各種物探方法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

李大偉

中鐵津橋工程檢測(cè)有限公司 吉林 長(zhǎng)春 130000

貴南跌路連接的貴州省和廣西壯族自治區(qū)多為喀斯特地貌，地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道施工難度很大。喀斯特地貌（英語(yǔ)：karstlandform），是地下水和地表水對(duì)可溶性巖石（大多為石灰?guī)r）進(jìn)行溶蝕作用等所形成的地表和地下形態(tài)的總稱，又稱巖溶地貌。在這種地質(zhì)情況下，隧道施工的難度很大，需要事先掌握掌子面前方地質(zhì)狀況。下面介紹一下三種物探方法的工作原理和預(yù)報(bào)流程以及在貴南鐵路地質(zhì)預(yù)報(bào)中的實(shí)際應(yīng)用。

1 地質(zhì)雷達(dá)法

1.1 工作原理

地質(zhì)雷達(dá)法是利用超高頻窄脈沖電磁波探測(cè)隧道掌子面前方地質(zhì)體分布的一種物探方法，其工作原理是雷達(dá)的發(fā)射天線向隧道掌子面前方發(fā)射電磁波信號(hào)（頻率為106-109Hz），在電磁波向掌子面前方傳播的過(guò)程中，當(dāng)遇到電性差異較大的介質(zhì)（如溶洞、裂隙、地下水等）時(shí)，電磁波會(huì)發(fā)生反射，由接收天線接收反射波并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中，用專業(yè)的處理軟件對(duì)地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達(dá)波形、電磁場(chǎng)強(qiáng)度、振幅和雙程走時(shí)等參數(shù)便可推斷掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造，為隧道的安全施工提供保障和技術(shù)支持。

1.2 預(yù)報(bào)流程

用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行隧道超前預(yù)報(bào)時(shí)，直接將雷達(dá)天線貼于掌子面上，采用人工連續(xù)緩慢移動(dòng)天線發(fā)射、接收電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。大多數(shù)掌子面附近由于施工工藝復(fù)雜，人員機(jī)械數(shù)量多，一般工作面很狹小，這種探測(cè)方法比較適合掌子面空間狹小的工作條件。根據(jù)掌子面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在探測(cè)過(guò)程中一般可采用兩橫或一橫兩豎的布線方式。當(dāng)然，還要根據(jù)掌子面現(xiàn)場(chǎng)情況靈活布置測(cè)線，其原則就是使測(cè)線盡可能靠近掌子面的中心位置，測(cè)線長(zhǎng)度滿足要求且完整，數(shù)據(jù)量滿足檢測(cè)要求，后期的數(shù)據(jù)分析處理才會(huì)更準(zhǔn)確更客觀。 預(yù)報(bào)距離根據(jù)圍巖的實(shí)際情況和圍巖等級(jí)一般能夠達(dá)到掌子面前方 15-30m 左右。下面我們用一次地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)實(shí)例來(lái)介紹一下地質(zhì)雷達(dá)法在貴南鐵路的實(shí)際應(yīng)用[1]。

1.3 應(yīng)用實(shí)例

本次預(yù)報(bào)的隧道為新安村三號(hào)隧道出口，掌子面里程為DK31+133.8,采用瑞典 MALA 公司 PROEX 型地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行，采用雷達(dá)天線中心頻率為 100MHz（如圖1所示）。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)深度剖面圖

1、本次預(yù)報(bào)長(zhǎng)度為30m，范圍為DK31+133.8-DK31+103.8。

2、從地質(zhì)雷達(dá)資料分析，得出如下結(jié)論：

該段巖體破碎，夾泥，節(jié)理裂隙發(fā)育，溶蝕裂隙發(fā)育，泥質(zhì)填充，地下水發(fā)育，須重點(diǎn)關(guān)注。

3、溶蝕裂隙發(fā)育，泥質(zhì)填充，施工過(guò)程中須及時(shí)采用加深炮孔進(jìn)一步探測(cè)掌子面前方的圍巖及水量的變化情況，以及溶蝕裂隙的發(fā)育情況（特別是物探異常附近）；注意降水量的變化影響，及時(shí)支護(hù)，防止掉塊、坍塌以及突水突泥。

4、由于掌子面前方的地質(zhì)條件復(fù)雜，介質(zhì)分布不均勻，電磁波的傳播速度差異大，而地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)卻只能按照統(tǒng)一的傳播速度來(lái)處理，因此目標(biāo)體的深度值會(huì)產(chǎn)生一定的誤差[2]。

2 地震波反射法（TSP）

2.1 工作原理

地震波反射法超前預(yù)報(bào)是利用地震反射波和繞射波原理，對(duì)隧道掌子面前方的地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)。由引爆炸藥產(chǎn)生的地震波向掌子面前方傳播的過(guò)程中，遇到巖體中相對(duì)大的聲阻抗界面會(huì)產(chǎn)生反射波，遇到相對(duì)小的聲阻抗界面會(huì)產(chǎn)生繞射波，統(tǒng)稱為地震回波，利用放置在隧道邊墻內(nèi)的TSP接收器采集隧道圍巖中界面的地震回波，通過(guò)專業(yè)處理軟件提取回波的界面位置、空間分布、回波極性和回波能量等信息，并結(jié)合隧道其他地質(zhì)資料綜合分析，對(duì)隧道進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。

2.2 預(yù)報(bào)流程

現(xiàn)場(chǎng)需要在隧道兩側(cè)各布置24個(gè)炮孔并安裝適量炸藥，兩側(cè)各安裝一個(gè)接收器，將炮孔內(nèi)的炸藥逐個(gè)引爆，用引爆炸藥產(chǎn)生地震波向掌子面前方傳播，再用接收器接收隧道圍巖中界面的地震回波，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中，通過(guò)專業(yè)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。下面我們用一次TSP法預(yù)報(bào)實(shí)例來(lái)介紹一下地震波反射法在貴南鐵路的實(shí)際應(yīng)用[3]。

2.3 應(yīng)用實(shí)例

本次預(yù)報(bào)的隧道為新安村三號(hào)隧道出口，掌子面里程為DK31+147.8，采用TSP203PLUS隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行。(圖2)系統(tǒng)頻譜分析圖、(圖3）前方物性及異常特征2D圖以及本次預(yù)報(bào)結(jié)論和施工建議。

圖2 TSP203系統(tǒng)頻譜分析圖

圖3 TSP203系統(tǒng)前方物性及異常特征圖

本次預(yù)報(bào)長(zhǎng)度為120m，范圍為DK31+147.8-DK31+027.8。

1、DK31+147.8 - DK31+131，長(zhǎng)度16.8m。

從TSP法反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果圖來(lái)看，該段巖體延續(xù)目前掌子面圍巖情況，巖體較完整，局部破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，溶蝕裂隙發(fā)育，地下水較發(fā)育。

2、DK31+131 - DK31+062，長(zhǎng)度69m。

從 TSP 法反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果圖上來(lái)看，該段縱橫波速度下降，密度下降，該段巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，溶蝕裂隙發(fā)育，地下水發(fā)育。須重點(diǎn)關(guān)注DK31+123-DK31+111里程段的水量變化情況和DK31+111-DK31+062圍巖變化情況。

3、DK31+062 - DK31+027.8，長(zhǎng)度34.2m。

從TSP法反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果圖上來(lái)看，該段縱波速度上升，密度上升，該段巖體較破碎，局部完整，反射界面多，節(jié)理裂隙發(fā)育，溶蝕發(fā)育，泊松比上升，地下水發(fā)育。須關(guān)注DK31+043 - DK31+036里程段的圍巖變化情況。

設(shè)計(jì)資料顯示DK31+145 - DK31+125里程段隧道上方有2個(gè)填充型溶洞，DK31+125 - DK31+085里程段進(jìn)入新安村一號(hào)逆斷層，DK31+070尖山營(yíng)暗河與線路相交，處于山凹低洼區(qū)域，施工過(guò)程中須及時(shí)采用加深炮孔和超前地質(zhì)鉆孔進(jìn)一步探測(cè)掌子面前方圍巖情況及水量變化情況（特別是物探異常段落附近）[4]。

本次預(yù)報(bào)段落巖體破碎，完整性差，富水性強(qiáng)，巖溶發(fā)育，隧道開(kāi)挖易掉塊、坍塌，還可能突水、突泥，施工時(shí)及時(shí)支護(hù)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施作鉆探，注意施工安全。

3 瞬變電磁法

3.1 工作原理

瞬變電磁法工作原理是在隧道掌子面上布置一個(gè)發(fā)送回線，在回線上供一個(gè)脈沖電流，電流會(huì)在掌子面前方空間建立一個(gè)穩(wěn)定的磁場(chǎng)，使前方地質(zhì)體產(chǎn)生渦流，將電流斷開(kāi)，該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)立刻消失，在一次磁場(chǎng)的劇烈變化下，該渦流不會(huì)立即消失，會(huì)有一個(gè)衰減的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)向掌子面?zhèn)鞑ィ山邮栈鼐€接收二次磁場(chǎng)，接收到的二次磁場(chǎng)的變化取決于地質(zhì)體的電性分布情況。如果前方地質(zhì)體導(dǎo)電性不好時(shí)，掌子面前方地質(zhì)體產(chǎn)生的渦流會(huì)快速衰減；當(dāng)其導(dǎo)電性良好時(shí)，電流斷開(kāi)瞬間，在導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流來(lái)維持一次場(chǎng)的消失，所觀測(cè)到的過(guò)渡過(guò)程衰變速度將變慢，從而判斷圍巖的導(dǎo)電性，對(duì)圍巖進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)[5]。

3.2 預(yù)報(bào)流程

現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)時(shí)掌子面處布置1個(gè)發(fā)射線框，掌子面布置一條測(cè)線，測(cè)線上每1m1個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)移動(dòng)接收線圈，形成1條實(shí)測(cè)剖面。

施工技術(shù)措施：采用重疊回線組合裝置布置一個(gè)邊長(zhǎng)1.5m的激發(fā)和接收正方形線圈，激發(fā)線圈匝數(shù)為4匝，接收線圈匝數(shù)為40匝。供電電流檔為50A，采樣率16μS，供電脈寬10ms。每個(gè)測(cè)點(diǎn)至少采用30次疊加方式提高信噪比，確保了原始數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。下面我們用一次瞬變電磁法預(yù)報(bào)實(shí)例來(lái)介紹一下瞬變電磁法在貴南鐵路的實(shí)際應(yīng)用。

3.3 應(yīng)用實(shí)例

本次預(yù)報(bào)的隧道為新安村三號(hào)隧道出口，掌子面里程為DK31+162.8，采用YCS400（A）礦用瞬變電磁儀進(jìn)行.下面是預(yù)報(bào)成果圖和預(yù)報(bào)結(jié)論以及施工建議（圖4所示）。

圖4 瞬變電磁預(yù)報(bào)成果圖

本次預(yù)報(bào)掌子面里程為DK31+162.8，預(yù)報(bào)里程范圍為DK31+162.8 - DK31+062.8段，預(yù)報(bào)方向由大里程至小里程方向。具體分析如下：

1、DK31+162.8 - DK31+117.8，長(zhǎng)度45m。

根據(jù)瞬變電磁法電阻率成果圖上分析，該段未發(fā)現(xiàn)明顯的低阻區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)掌子面少量股狀出水，推測(cè)該段地下水較發(fā)育。

2、 DK31+117.8 - DK31+062.8，長(zhǎng)度55m。

根據(jù)瞬變電磁法電阻率成果圖上分析，該段存在一個(gè)聯(lián)通低阻區(qū)，推測(cè)裂隙帶發(fā)育，巖溶較發(fā)育，地下水發(fā)育，呈股狀出水。

設(shè)計(jì)在DK31+125存在新安村一號(hào)逆斷層和DK31+070附近存在尖山營(yíng)暗河，建議按設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)施作超前水平鉆和加深炮孔（特別是物探異常段落），了解掌子面前方水量的變化情況，做好防排水措施，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，控制開(kāi)挖尺寸，注意施工安全[6]。

4 結(jié)論

三種不同的物探方法都有其特有的適用范圍和作用。TSP法的有效預(yù)報(bào)距離在100-200 m，而地質(zhì)雷達(dá)法主要探測(cè)前方15-30 m 的地質(zhì)情況，TSP法比地質(zhì)雷達(dá)法的探測(cè)距離要長(zhǎng)的多，但是對(duì)構(gòu)造體的分辨率和準(zhǔn)確度都不如地質(zhì)雷達(dá)效果好，所以TSP法適合隧道大范圍的常規(guī)預(yù)報(bào)，貴南鐵路全線隧道都施做TSP法。地質(zhì)雷達(dá)法分辨率高，探測(cè)巖溶效果好，所以在圍巖較差，巖溶發(fā)育區(qū)加做地質(zhì)雷達(dá)法。瞬變電磁法探測(cè)掌子面前方含水體的范圍效果很好，所以在貴南鐵路隧道富水段加做瞬變電磁法。現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)物探法預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度還有待提高，在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件同樣的情況下，各種物探法預(yù)報(bào)掌子面前方的地質(zhì)情況與真實(shí)前方地質(zhì)情況的對(duì)比有助于提高技術(shù)水平，各種物探方法取長(zhǎng)補(bǔ)短，結(jié)合運(yùn)用，能更好的發(fā)揮各自作用，大大的提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度，為隧道的安全施工提供保障。