鐵路隧道小煤窯采空區(qū)綜合超前預(yù)報探測技術(shù)＊

周 金，牟元存，高樹全

（中鐵二院成都工程檢測有限責(zé)任公司，四川 成都 610083；中國地球物理學(xué)會中鐵二院院士專家工作站，四川 成都 610083）

1 研究背景

近年來中國大規(guī)模開展鐵路建設(shè)，尤其在中西部以山地地形為主的地區(qū)，線路經(jīng)常采用隧道方式穿越山體。采空區(qū)屬于一種人為坑洞，是隧道建設(shè)風(fēng)險評估中不良地質(zhì)之一，易導(dǎo)致隧道建設(shè)過程中發(fā)生突水涌泥、有毒有害氣體聚集、失穩(wěn)坍塌等災(zāi)害，故在地質(zhì)選線過程中通常以一定安全距離繞避采空區(qū)，以保證工程建設(shè)施工和后期運營安全，但受各種因素制約，很多線路方案必須經(jīng)過小煤窯采空區(qū)及其附近地區(qū)[1]，如何有效探查采空區(qū)成為解決上述問題的關(guān)鍵。采空區(qū)的地質(zhì)勘察工作主要包括資料搜集、調(diào)查訪問、地質(zhì)測繪，必要時輔以物探和鉆探工作，常用的物探方法有高密度電法、直流電測深、淺層地震法、跨孔電磁波CT、瞬變電磁法等[2-5]。單一方法難以查明小煤窯采空區(qū)及巷道，在地質(zhì)調(diào)繪的基礎(chǔ)上，采用多種物探方法進行綜合探測，輔以鉆探法驗證，基本能查明采空區(qū)和巷道的平面位置和埋深。但由于早期小煤窯支護措施簡陋、規(guī)模小，導(dǎo)致巷道和采空區(qū)由于年代久遠而垮塌、封閉，局部塌陷后痕跡不明顯，極具隱蔽性。加之小煤窯開采無規(guī)律、資料不完善等不利因素，使得部分小煤窯采空區(qū)及巷道在勘察階段成為“漏網(wǎng)之魚”，對隧道工程施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成極大隱患。

超前預(yù)報是在隧道開挖過程中采用特定方法對掌子面前方圍巖地質(zhì)情況進行探查，能查明掌子面前方存在的斷層破碎帶、富水體、巖溶、采空區(qū)等不良地質(zhì)體，為正確選擇開挖方法、支護措施，優(yōu)化工程設(shè)計及施工方案提供參考。本文在地表勘察未查明小煤窯采空區(qū)情況下，施工階段在隧道內(nèi)采用地震波反射法、地質(zhì)雷達法和超前鉆探法對其進行綜合預(yù)報探測，以地震波反射法在較長預(yù)報距離內(nèi)控制采空區(qū)分布范圍、地質(zhì)雷達法精準探查采空區(qū)的空間位置、超前鉆探法進一步驗證采空區(qū)的邊界和填充物性質(zhì)，長短距離預(yù)報方法結(jié)合對小煤窯采空區(qū)準確探查，開挖結(jié)果驗證了該方法的有效性，可為類似工程和相關(guān)工作人員提供借鑒經(jīng)驗。

2 采空區(qū)地球物理特征

分析采空區(qū)的地球物理特征，結(jié)合具體的地質(zhì)條件和各種方法的適用特點來選擇合適的方法，是探明采空區(qū)的關(guān)鍵。

采空區(qū)及巷道是在地下完整巖體中開挖形成的，在地下巖層中的狀態(tài)為密閉或半密閉空間，無論采空區(qū)是填充型還是非填充型，在其邊界附近都會形成較強波阻抗界面，在一定條件下地震波反射法能在較長距離（100～120 m）范圍內(nèi)識別該界面。另外采空區(qū)附近介質(zhì)密度降低將導(dǎo)致彈性波速降低，通過統(tǒng)計預(yù)報地區(qū)以往地震波反射法預(yù)報成果，得出地層巖體特征或不良地質(zhì)與縱波波速之間的對應(yīng)關(guān)系，通過這一特征可劃分采空區(qū)可能分布的段落。

地質(zhì)雷達法在探測淺部介質(zhì)時分辨率較高，在隧道掌子面開展超前預(yù)報能充分發(fā)揮這一優(yōu)勢。無論采空區(qū)及巷道的填充物為何種性質(zhì)，其電性特征都與圍巖存在較明顯的差異，尤其在采空區(qū)與圍巖分界面位置的介電性質(zhì)差異能在地質(zhì)雷達剖面上形成強烈反射，利用這一特性能探明采空區(qū)及巷道在掌子面前方的分布范圍[6]。

結(jié)合地震波反射法和地質(zhì)雷達法探測的采空區(qū)位置針對性地布設(shè)超前水平鉆，可進一步明確采空區(qū)的邊界位置和填充物性質(zhì)。綜上，結(jié)合前期勘查成果，采用地震波反射法、地質(zhì)雷達法和超前鉆探法對采空區(qū)進行綜合預(yù)報探測是可行的。

3 方法原理

3.1 地震波反射法

地震波反射法是通過分析彈性波在巖體中傳播時遇到目標地質(zhì)體產(chǎn)生的反射波中攜帶的信息來探測目標地質(zhì)體的一種物探方法。采用地震波反射法預(yù)報通常是在隧道掌子面附近邊墻一定范圍內(nèi)布置激發(fā)孔，通過在孔中人工激發(fā)地震波，所產(chǎn)生的地震波以球面波的形式在隧道圍巖中傳播，當(dāng)圍巖波阻抗發(fā)生變化時，一部分地震波將會被反射回來，另一部分地震波將會繼續(xù)向前傳播。反射的地震波由高精度的接收器所接收并傳遞到主機形成地震波記錄。地震波反射法的震源和檢波器近于線性分布，從彈性波運動特點分析，要達到較好的預(yù)報效果，要求斷層或巖層界面的傾角大于35°，構(gòu)造走向與隧道軸線夾角大于45°[7]。

3.2 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達法是通過發(fā)射天線向被探測體內(nèi)發(fā)射高頻電磁波（主頻1～1 000 MHz），當(dāng)電磁波傳至被探測體內(nèi)2 種不同介質(zhì)的分界面時，由于2 種介質(zhì)的介電常數(shù)不同而使電磁波發(fā)生反射、折射，反射波返回被探測體的表面，并由地質(zhì)雷達的接收天線所接收，形成地質(zhì)雷達圖像，通過處理和分析地質(zhì)雷達信號以達到探測目標體（破碎帶、空洞、界面等）的目的。地質(zhì)雷達法具有靈活方便、分辨率高、定位準確、剖面直觀、對施工干擾少等優(yōu)點，通常采用100 MHz 雷達天線能探測20～30 m 范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體。

4 應(yīng)用實例

4.1 工程地質(zhì)特征

探查段位于侏羅紀中下統(tǒng)自流井組（J1-2z）泥巖夾砂巖地層，圍巖巖性以泥巖和頁巖為主。泥巖為紫紅、黃綠色，粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀；頁巖為深灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁理構(gòu)造，巖質(zhì)較軟，易風(fēng)化剝落，具遇水軟化崩解、失水收縮開裂等特性。隧址區(qū)位于背斜南東翼，核部地表出露地層為三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）砂巖、泥巖夾煤層，該煤層為可采煤層且埋深淺。據(jù)調(diào)查走訪了解，隧址區(qū)附近存在私采小煤窯，由于年代久遠地表調(diào)查未發(fā)現(xiàn)洞口痕跡，推測隧道DK144+500—+800 段開挖可能揭示小煤窯采空區(qū)或采空巷道。

4.2 地震波反射法預(yù)報

在隧道進入可能存在采空區(qū)段落后，采用瑞士安伯格公司生產(chǎn)的TSP303Plus 超前預(yù)報系統(tǒng)對采空區(qū)進行長距離預(yù)報探測。預(yù)報時掌子面里程DK144+603.4，巖性主要為泥巖、頁巖，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，掌子面局部滲滴水。在隧道DK144+682 里程左右邊墻各布置一個地震波信息接收孔，在DK144+670—+631.4 段的左邊墻，按約1.5 m 的間距布置24 個激發(fā)孔并逐一激發(fā)。數(shù)據(jù)處理流程為：數(shù)據(jù)設(shè)置→時變高截→帶通濾波→初至拾取→直達波調(diào)整→Q 分析→反射波提取→P-S 波分離→速度分析→深度偏移→反射層拾取。經(jīng)過處理得到反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果圖和波速分布云圖，如圖1 和圖2 所示。

圖1 TSP 法反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果圖

圖2 TSP 波速分布云圖

通過統(tǒng)計預(yù)報地區(qū)以往地震波反射法預(yù)報成果，得出地層巖體特征與縱波波速之間的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 預(yù)報地區(qū)地層巖體特征與縱波波速對應(yīng)關(guān)系統(tǒng)計表

如圖1 所示，DK144+582—+564 段（圖中線框區(qū)域）反射界面密集，收斂性較好，泊松比和動態(tài)楊氏模量起伏變化明顯，表明該段圍巖破碎或存在界面。另外DK144+580 里程處縱波波速降低至2 850 m/s，波速分布云圖中該段也存在明顯低速區(qū)（圖2 箭頭指向區(qū)域），根據(jù)表1 結(jié)合隧道工程地質(zhì)情況分析，推測該段巖體連續(xù)性差，可能存在軟弱夾層或采空區(qū)。

4.3 地質(zhì)雷達法預(yù)報

采用地質(zhì)雷達法對地震波反射法推測的存在采空區(qū)段落進行短距離預(yù)報探測。此次地質(zhì)雷達預(yù)報時掌子面里程為DK144+603，巖性主要為泥巖、頁巖，灰色、黃綠色，薄—中厚層狀，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，掌子面無水。本次探測工作采用美國GSSI 公司生產(chǎn)的SIR-4000 型地質(zhì)雷達，搭配自激自收的100 MHz屏蔽天線，時窗長度650 ns，采樣點數(shù)設(shè)為512，在掌子面中下部水平布設(shè)2 條測線，分別離地高1.5 m 和1 m，預(yù)報里程范圍為DK144+603—+573 段（即掌子面開挖方向30 m）。采用“RADAN 7”軟件包對地質(zhì)雷達原始數(shù)據(jù)進行處理，處理流程為：數(shù)據(jù)傳輸→文件編輯→水平均衡→數(shù)字濾波→零點歸位→偏移處理→能量均衡→距離歸一化→輸出雷達深度剖面圖。根據(jù)輸出的深度剖面圖上的反射波組、強能量團塊分布和曲線特征對資料進行判釋。

經(jīng)過處理得到雷達深度剖面圖，如圖3 所示（縱向為深度方向），剖面中淺部電磁波反射波信號能量較弱，相位穩(wěn)定，波形較為均一，表明該段無明顯地質(zhì)異常；DK144+580—+575 段（掌子面前方23～28 m）左側(cè)和中部約6 m 寬度內(nèi)電磁波反射波信號能量增強（圖3 中線框區(qū)域），同相軸較為連續(xù)，存在明顯反射波組，以低頻信號為主，表明該位置存在分界面（推測為采空區(qū)或巷道），且測線1 異常較測線2 靠左，說明采空區(qū)或巷道向線路左側(cè)延伸（預(yù)報為小里程方向，線路左側(cè)為探測方向右側(cè)）。結(jié)合走訪結(jié)果和TSP 預(yù)報結(jié)論，推測DK144+580—+575 段圍巖破碎，節(jié)理發(fā)育，存在采空區(qū)。為確保施工安全，建議施工單位進一步采用超前鉆探法進行探測，探明采空區(qū)的填充性質(zhì)、瓦斯及其他有害氣體情況，同時施工過程中加強支護，防止坍塌、突涌等。

圖3 地質(zhì)雷達探測深度剖面圖

根據(jù)地質(zhì)雷達法探測結(jié)果，在測線1 高度離左邊墻3 m 處實施超前水平鉆1 孔，鉆探結(jié)果顯示DK144+579—+576 段存在突進，沖洗液含黃泥，鉆進過程中無水。綜合分析推測DK144+580—+575 段存在采空區(qū)或巷道，橫向?qū)捈s6 m，向線路左側(cè)延伸，為泥質(zhì)半填充或全填充，無水。

4.4 開挖結(jié)果與分析

開挖結(jié)果表明，在隧道DK144+580 里程線路右側(cè)拱腳位置揭示一小煤窯采空巷道，經(jīng)測量巷道與隧道接觸面高3 m，寬5 m，巷道發(fā)育方向與隧道軸線交角約45°，巷道坡度約45°，從DK144+580 線路右側(cè)拱腳延伸至DK144+575 線路右線中線仰拱輪廓線位置，巷道中發(fā)現(xiàn)腐木及松散軟黏土，有少量地下水，開挖結(jié)果與預(yù)報結(jié)論相符。現(xiàn)場開挖揭示采空巷道圖如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場開挖揭示采空巷道圖

應(yīng)用實例表明采用地震波反射法、地質(zhì)雷達法和超前鉆探法對采空區(qū)及巷道進行綜合預(yù)報是有效的，物探異常明顯，結(jié)合鉆探法能相互印證、相互補充，提高預(yù)報精度，準確探明采空區(qū)及巷道空間位置和填充物性質(zhì)。

5 結(jié)束語

對于勘察階段未查明的小煤窯采空區(qū)，根據(jù)采空區(qū)地層工程地質(zhì)特點和采空區(qū)地球物理特征，在施工階段選擇適宜的預(yù)報方法對探明采空區(qū)及巷道空間位置至關(guān)重要。在一定條件下采用地震波反射法、地質(zhì)雷達法和超前鉆探法對采空區(qū)及巷道進行綜合預(yù)報是有效的，物探異常指導(dǎo)靶向鉆探，能相互印證、相互補充，提高預(yù)報精度，準確探明采空區(qū)及巷道空間位置和填充物性質(zhì)。

案例中的采空巷道延伸方向與隧道軸線角度較大，具備地震波反射法探測要求，物探異常明顯。但若采空巷道走向與隧道軸線角度小，探測效果會一定受影響。地質(zhì)雷達法探測結(jié)果受測線布置和干擾影響較大，需結(jié)合具體的地質(zhì)條件和目標體特點合理布置測線，資料解譯時需排除臺架等干擾導(dǎo)致的假異常。超前鉆探法結(jié)果直觀，但效率較低且難免“一孔之見”，需結(jié)合物探成果針對性地布孔，減少成本、提高工效的同時達到靶向鉆進驗證的目的。