綜合物探技術在隧道基底巖溶探測中的應用

劉　杰，杜　翠，程遠水( 1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京　100081; 2．高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京　100081)

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綜合物探技術在隧道基底巖溶探測中的應用

劉杰1，2，杜翠1，2，程遠水1，2
( 1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 2．高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京100081)

摘要:巖溶塌陷是鐵路建設中經常遇到的地質災害，具有隱蔽性、突發性等特點，是隧道工程主要安全隱患之一。本文采用探地雷達和地震映像相結合的綜合物探技術，對準格爾—朔州鐵路六郎山隧道底部進行巖溶探測。首先應用探地雷達技術對整個隧道底部進行全面探測，初步識別隧道底部巖溶的分布范圍、巖溶類型、巖溶發育程度等異常情況，再利用地震映像技術對異常區域進行驗證，從而最終確定巖溶的分布。兩種方法相互驗證，減少了誤判，效果良好。

關鍵詞:隧道基底巖溶探地雷達地震映像綜合探測

巖溶是水對可溶巖的化學溶解作用與機械破壞作用以及由這些作用所引起的各種地質現象與形態的總稱［1］。巖溶因具有隱蔽性、突發性、危害大等特點，是隧道工程中主要的安全隱患。每年由巖溶塌陷引起的安全事故數量多，損失巨大，嚴重影響隧道建設以及隧道運營安全［2］，因此，查明在建隧道巖溶的分布，并及時進行加固處理十分必要。目前，巖溶探測主要有鉆探和物探兩種方法。鉆探屬于破損檢測，其結果比較準確，但是探測速度緩慢，費用高，只能單點檢測，檢測結果不全面，容易遺漏;物探方法具有探測速度快，精度高，無損、費用低廉等特點，被廣泛應用于巖土工程中。常用的巖溶物探方法有淺層地震法［3］、電阻率測深法［4-5］、探地雷達法［6-10］等。本文采用探地雷達和地震映像相結合的綜合物探方法對山西準朔鐵路六狼山隧道底部巖溶進行探測，驗證檢測效果。

1　工程概況

六狼山隧道位于管涔山脈中段東側邊緣，地勢西高東低，海拔在1 260～1 810 m，最大埋深549 m。中部屬中、低山，該區以強烈剝蝕、切割地質作用為主。大部分區域有奧陶系碳酸巖系地層出露，地形起伏較大。

隧道地下水類型主要為孔隙潛水、巖溶水、基巖裂隙水和構造水。其中，孔隙潛水分布于隧道區東部、南部，主要賦存于第四系土石界面及溝谷碎石類土層中，受氣候影響較大;裂隙巖溶水主要分布于奧陶系和寒武系碳酸巖地區。含水層巖性主要為白云巖和灰巖。區域巖溶水補給面積大，而淺層排泄量小，裂隙、溶隙、溶孔較為發育。

隧道區域存在兩條較大的斷層，即FY1逆斷層和FY2大傾角正斷層。該區域屬于太行山—呂梁山—陰山控制區域的第三隆起帶，古巖溶較為發育。在初期地質勘察報告中存在十幾處低電阻異常區，推測為巖溶發育區，但在隧道開挖過程中，沒有揭露到。為了防止巖溶位于隧道底部，危及隧道安全運營，在隧道貫通以后對隧道底部進行一次巖溶調查。采用的方法為探地雷達和地震映像相結合的綜合物探方法，并配合少量的鉆探進行驗證。

2　探測方法

2. 1探地雷達

探地雷達通過天線向地下發射高頻率、寬頻帶的短脈沖電磁波，電磁波在地下介質傳播過程中，在不同電性介質的交界面，電磁波發生反射和透射。反射電磁波被接收。通過計算電磁波在介質中的雙程走時、振幅大小、頻譜、相位以及衰減等信息，來判斷地下異常體的大小、埋深和性質。

2. 2地震映像

地震映像是基于反射波法中的最佳偏移距技術發展起來的。是以相同的偏移距逐步移動測點接收地震信號，對隱伏地層或目標體進行連續掃描，利用多種地震波信息來探測地下介質變化的淺層地震勘探方法。該方法以小偏移距、小點距密集采集人工激發的彈性波中的面波、反射波等地震波信息。可以利用多種地震波作為有效波來進行探測，也可以根據探測目的要求，僅采用一種特定的地震波作為有效波。依據地震映像資料在運動學和動力學方面的變化特征，分析地下介質的非連續性和各向異性變化，從而推斷巖溶、溶洞、空洞的形態、規模及空間分布，圈定巖溶發育帶。

3　數據采集

3. 1探地雷達數據采集

為獲取較好的巖溶探測效果，本次隧道基底巖溶探測選用美國GSSI公司生產的10-B型探地雷達，配置100 MHz加強型天線。為保障一定探測深度，采樣時間為500 ns，采樣點數為1 024點，7點自動增益，全通型濾波器。為保證巖溶探測位置的準確性，在數據采集過程中，每5 m樁號打單標，整100 m樁號打雙標，整1 000 m樁號打三標。在整個數據采集過程中探測速度保持勻速且≤5 km/h。

3. 2地震映像數據采集

地震映像探測儀器是美國ES-3000簡約式淺層地震儀，配置30 kHz，100 kHz兩種檢波器，錘擊震源。經現場噪音調查試驗，確定地震映像采集參數為:采樣間隔25 μs，采樣點數8 192，偏移距(炮檢距) 5 m，道間距0. 5 m。

4　數據處理

數據處理是綜合物探方法的重要環節。在數據采集過程中，不僅采集到地下有效的異常信號，也采集到周圍環境干擾信號，以及由于儀器設備自身原因所產生的水平干擾信號，因此，必須對采集到的原始數據進行必要的處理，壓制干擾信號，突出有效信號，提高原數據的信噪比，有利于異常結構的診斷和判識。

探地雷達數據處理步驟主要包括零點校正、漂移去除、增益處理、濾波處理、頻率補償、反褶積、小波變換等。

地震映像數據處理分為兩個階段:①將記錄數據處理成圖像，從圖像上進行巡視，確定標志層與異常，分析異常處的相位特征、頻率特征等;②用專用軟件包對所確定的異常進行處理。數據處理通過地震道信號預處理、靜校正、振幅補償和空間濾波形成地震映像資料，再根據影像資料結合工程地質特征進行地基狀態評估。

在地震映像時間剖面上，那些具有低速、散射、頻率變化、能量衰減明顯等特征，且呈現低頻振蕩的異常區域，推斷有巖溶、溶洞、空洞、軟弱層等不良地質體存在;在地震映像時間剖面上呈現多相位、波組不連續、同相軸錯斷、斷面波等特征，且能量、速度不明顯降低的異常區域，推斷有破碎、斷裂構造。

5　探測結果

通過對探地雷達數據的處理，在雷達剖面上可以明顯地發現，在本次探測的區段中巖溶情況較為發育。根據巖溶在雷達剖面上的表現形式把測區內的巖溶分為斷層破碎帶巖溶、溶洞充填型巖溶、裂隙型巖溶等。

圖1 DK22 + 950—DK22 + 990探地雷達剖面

斷層破碎帶巖溶。圖1為該隧道DK22 + 950—DK22 + 990探地雷達剖面。從整個雷達剖面上可以看出:在0～45 ns范圍內，存在一組水平連續的反射波，這是隧底至仰拱充填混凝土部分反射特征;在DK22 + 955—DK22 + 985，60～170 ns存在一個傾角較大的反射界面，該界面把兩側的水平同相軸截斷并錯開，從結構上推斷該反射界面為斷層面;在傾斜反射界面下方，反射波同相軸不連續，反射能量強、反射零亂，推測為斷層錯動產生的破碎體，反射能量強表明破碎體含水較多。結構體巖性為碳酸巖，因此推測該處為斷層破碎帶導致的巖溶體。

為驗證探地雷達檢測的效果和確定巖溶規模，分別采用地震映像和鉆探取芯法對該區域進行了探測。圖2為DK22 + 940—DK23 + 015地震映像剖面和DK22 + 970處巖芯照片。在地震映像剖面上，DK22 + 950—DK22 + 985范圍內，5 ms時間下方，地震波近似呈弧形反射，在弧形反射下方，地震波組不連續、零亂，并伴有多次震蕩，推測該處地層極為破碎。DK22 + 970處的巖芯情況與探地雷達和地震映像探測的結果相當吻合。

溶洞充填型巖溶。對于沒有充填的溶洞，由于溶洞與圍巖的相對介電常數存在較大的差異，溶洞在雷達剖面上很容易識別出來;但是如果溶洞受到外來的物體充填，洞體與圍巖的相對介電常數差異變小，反射能量降低，在雷達剖面上界限不明顯，很難分辨。對此可以從溶洞周邊圍巖反射同相軸變化以及溶洞內充填物的反射特征來確定。圖3為DK32 + 985—DK33 + 025探地雷達剖面。由圖可見:在0～70 ns雷達反射波平直連續無異常;在70 ns下方，在DK32 + 990—DK33 + 025兩側反射信號同相軸畸變呈弧形;內部反射信號同相軸不連續、零亂，波組變寬、頻率降低、反射能量增強，表明內部巖體破碎且含水量較大。推測該處為溶洞充填型巖溶。

圖2 DK22 + 940—DK23 + 015地震映像剖面及DK22 + 970處巖芯照片

圖3 DK32 + 985—DK33 + 025探地雷達剖面

圖4為DK32 + 995—DK33 + 050地震映像剖面和DK33 + 010處巖芯照片。從圖4 ( a)可以看出，在DK32 + 995—DK33 + 050范圍內，15 ms以下地震波能量衰減較慢，震蕩十分強烈，表明該處巖石特別松散破碎。從圖4( b) DK33 + 010處鉆芯照片可以看出，在4～8 m深度范圍內圍巖十分破碎，在8～10 m深度范圍內均為含水率較大的黏土充填，與探地雷達和地震映像結果基本吻合。

圖4 DK32 + 995—DK33 + 050地震映像剖面及DK33 + 010處巖芯照片

裂隙型巖溶。圖5為DK23 + 170—DK23 + 220探地雷達剖面，從圖5可以清晰地看到幾組從右上方向左下方傾斜的平行反射信號( A，B，C，D)。根據地質資料，推斷這幾組平行反射為巖層面(或節理面)的反射。此外，在圖5中還存在幾組傾角較大的由左上角向右下角傾斜的反射信號( a，b，c，d)，這幾組反射信號與前述的A，B，C，D反射信號斜交，形成幾組相互切割的“X”形反射界面。由“X”形反射信號的振幅較大，能量較強，推測含水較多;再根據雷達剖面反射信號的形態，推測該處為裂隙型巖溶。

圖5 DK23 + 170—DK23 + 220探地雷達剖面

6　結論

1)通過探地雷達和地震映像綜合檢測，該區域無大型巖溶，但中小型巖溶較發育，巖溶類型較多，其發育規模和大小受斷裂構造的控制。

2)探地雷達和地震映像對隧道底部巖溶均有較好的響應。對于淺層巖溶，探地雷達有更高的分辨能力;對于深層巖溶，地震映像有更強的穿透力。

3)由于地球物理探測方法自身具有多解性，單一的物探方法都難于準確判斷出巖溶病害，因此采用兩種或兩種以上的綜合物探方法可以有效克服單一物探方法自身的局限性，能夠較為準確地確定巖溶病害的位置、性質和規模等。

4)綜合物探方法是一種無損檢測方法。不同的物探方法可以相互驗證，減少誤判，可以為工程建設節省大量時間和財力，是巖溶探測的發展趨勢。

參考文獻

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(責任審編葛全紅)

Application of comprehensive geophysical exploration technologies for probing karst under tunnel invert

LIU Jie1，2，DU Cui1，2，CHENG Yuanshui1，2
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:Karst collapse is one of the common geological hazards in railway construction，which has the characteristics of concealment and emergency and is one of the major security risks for the tunnel project．T his paper adopted comprehensive geophysical exploration technology by combing the ground penetrating radar( GPR) and the seismic image，and made karst exploration at the bottom of Liulangshan tunnel in Zhungeer-Shuozhou railway．Overall exploration of whole tunnel bottom was implemented by GPR，which could initially identify such abnormal conditions as the distribution range，the karst type and the karst development degree at the bottom of the tunnel，the abnormal regions were verified by seismic image technology，and the karst distribution was determined finally．T wo methods are validated by each other，reducing the false positives，and the good effect is achieved．

Key words:T unnel basement; Karst; Ground penetrating radar( GPR) ; Seismic image; Comprehensive exploration

文章編號:1003-1995( 2016) 01-0038-05

中圖分類號:P631．4+4

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．08

作者簡介:劉杰( 1971—)，男，副研究員，博士。

基金項目:中國鐵道科學研究院基金項目( 2015YJ036)

收稿日期:2015-11-10;修回日期: 2015-12-20