。一定的目標體對應著一定的回波特征，當遇到水或軟弱破碎帶時信號應有明顯衰減。當然，儀器對多大的地質異常有所反映，則應取決于異常的大小、構成異常的介質差異大小、儀器的探測深度。探測深度越大，分辨率越低，反之亦然。地下水對地質雷達信號有顯著衰減影響，因此根據雷達信號的衰減相對大小，可定性判斷圍巖的含水的相對大小，同時可分析判定圍巖強風化破碎帶或斷層破碎帶等不良地質。

④瞬變電磁

由于瞬變場的強度及延遲時間與地下地質目標體的電性、規模及產狀等參數有關，地質體的導電性越好，瞬變場的強度就越大，且熱損耗就越小，故衰減越慢，延遲時間越長的特點。因此，充水或充泥溶洞、含水層、含水裂隙帶、軟弱泥巖或泥巖、強—全風化帶等應對應高感應電壓，完整的花崗巖、石灰巖、砂巖、空的干溶洞等應對應低感應電壓。

(2)典型不良地質體的評價方法研究

①充水或充泥溶洞。

aTSP對較大溶洞的反映。

充水或充泥溶洞對應部位的縱波速度、泊松比、密度、楊氏靜態模量等參數首先變高，然后變低，這一點與地質雷達相似(見后述)，也與理論符合，并在解釋圖上有明顯異常反映。但所反映出的溶洞縱向范圍較大(15m左右)，由于波長較長和分辨率較低的原因TSP不能直觀地分辨出溶蝕孔洞、溶蝕裂隙等這些類似的尺寸較小的反射目標。

b地質雷達對溶洞的反映。

地質雷達對溶蝕孔洞或溶蝕裂隙、溶槽或溶縫、溶洞或地下暗河所反映出的圖像特征是不同的。另外，對干的空溶洞與充水、充泥的溶洞的反映也是截然不同的，充水、充泥的溶洞的雷達回波信號是顯著衰減的。③瞬變電磁對溶洞的反映

故充水或充泥溶洞應對應高感電壓，空的干溶洞應對應低感應電壓。

②空洞或未充填溶洞。

aTSP的反映。

空洞或未充填溶洞中的物質為空氣或真空，在TSP的2D成果及有關力學參數反演曲線上對應的縱波速度、泊松比、密度、楊氏靜態模量等參數相對變低。

b地質雷達的反映。

溶洞和空洞有著相同似的雷達回波特征：襯砌背后的空洞在灰度波形圖上表現為一組弧形強反射波，這組強反射的后面往往還緊跟著一組幅度較低的強反射波(多次反射)。較小的空洞弧形表現明顯，較大的空洞往往呈現出波浪形的強反射或呈亮白色。計算空洞的起止深度時，小的空洞可采用圍巖的電磁波速度或相對介電常數，大的空洞要采用空氣的速度。判別空洞是要注意排除因天線抖動或脫離襯砌表面所造成的假空洞(可以剔除)。

③斷層破碎帶。

aTSP對斷層破碎帶的反映。

斷層破碎帶所對應的部位的縱波速度、密度、楊氏靜態模量等參數首先變高，然后變低，其實際位置對應于變低部位，泊松比整體變高。這與理論基本相符。如果斷層是發育石灰巖中，則極有可能發育成為溶洞。

b地質雷達對斷層破碎帶的反映。

因斷層破碎帶的破碎程度、風化程度、糜棱巖化、硅化或鈣化程度不同，其雷達圖像特征也有顯著差異。例如，破碎風化較強則雷達信號衰減強，反之亦然;糜棱巖硅化或鈣化后衰減很弱。另外波形組合特征也不同。

④強風化破碎帶。

aTSP對強風化破碎帶的反映。

縱波速度低(顯著低于3000m/s)，密度低。

b地質雷達對強風化破碎帶的反映。

所接收到的雷達回波信號強烈衰減。

⑤圍巖裂隙水。

aTSP對圍巖裂隙水的反映。

由于裂隙發育是不均一的，在隧道縱向上往往呈條帶狀局部分布，隧道開挖后呈涌水狀、淋水狀或滴水狀。根據TSP原理和解釋準則，表現為縱橫波速度比或泊松比的明顯交替變化。圍巖含水時TSP所提取的泊松比會出現負值。

b地質雷達對圍巖裂隙水的反映。所接收到的雷達回波信號顯著衰減。(3)圍巖級別劃分預報①圍巖級別預報方法

a根據不同巖性的圍巖的縱波速度所對應的圍巖級別范圍推斷圍巖級別，即相同級別的圍巖，其不同巖性所對應的縱波速度是不同的，縱波速度可通過隧道開挖過程中全程覆蓋式TSP(隧道地震探測儀)超前探測獲取。

b通過地質雷達超前探測，根據其反射回波幅度的衰減程度、波形組合特征及掌子面觀測描述等綜合劃分圍巖級別。

cTSP和地質雷達探測預報圍巖級別，可單獨使用，也可綜合使用，相互印證。

②圍巖級別劃分預報指標和要素。

圍巖級別的劃分預報應按以下指標或要素進行。

a根據現行《公路工程地質勘察規范》(JTJ064-98)，圍巖級別按彈性波速度(縱波速度)進行劃分。

b一般情況下，未風化的巖石，砂巖縱波速度較低，如泥質或鈣泥質膠結的砂巖一般為3000～3500m/s，硅質膠結的砂巖、變質砂巖、石英砂巖等可達5000m/s以上，而花崗巖、花崗片麻巖、石英巖(變質巖)、石灰巖、熔結凝灰巖等的縱波速度可達5000m/s以上，甚至高達6000m/s以上。

c對于相同級別的圍巖，由于不同巖性的圍巖彈性波(縱波)速度差異較大，所以圍巖級別的劃分不僅要依據縱波速度，還要依據圍巖巖性及其它因素。另外，雖然應用TSP探測獲取的圍巖縱波速度值對隧道掌子面前方的圍巖情況有一個整體的反映，但實際圍巖的地質情況的復雜性和由于受所使用的探測儀器的頻率(分辨率)和所能達到的其它技術性能以及現場工作條件、所能達到的工作密度等影響，圍巖彈性縱波速度尚不能夠完全反映出掌子面前方圍巖地質情況的全部細節。

3 結語

隧道施工超前地質預報工作，以前期的地質工作為基礎，是一項地下、地面補充地質勘探和超前探測的全方位、立體交叉的實用性極高的綜合地質工作。隧道超前地質預報是一項頗具風險性的工作，千萬不能掉以輕心，只有不斷總結，積累經驗，汲取教訓，從工作和技術方法上不斷創新，才能取得高的準確率，降低風險，對施工起到幫助和指導作用。

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［1］李大心．探地雷達方法與應用［M］．北京：地質出版社，1994．

［2］朱勁，李天斌等．Beam超前地質預報在銅鑼山隧道中的應用［J］．工程地質學報，2007，15(2)：258-262．

［3］靳曉光，汪立新等．多波多分量地震探測在隧道超前地質預報中的應用［D］．2008年全國隧道監控量測與反分析專題研討會論文集，2008．278-283．