隧道巖溶區淺層地震及地質雷達綜合預報應用研究

田志飛，賈杰南，趙毅博

(1.貴州大學 資源與環境工程學院，貴陽 550025； 2.南水北調中線工程建設管理局 河南分局，鄭州 450000)

0 引 言

巖溶地區地質構造復雜，在巖溶地區進行隧道開挖常常會遇到淺埋豎向巖溶冒頂、溶蝕節理密集帶頻繁掉塊、豎向溶縫或溶槽坍塌、隱伏溶洞頂板或填充物塌方、地下含水層揭穿涌水等地質風險。因此，有必要在隧道施工過程中進行超前地質預報，從而更好地規避施工風險、排除隱患。目前，在國內外長大隧道施工中，以地質分析和物探分析相結合、長距離和短距離預報相結合、地震方法與電磁方法相結合等多種方法綜合超前探測已經得到廣泛應用[1,2]。其中，巖溶隧道施工超前地質探測以地質調查法、TSP地震反射波法、地質雷達法相結合的綜合預報法最為常用。本文通過對TSP、地質雷達在探測巖溶發育情況時獲取的實測數據進行分析，旨在總結提取異常區物探成果參數，結合模糊綜合評價法進行隧道巖溶不良地質體存在風險等級評價，進而為動態調整或重新劃分圍巖級別提供參考依據，以保障隧道施工的安全。

1 淺層地震和地質雷達探測技術

1.1 工作原理

1.1.1 淺層地震TSP原理

隧道淺層地震簡稱TSP，TSP隧道地質預報系統采用的是反射地震勘探方法[3,4]。TSP工作原理見圖1。

圖1 TSP法超前預報工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of advance prediction method of TSP method

TSP法是利用地震波在不均勻介質中傳播時在波阻抗差異界面(如斷層帶、溶洞區和裂隙密集帶等)形成反射波，根據反射波特性了解掌子面掘進方向開挖洞體的圍巖性質、節理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況的一種方法。

1.1.2 地質雷達原理

地質雷達是用電磁波來確定地下介質分布的一種方法[5]。電磁波遇到不同反射界面(如地層分界面、溶洞、富水帶等)，其傳播路徑隨通過介質的不同而變化，過程中會產生反射、折射、散射、繞射及吸收等現象。根據天線接收到的反射脈沖波的振幅、相位、波長、頻率和走時等特征進行分析，便能夠大致推測界面或異常區的空間位置及分布變化情況。其工作原理見圖2。

圖2 雷達超前預報工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of radar advance prediction

1.2 數據采集及處理

1.2.1 淺層地震TSP

TSP數據采集前設置采集參數(傳感器分量、采樣間隔、記錄長度)以及噪聲檢查，采集過程中準確記錄數據并檢查地震道特征控制數據質量。TSP野外采集的原始數據，最后通過預處理、波場分離、增益、偏移等數據處理方法，獲取界面走向、空間位置、圍巖波速以及圍巖的地質力學參數等信息[6]。處理的最終成果包括反射波分析成果顯示圖、深度偏移剖面圖以及巖石物理力學參數等。

1.2.2 地質雷達

地質雷達探測隧道時由于受掌子面大小及其表面凹凸不平的限制，常選用點測模式測量，點距10 cm。天線采用100 MHz屏蔽低頻組合天線，發射率50 kHz。采樣點數1 024個，時窗1 000 ns，疊加64次，低通-無限響應濾波器300，高通-無限響應濾波器25，掃描速度16(掃描/秒)。圖像處理包括背景去除、時間零點、疊加、增益、FIR和IIR濾波等幾個步驟[7]，最終得到各掃描線的波形圖和堆積圖，并據此進行隧道輪廓線周邊及前方圍巖的地質判釋。

2 隧道實例波形分析

2.1 工程概況

隧道地處貴州高原西部高原山地區，受侵蝕-溶蝕影響，地形條件較為復雜。出口位于斜坡地帶，坡體植被發育，屬溶蝕-剝蝕低中山地貌，附近最高海拔在2 013.00～2 253.10 m之間，相對最大高差240.10 m。

隧道區地質構造較復雜，屬楊子準地臺→黔北臺隆→六盤水斷陷→威寧北西向構造變形區，以北西向褶皺斷裂為主。隧道橫穿一斷層及向斜構造。向斜軸部走向122°，向斜北東翼地層產狀為243°∠58°，南西翼地層產狀為23°∠50°。

隧道區上覆土層為第四系殘坡積層(Qel+dl)粉質黏土、黏土，下伏地層從老至新依次為三疊系中統關嶺組一段(T2g1)粉砂質泥巖、灰巖，三疊系中統關嶺組二段(T2g2)灰巖夾泥質灰巖，三疊系中統關嶺組三段(T2g3)白云巖，三疊系中統法郎組(T2f)灰巖，三疊系上統(T3)砂巖，侏羅系下統(J1)泥巖，侏羅系中統(J2)泥巖及砂巖夾泥巖。

2.2 波形特征分析

2.2.1 TSP探測溶洞圖像特征

根據工程地質勘察設計資料，隧道中部軸線ZK32+430～ZK32+250一帶右側存在地表巖溶洼地及落水洞，洼地區域豐水期地表水體匯集下滲水量大，地下也存在溶洞發育情況，隧道開挖至此段位置可能遇溶洞，極易發生涌水涌泥、塌方等險情。因此，采用TSP隧道地震波超前預報對該段巖溶區進行長距離重點預報。預報范圍為ZK32+402～ZK32+280。探測結果分析見圖3、圖4。

圖3 TSP探測深度P波偏移剖面圖Fig.3 TSP probing depth P wave migration profile

圖4 TSP探測成果圖Fig.4 TSP detection chart

據TSP探測分析結果，ZK32+370～ZK32+360、ZK32+318～ZK32+296段P波深度偏移圖顯示正負反射均強，反射界面較稀疏，且為負反射。P波波速明顯降低(Vp由3 821 m/s降為3 535 m/s)且波速均一，縱橫波波速比下降，泊松比大幅下降，楊氏模量大幅上升[8]。另外，ZK32+370、ZK32+318附近有強反射界面，其后反射減弱，由此推斷可能為溶洞前緣，ZK32+360、ZK32+296處有反射界面出現，物性參數有突變波動，可能為溶洞后緣。綜上分析，初步推斷這兩段圍巖為強風化灰巖，有較大規模溶洞發育(溶洞縱深6～8 m，橫寬6～10 m，洞內無填充)或順層夾泥嚴重。

ZK32+382～ZK32+370段、ZK32+346～ZK32+336段、ZK32+328～ZK32+318段均出現強烈正負反射界面，反射界面密集，P波波速整體下降、變小，且泊松比與動態楊氏模量起伏大，推測有巖體溶蝕破碎帶或較小規模溶洞發育，圍巖稍含溶隙水，出水狀態多呈滲透點滴狀。

2.2.2 地質雷達探測溶洞圖像特征

通過TSP長距離預報，得出ZK32+402～ZK32+280段巖體物探異常。為進一步確認，在隧道開挖接近該段異常區時，分別在掌子面及隧底采用地質雷達進行短距離精確預報。

掌子面探測采用點測模式，其物探異常區的地質雷達圖像和波形特征見圖5。

由雷達點測剖面圖以及單點數據圖可以看出，掌子面前方雷達波反射能量團分布不均勻，雷達波形相似性較差，波形反射變化波動劇烈，出現不連續的反射段。其中2～7 m段、11～15 m段、20～30 m段圖像右側區域為強反射段，隨后的雷達反射迅速減弱，并在一定長度內保持弱反射，呈現“強～弱～強”特征[9]。圖5中紅線包裹區域低頻信號密集，同相軸斷續，部分區域相位相差約半個波長，區域內高頻信號稍有分布，電磁能量隨波形衰減較快，推測紅線區域內有溶洞發育(縱深2～4 m，橫寬3～6 m)，且無填充物充填。

隧底探測采用線測模式，其探測出溶洞發育的地質雷達圖像和波形特征見圖6。

圖6 溶洞典型雙曲線形態及溶洞發育輪廓示意圖Fig.6 typical hyperbola shape of karst cave and development outline sketch map of karst cave

圖6中可以清晰看到，雷達圖像由許多雙曲線強反射波組成。由于溶洞的頂板常常類似于拱形，雷達發射的電磁波到達頂板各個部位后反射回來到接收的時間不同，有較為明顯的時差，所以雷達反射出來的圖像表現為雙曲線型。雙曲線的弧頂即為巖溶發育部位，其中心點的深度表示溶洞的深度，曲率的大小則反映了溶洞的橫向規模，曲率越小曲線越平緩，則溶洞規模越大(在雷達天線分辨率之內)[10]。圖6中大致繪出溶洞發育輪廓，溶洞內無填充。

工程中，線測模式下溶洞的地質雷達波形大多呈現典型的弧形繞射波形。而在點測模式下得到的點測剖面圖中振幅常常呈現“強～弱～強”的反射特征。在隧道超前預報工作中常選用點測模式測量。據此，可根據地質雷達圖像的強振幅、反相、主頻以及其他特征來識別溶洞發育情況。

3 巖溶評價及圍巖分級

3.1 參數提取與劃分

本文基于工程前期勘察設計資料以及TSP地震波速測試和地質雷達探測數據，結合鐵路隧道超前地質預報技術規程[11]，綜合分析，提取可用于評價巖體質量的主要關鍵物探參數。總結隧道巖溶區重點預報段落超前預報測試圖像特點，整理歸納得到的定性物探參數見表1。

將物探圖像進行后處理，提取反演成果圖數據，得到定量的反射界面及其對應的巖體視物性物探參數，見表2。

表1 物探參數定性信息表Table 1 qualitative information sheet of geophysical prospecting parameters

表2 物探參數定量信息表Table 2 quantitative information sheet of geophysical parameters

結合勘察設計地質資料和物探探測對巖溶區不良地質情況的響應特點，提取適用可靠的地質和物探參數指標，并根據各個指標對溶洞發育情況的影響進行歸類。可將溶洞預報目標劃分為3個級別：發育、可能發育、不發育。選取設計地質信息、掌子面地質觀察、TSP異常情況、縱波波速值、地質雷達波形特點、反射振幅特征等6類因素作為溶洞綜合分析預報的參考因子[12]。溶洞預報物探參數特征見表3。

表3 溶洞綜合預報物探參數特征Table 3 geophysical parameters of comprehensive prediction of karst caves

3.2 巖溶評價及分級

對于巖溶發育的隧道，超前地質預報旨在探清前方一定范圍內巖溶、結構面、地下水發育情況，并在特殊情況下提出預警，達到指導安全施工的目的。因此，對巖溶不良地質體存在的可能性及風險性還需作出分析評價。本文采用模糊綜合評價方法，對溶洞存在的風險性進行綜合評價[13]。

模糊綜合評價法是對受到確定和不確定因素約束的事物運用模糊數學的概念做出一個總體的評價[14]。模糊綜合評價法大體可分為4個步驟：①選取評價參數和分類評判集合；②建立模糊關系矩陣；③計算各因素權重值；④模糊矩陣復合運算。

根據地質資料及物探探測情況，選取可量化物探評價參數Ui構建物探集合U=Ui={U1，U2，U3…}，將溶洞存在的風險性分為3級，取V為分級標準的集合，V=Vi={V1，V2，V3…}。由此，可建立巖溶發育區(A)、巖溶中等發育區(B)、巖溶不發育區(C)的溶洞存在風險的評價因素集合和分級標準集合。其中，物探因子選取TSP縱波波速、縱橫波速比起伏值及地質雷達主頻帶寬。參考鐵路隧道設計相關規范標準，選取不同風險等級下對應的物探因子量值建立分級標準[15]。

將權重模糊矩陣Bj和關系模糊矩陣Rj進行復合運算，便可得出綜合評價指數。復合運算后，得出隧道巖溶發育、中等發育、不發育區溶洞存在風險綜合評價指數。通過以上步驟計算結果可得出的結論是：巖溶發育區溶洞存在風險等級為一級，巖溶中等發育區為一級和二級，巖溶不發育區為三級。隧道各段落物探參數存在明顯差異，巖溶發育區和中等發育區溶洞存在的風險等級較高，應重點進行超前預報。

在上述隧道巖溶段開挖實際過程中，采用了本文提出的模糊綜合評價法對隧道圍巖進行溶洞存在風險評價。根據評價結果，結合施工階段圍巖設計資料動態調整了圍巖級別。經過施工開挖過程中地質素描法、地質雷達法現場追蹤，并以施工現場實際揭露地質情況進行對比驗證，預報結果和實際開挖地質情況基本吻合。施工開挖過程中，時有揭露大小規模不等無填充型溶洞，部分掌子面巖體及溶洞發育情況見圖7。

圖7 掌子面巖體及溶洞發育照Fig 7 tunnel face and Karst cave development

預報結果和實際地質情況對比情況具體見表4。

表4 預報結果和實際地質情況對比情況表Table 4 Comparison of forecast results and actual geological conditions

由此可見，采用物探法與地質調查法相結合的綜合預報法進行隧道超前地質預報，提取TSP、地質雷達物探參數，建立模糊綜合評價工作體系，具有較高的可信度，施工過程中可及時規避或降低隧道塌方、冒頂的風險，有效指導隧道的安全施工。

4 結論與建議

1) 本文從隧道工程實際出發，在大量實測數據的基礎上，分析了物探異常區的TSP和地質雷達波形特征及規律，得出推斷溶洞發育的可靠圖像特征依據。TSP物探圖像中，縱波波速會大幅下降、楊氏模量和泊松比波動起伏較大，地質雷達振幅圖像會呈現明顯的“強～弱～強”特征。采用TSP和地質雷達相結合的手段，將兩者的物探參數相互配合補充，能夠更加確切地判識出圍巖的溶洞異常。

2) 提取物探反演成果圖的關鍵物性參數進行定性、定量歸納總結，獲取巖溶區和非巖溶區的物探參數特征，并且選取可量化的因子作為巖溶預報分級指標，從而可建立物探參數、巖溶風險等級標準集合。采用模糊綜合評價法對巖溶不良地質體風險等級評價，結果表明巖溶區溶洞存在風險等級較高，屬于一級風險的隸屬度為0.65，應重點關注，切勿冒進施工。

3) 結合隧道開挖設計圍巖分級情況及巖溶存在風險等級評價結果，動態調整劃分圍巖級別，經過實際開挖揭露的地質情況對比驗證及追蹤，得出的預報結果和實際開挖地質情況整體上基本吻合，證明了采用模糊綜合評價法應用于隧道巖溶區TSP及地質雷達超前地質綜合預報工作中是可行可取的。結合圍巖地質資料及評價結果，可為施工中動態變更圍巖級別及調整支護參數提供參考依據。