聯合預報在組合地質災害隧道工程中的應用

朱寶合， 戴亦軍， 鄭邦友， 劉 燦

(中國隧道建設有限公司，重慶 404100)

由于工程前期的地質勘探工作受技術條件和經濟條件的限制，導致地勘資料不夠詳盡，有時候會漏報嚴重的地質災害[1]。為了解決上述地質災害所帶來的施工風險，避免突水突泥等地質災害的發生，確保安全施工，目前普遍采用超前地質預報技術對地下工程進行超前探測。由于每一種物探技術都有其各自的探測盲區，為了對開挖區段的不良地質情況進行全面的探測，目前通常采用多種探測技術聯合預報的模式。由于單一的物探技術并不能對所有不良地質體完成探測，就導致了聯合預報所采用的每種探測技術在施工的全過程都需要探測，以保證對不良地質體探測的準確性；這種探測方式大大增加了探測的工作量以及探測成本，并且很大程度上影響了施工工期。

以正在施工的桃子埡隧道為工程背景,對目前比較先進的隧道地震電測(tunnel seismic electric prediction, TSEP)三維地震反射與震電效應一體化綜合預報系統以及地質雷達(ground penetrating radar, GPR)的聯合預報效果進行分析,謀求找到一種新的聯合預報模式,能最大程度地減小探測成本及探測工作量，以及最大程度地降低超前地質預報工作對施工的影響。

1 工程地質概況

該隧道工程最大埋深達到1 000 m，上覆第四系圖層分布零星，厚度較小，有碎屑地段的含碎石粉質黏土以及可巖溶地段的黏土；下伏基巖主要有志留系下統龍馬溪組、志留系中統韓家店組、二疊系中統棲霞組-茅口組中度風化灰巖夾泥巖。

區段受地殼運動、構造及水流的綜合影響形成了復雜多樣的構造侵蝕-溶蝕低中山地貌，施工巷道經過區段地下水豐富，巖溶發育，巖體巖性較軟弱，巖體破碎，主要以中度和輕度風化灰巖為主，偶有夾層；區段內斷層以楠木園斷層為主，并且存在多處小斷層破碎帶組合等。總體上施工區段地質結構復雜，巖體完整性差，巖層富含地下水，施工風險較高，施工條件較差。

2 兩種超前地質預報技術的理論基礎

2.1 GPR超前地質預報技術原理

GPR是利用電磁波對不可見異常體及差異界面進行掃描，以確定其位置的一種物探技術[2]。該技術的基本原理就是電磁波在介質中的傳播規律及理論，發射天線T發出電磁波，在地下介質中傳播時當其遇到異常地質體時，有一部分電磁波反射,而另一部分波發生透射，最終設備會將所有反射信號以波形圖的形式記錄下來[3]。在電磁波傳播的過程中，當遇到節理裂隙不同的地層時，電磁波的相關可測參數會發生變化，因此可以根據波的傳播時間、振幅等數據對地層結構進行推斷[4-5]。地質雷達原理如圖1所示。

圖1 地質雷達原理Fig.1 Schematic diagram of geological radar

2.2 TSEP超前地質預報技術原理

TSEP三維地震反射與震電效應一體化綜合預報系統是地震反射和震電效應兩種物探理論的結合。

隧道地震反射法采用多波多分量高分辨率地震反射法,地震波在設計的震源點用小量炸藥激發,當地震波遇到巖石波阻抗界面時。一部分地震波反射回來,一部分透射進入前方界面,反射的地震波信號被檢波器接收,通過軟件分析處理掌子面前方地質信息[6-9]。超前地質預報儀觀測圖如圖2所示。

圖2 超前地質預報儀觀測圖Fig.2 On-site work diagram of the advanced geological forecaster

震電效應產生機制主要是電阻效應和流動電勢效應，在初始平衡狀態下,巖石顆粒表面通常吸附負離子,在其周圍溶液的界面上則分布正離子,這樣便在固-液間形成了雙電層。當地震波在地下含流體飽和孔隙介質中傳播時,帶電液體和骨架會產生非同相振動,引起孔隙液體與固體骨架的相對運動,導致電荷密度發生波動,從而使孔隙流體中的帶電離子形成微電流并在不連續邊界處將會激發電磁波,與此相反的逆效應亦存在[10]。由于TSEP超前地質預報技術是以炸藥爆破為震源，不管含水地質體在隧道掌子面前方、四周及后方,都是以爆破點周圍為原點,地震波向周圍傳播,當遇到含水地質體時都會產生震電信號;利用觀測信號的極性、時間和一定距離的多次觀測,可以分析含水地質體的位置。震電效應機理如圖3所示。

圖3 震電效應機理示意圖Fig.3 Schematic diagram of the mechanism of seismic effect

3 工程應用情況

3.1 TSEP技術現場應用情況

在ZK58+767～970里程內共進行兩次TSEP超前地質預報探測，第一次探測ZK58+767～870共113 m，第二次探測ZK58+870～970共100 m。兩次探測采樣率選擇62.5 ms檔，通過選擇采樣點數保證地震記錄長度不小于200 ms，激發方式采用斷線觸發方式，每孔裝藥量為100 g。

總體上地震縱波同相軸初至明確，橫波同相軸的幅度和頻率明顯區別于縱波，縱橫波同相軸的速度具有明顯差別而分離清晰，現場采集的地震波三分量記錄屬于優良記錄。現場探測施工情況如圖4所示。

里程ZK58+767～870區段共計有24個爆破孔，2個接收孔，成孔效果較好，探測成果如圖5、圖6所示。

里程ZK58+767～870區段共計有21個爆破孔，2個接收孔，成孔效果較好，探測成果如圖7、圖8所示。

圖4 現場探測施工情況Fig.4 Field detection construction drawing

圖5 二維成果圖Fig.5 2D results map

圖6 巖石波形Fig.6 Rock waveform

圖7 第二次探測二維成果圖Fig.7 Second detection of two-dimensional results

3.2 GPR技術現場應用情況

GPR超前地質預報技術對不良地質體的預報主要是通過地質雷達系統將地下探測段的電性界面以圖形的形式反映出來，最后結合地勘資料、鉆探資料以及探測段掌子面情況對探測段地下的地址情況進行最真實的反應。測線布置如圖9所示，探測現場如圖10所示。

圖8 第二次探測巖石波速圖Fig.8 Second detection of rock wave velocity map

圖9 測線布置Fig.9 line layout

圖10 地質雷達測線布置及現場采集Fig.10 Geological radar line layout and site acquisition

在探測區段共進行了10次地質雷達探測，每次布置兩根測線，測線長度設置為10 m、采樣時長設置為500 ns。地質雷達探測成果如圖11所示。

3.3 兩種技術預報結果對比分析

根據收集到里程ZK58+767～970范圍內實際開挖情況與預報情況進行分析，對比了區段內巖體完整性、節理裂隙、巖層含水及巖溶發育情況。探測情況對比如表1所示。

掌子面節理裂隙、巖體斷層及破碎情況如圖12、圖13所示。

TSEP超前地質預報技術對巖體完整性、巖層富水、巖溶及巖溶裂隙等地質情況預報、誤報、漏報情況以及實際發育數量情況如表2～表4所示。

GPR超前地質預報技術對巖體完整性、巖層富水、巖溶及巖溶裂隙等地質情況預報、誤報、漏報情況以及實際發育數量情況如表5～表7所示。

根據表2～表7對探測里程內巖體情況、巖層富水及巖溶發育情況的分析得到兩種探測技術對巖層富水以及巖溶實際發育情況與預報情況對比結果，如圖14、圖15所示。

由圖14、圖15可以得到TSEP探測技術對巖體情況、富水情況及巖溶發育情況的定性判斷可行度較高,分別達到了80%、92%和94%；而GPR探測技術對巖體預報效果明顯劣于TSEP技術，定性判斷準確率為44%，對巖層富水及巖溶發育情況預報效果較好，分別為84%和100%。

圖11 地質雷達探測成果Fig.11 Geological radar detection results

表1 探測情況對比

圖12 破碎的掌子面巖體Fig.12 Broken face rock mass

圖13 邊墻巖溶水涌出情況Fig.13 Side wall karst water gushing

表2 TSEP水體探測情況

表3 TSEP巖溶探測情況

表4 探測里程數量預報情況

表5 GPR水體探測情況

表6 GPR巖溶探測情況

表7 探測里程數量預報情況

圖14 TSEP探測情況占比Fig.14 TSEP detection ratio

圖15 GPR探測情況占比Fig.15 GPR detection ratio

4 結論

(1)TSEP超前地質預報技術傳承了地震波反射(tunnel seismic eletric prediction，TSP)多波三分量地震反射法技術的優勢，有效預報范圍大，使用方便，對巖體、巖溶及水害的探測效果較好；地質雷達對巖溶及水害探測效果較好但對巖體情況預報效果較差。

(2)施工中建議主要利用TSEP對施工區段全過程作超前地質預報，對探測到的異常含水及巖溶發育區段利用地質雷達進行進一步探測，更精確地定位其發育位置，更有效地指導施工。

(3)采用TSEP超前地質預報技術與GPR地質雷達技術聯合預報的預報體系，可以改變原有聯合預報全過程預報的模式，減少預報工作量、降低預報成本，為同類型地質條件工程超前探測提供了借鑒。