淺談綜合物探法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

黃春榮

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六三大隊(duì)）

淺談綜合物探法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

黃春榮

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六三大隊(duì)）

對(duì)于隧道工程施工建設(shè)而言，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是保證工程施工建設(shè)安全性和高質(zhì)量的重要前提條件，但是由于物探方法具有一定的間接性和多解性，如果僅僅依靠單一的物探方法來(lái)作為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，其結(jié)果解釋具有一定的不可靠性，要想提高成果的精準(zhǔn)度，就必須采取多種物探方法進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)和分析。為此，本文首先對(duì)綜合物探方法和技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)介，并以實(shí)際工程為案例，對(duì)綜合物探法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了研究，從而體現(xiàn)了綜合物探技術(shù)的廣闊發(fā)展前景。

綜合物探法；隧道工程；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；應(yīng)用

前言

在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)迅猛發(fā)展的大背景之下，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大使得城市交通網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越復(fù)雜，隧道具有縮短時(shí)空距離、行駛距離以及線條流暢等優(yōu)點(diǎn)，在城市交通網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中具有著不可替代的作用。隧道施工建設(shè)通常都是以線狀模式為主，其施工的復(fù)雜程度和地質(zhì)條件情況呈正比例關(guān)系，為了減少施工建設(shè)過(guò)程中的地質(zhì)災(zāi)害，保證施工的順利進(jìn)行和建設(shè)質(zhì)量，需要進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。通過(guò)大量實(shí)踐證明，采用多種物探方法進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)和分析，能夠極大程度的提高地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，有效的降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，在現(xiàn)代化工程建設(shè)中具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 綜合物探技術(shù)原理簡(jiǎn)介

1.1 紅外探水

物體在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)發(fā)射出紅外線，在形成紅外場(chǎng)之后就滿足了紅外探水的實(shí)際需求，當(dāng)?shù)刭|(zhì)體中含有一定的地下水的時(shí)候，地下水場(chǎng)源所產(chǎn)生的紅外場(chǎng)會(huì)對(duì)地質(zhì)體場(chǎng)源多產(chǎn)生的紅外場(chǎng)產(chǎn)生直接的影響，通過(guò)圍巖紅外場(chǎng)的變化情況來(lái)建立各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)和測(cè)點(diǎn)到掘進(jìn)面的距離之間的函數(shù)關(guān)系來(lái)完成超前探水預(yù)報(bào)。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)方法的原理依據(jù)是地下介質(zhì)對(duì)光譜電磁波的影響機(jī)理，通過(guò)判斷地下介質(zhì)的分布情況來(lái)作為超前預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容。在探測(cè)的過(guò)程當(dāng)中，地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)天線向地下進(jìn)行發(fā)射，當(dāng)信號(hào)到達(dá)出現(xiàn)空洞或高阻分布不均勻等物體的時(shí)候，電磁波的頻率和強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生不同的變化并返回到地面，工作人員可以以此開(kāi)判斷地質(zhì)構(gòu)造的基本特點(diǎn)和潛在的安全隱患。

1.3 TSP-203

TSP-203技術(shù)以通過(guò)振動(dòng)波的回聲原理作為主要依據(jù)。地震波在以球面為形式的傳播過(guò)程中，當(dāng)?shù)卣鸩ㄊ艿綆r石等物體阻礙的時(shí)候，部分傳播信號(hào)將會(huì)直接反射到信號(hào)發(fā)射的位置，另一部分信號(hào)則會(huì)折射到前方的介質(zhì)當(dāng)中，地震監(jiān)測(cè)器會(huì)直接接收到相關(guān)信號(hào)，工作人員可以通過(guò)對(duì)反射波數(shù)據(jù)庫(kù)的基本情況來(lái)判斷相關(guān)隧道剖面和巖石的物理性質(zhì)和基本力學(xué)參數(shù)。

2 綜合物探法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

2.1 工程概況

某水電站輔助洞位于青藏高原向四川盆地過(guò)渡的斜坡帶，隧洞沿線是由大理巖組成的主分水嶺，主體山峰高在4000m以上，最大高差超3000m；輔助洞的最大埋深約為2380m，其中埋深大于1500m的洞段約占75%；輔助洞圍巖的巖性主要為大理巖、灰?guī)r等碳酸鹽巖類和砂巖以及板巖等；在2000m高程以下的巖溶不發(fā)育，除了進(jìn)出口段以外，Ⅱ類圍巖約占90%；該隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道前方的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行探測(cè)，施工單位決定采用綜合物探方法來(lái)進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

2.2 涌水段預(yù)報(bào)成果

在以TSP-203作為長(zhǎng)距離宏觀控制、以雷達(dá)和BEAM探測(cè)作為精準(zhǔn)手段、在明顯異常洞段打超前鉆孔來(lái)作為雷達(dá)探測(cè)口的整體預(yù)報(bào)工作思路之下，在BK4+950樁號(hào)掌子面上進(jìn)行了雷達(dá)探測(cè)，如圖1所示，測(cè)線1和測(cè)線2出現(xiàn)了明顯強(qiáng)反射界面，連續(xù)反射且出現(xiàn)多次波，據(jù)此推測(cè)BK5+036～042m樁段為巖體破碎帶，且含水；BK5+072～082m樁段則為裂隙發(fā)育帶，且含水。

圖1 雷達(dá)成果示意圖

根據(jù)TSP預(yù)報(bào)結(jié)果，在以上兩段分別加強(qiáng)了表面雷達(dá)的預(yù)報(bào)頻率，在雷達(dá)測(cè)試結(jié)果中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)BK5+036～042m樁段存在明顯的異常，但在BK5+058m的掌子面測(cè)試中發(fā)現(xiàn)前方14m處存在明顯異常，如圖2所示，檢波器1和檢波器2所得圍巖參數(shù)縱波速度和橫波速度均有所降低，Vp/Vs和泊松比稍降低，局部增大，且密度變化不明顯，結(jié)合已開(kāi)挖洞段揭露的地質(zhì)現(xiàn)象判斷BK5+072m左右為溶蝕裂隙密集帶，出現(xiàn)涌水的可能性較大；BK5+042～058m樁段右側(cè)4.5～9m的范圍為溶蝕裂隙且含水。

圖2 TSP測(cè)試2D成果示意圖

通過(guò)鉆孔雷達(dá)測(cè)試，確定前方不存在大型溶洞之后，施工單位決定采取短進(jìn)尺掘進(jìn)，經(jīng)開(kāi)挖證實(shí)，在BK5+073～075m處有一小斷層通過(guò)，寬度為0.4～2m，且在該斷層附近的裂隙極為發(fā)育，形成與該斷層走向相平行的裂隙密集帶，在裂隙帶內(nèi)出現(xiàn)了大涌水。

2.3 塌方段預(yù)報(bào)成果

在BK4+220～232m樁段的地層巖性主要是以灰黑色的中厚層狀砂巖和板巖為主，且?guī)r體較為致密。在所提供的可行性研究階段的地質(zhì)報(bào)告中顯示，在掌子面前方存在F5斷層穿過(guò)，且此斷層是在由相對(duì)隔水的砂板巖和相對(duì)透水的大理巖的分界面之上，因此出現(xiàn)突、涌水的可能性極大。

根據(jù)BK4+109m掌子面TSP-203測(cè)試的巖石物理力學(xué)參數(shù)分析，得知BK4+209～252m樁段的巖體密度較低，但是泊松比卻出現(xiàn)了局部變高的現(xiàn)象，據(jù)此判斷此段巖體的強(qiáng)度較低，巖體較為破碎，其中局部部分可能存在含水層，再結(jié)合可行性研究階段的地質(zhì)報(bào)告，不排除存在斷層發(fā)育的可能，如圖3所示。

圖3 鉆孔雷達(dá)測(cè)試成果示意圖

根據(jù)TSP預(yù)報(bào)結(jié)果，在BK4+190～252m樁段加強(qiáng)了表面雷達(dá)的預(yù)報(bào)頻率，通過(guò)分析得知在BK4+220～226m樁段處存在明顯的異常，結(jié)合之前的TSP-203探測(cè)結(jié)果以及今期開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)此樁段發(fā)育有一條斷層，受到斷層的影響，此樁段的巖體較為破碎，而且少量含水；后經(jīng)開(kāi)挖證實(shí)，在BK4+212～214m樁段發(fā)育有一條斷層，為石英和巖屑膠結(jié)；由于施工單位及時(shí)進(jìn)行了支護(hù)措施，未出現(xiàn)明顯塌方，保證了工作人員的安全，同時(shí)還使得施工單位避免了經(jīng)濟(jì)損失。

3 結(jié)論

結(jié)合以上工程實(shí)例，對(duì)綜合物探方法的實(shí)際預(yù)報(bào)效果進(jìn)行分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）當(dāng)異常構(gòu)造為不連續(xù)界面且界面和工作面中心線走向近似垂直的時(shí)候，無(wú)論是哪一種方法的預(yù)報(bào)效果都比較可靠，這是因?yàn)樵谶@種界面位置處，戒指的波阻抗差和介電常數(shù)差異都比較大，使得地震反射波和電磁反射波之間出現(xiàn)了強(qiáng)反射，其異常特征遵循判別原則。

（2）溶洞空腔等異常體的空間形態(tài)多變，一般為不規(guī)則發(fā)育，使得反射波較為復(fù)雜，因此TSP和地質(zhì)雷達(dá)法的預(yù)測(cè)效果均有所下降，在這種情況下的地質(zhì)雷達(dá)法效果更好，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際情況的吻合度較高，是因?yàn)殡姶挪l率高于地震波。

（3）TSP-203作為中長(zhǎng)距離的預(yù)報(bào)手段，具有功能強(qiáng)大、精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)，而地質(zhì)雷達(dá)具有速度快、圖像易識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，二者在使用時(shí)可以相互補(bǔ)充，較大程度的提高了探測(cè)的精確性；且BEAM利用與巖石含水密切相關(guān)的傳導(dǎo)電流原理進(jìn)行預(yù)報(bào)，對(duì)于巖溶現(xiàn)象、破碎帶等現(xiàn)象的預(yù)報(bào)效果較高，但是在鉆爆法施工的條件下，對(duì)于點(diǎn)擊的布極方式還需要進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，綜合物探方法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的實(shí)際應(yīng)用中具有較高的價(jià)值，一方面能夠使得施工人員對(duì)建設(shè)環(huán)境地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確的掌握，另一方面還能夠?yàn)槭┕と藛T的人身安全提供基本保障。因此，地質(zhì)企業(yè)在明確隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)任務(wù)的前提之下，要對(duì)紅外探水原理、地質(zhì)雷達(dá)原理以及TSP-203原理、應(yīng)用方法進(jìn)行全方面的了解，且施工人員要結(jié)合工程建設(shè)的實(shí)際情況，從多方面進(jìn)行著手，科學(xué)合理的應(yīng)用綜合物探法，切實(shí)發(fā)揮出超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的巨大作用，為隧道工程的施工建設(shè)提供基礎(chǔ)保障。

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1673-0038（2015）46-0172-02

2015-11-1