物探在隧道工程中的綜合運用及其互補性分析

常帥斌

隨著科學技術的不斷進步，物探技術的發展日趨成熟，應用領域不斷拓寬，而且物探技術方法門類眾多，其原理和使用的儀器設備也各有不同。將物探技術應用于隧道工程，可使其在工程設計、施工、運營不同階段、不同空間、不同目的實現提前預測、過程精測及工后監測之作用，保證結構物施工安全和運營安全。

1 隧道工程中物探手段的選擇

在隧道工程中物探技術常用探測方法有以下幾種:1)電法勘探;2)地震勘探;3)彈性波測試;4)物探測井;5)地質雷達技術等。綜合物探就是以這些物探方法為基礎，把兩種或兩種以上的物探方法有效地組合起來，達到共同完成或解決某一地質或工程問題的目的。本文重點對隧道常用的綜合物探手段，如基礎地質法、電法、高精度磁法、可控源音頻大地電磁法、TSP、地質雷達、紅外探水等原理、儀器及應用范圍分析，以期取得最佳的地質效果和社會、經濟效益，滿足工程建設的需要。

2 物探手段的特點及其互補性分析

2.1 基礎地質法

1)收集整理工程區域地質資料，結合地質調查進行資料分析，研究區域地質背景，從而判斷本段軟弱帶的優勢斷裂發育方向、規模及可能的地質災害;

2)仔細分析前期地質資料，并進行現場復核和勘察，在地表準確鑒別不良地質體的性質、位置、巖體質量，精確調查和測量不良地質體空間展布參數;

3)洞內地質素描工作，根據隧道掌子面開挖進度隨時開展基礎地質工作，地質素描資料通過整理后以地質展示圖、剖面圖的形式，為地質超前預報物探測試及分析提供基礎資料或預報警報。

2.2 衛星遙感影像

收集衛星遙感影像，根據近期衛星遙感影像可以相對清晰解釋圈定主要線性構造或隱伏斷裂的地表位置。

2.3 高精度磁法

基本原理是利用巖石的不同磁性特征解決地質問題的地球物理勘查方法。不同的巖石其磁性存在差異，同一巖性受構造作用后其磁性與完整巖石也會出現一定的變化，這是高精度磁測用于圈定基性巖脈和構造破碎帶的地球物理基礎。具體工作模式即在地面使用高精度磁力儀對工作剖面逐點進行觀測，對原始讀數進行改正、濾波等處理后，分析、研究磁場異常，進而推斷解釋巖性的分界線或斷裂破碎帶。

2.4 可控源音頻大地電磁法(CSAMT)

可控源音頻大地電磁法(簡稱CSAMT)，其工作原理是:地下巖石在人工場源激發下，在電流流過時會產生電位差，由于不同頻率的電磁場在地層中的傳播深度不同，頻率越低穿透越深，所反映深度與頻率構成一個數學關系，且不同電導率的巖石在電流流過時所產生的電位和磁場不同，通過地表儀器測量電場(Ex)與磁場(By)的水平分量求取地下介質的卡尼亞電阻率。通過卡尼亞電阻率值差異即可發現和解決地質問題。隧道工程是利用構造破碎帶與基巖的電性差異圈定構造破碎帶，因為巖石破碎后其導電性與完整基巖相比有明顯增大，其電性差異是明顯的，另構造破碎帶中若充水則電性差異將更明顯。

2.5 TSP

TSP主要采用回聲測量原理。地震波在指定的震源點(在隧道的右/左邊墻，大約24個炮點布成一條直線)用小量炸藥激發產生。地震波在巖石中以球面波形式傳播。當地震波遇到巖石物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的三分量傳感器接收。反射信號的強弱與反射界面兩側的巖性有很大關系，反射界面兩側的巖性差異越大，反射回來的信號越強，預報的范圍也就更大，一般根據圍巖情況可預測掌子面前方100 m～150 m的范圍。

2.6 地質雷達探測

地質雷達(GPR)其工作原理為電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發射天線發射信號，經目標體反射或透射，被接收天線接收HJ。根據精度的不同，其預測范圍為掌子面前方5 m～30 m。

2.7 紅外探水

巖層由于分子振動和晶體格振動，每時每刻都在向外輻射電磁波，并形成紅外輻射場。紅外探測技術就是通過紅外探測前方一定范圍內的紅外輻射場的變化，即通過探測儀顯示出紅外輻射溫度的變化。當探測前方不存在隱伏的地質異常體時，紅外輻射場就是一常值。當探測前方一定范圍內存在隱伏的地質異常體時，地質異常體產生的輻射場就要疊加在正常輻射場上，從而使得正常輻射場發生畸變。因此根據紅外輻射場曲線的變化規律，就可以全空間、全方位探查地質異常體。在隧道掘進現場，當掌子面前方存在含水構造時，含水構造產生的異常紅外輻射場會疊加到圍巖的正常輻射場上，儀器顯示屏上的曲線出現數據突變。而當掌子面前方沒有含水構造時，所測定的紅外輻射場為正常場值，數據曲線近似為一條直線。

3 工程實例

3.1 工程概況及物探手段的選擇

某隧道在實際施工過程中，隧道多次出現小型軟弱或斷層帶，在一號斷層連續兩次出現涌泥現象，每次涌泥量達2萬m3;二號斷層出現較大突水，突水量達12 000 m3/d，持續時間約20 d。針對本隧道特點及出現的地質問題，對該隧道進行了補充綜合地質物探勘查，重點對涌泥和突水勘查其形成原因及一、二號斷層間未貫通地段進行預測。在該工程中，補充進行了地面綜合地質物探工作，并通過洞內綜合物探手段進行驗證，地面主要選擇采用了地面水文地質、工程地質專項調查，高精度磁法剖面測量、可控源音頻大地電磁法等綜合地質物探方法進行勘測。洞內采用TSP、地質雷達、紅外探水等物探手段和水平鉆孔物理手段進行驗證。

3.2 實際應用

3.2.1 收集資料分析

通過對已有地質資料(1∶200 000幅區域地質調查報告;1∶50 000幅區域地質調查報告)、衛星遙感影像圖及地質調查，得出基本結論:本區規模較大的線性影像主要為NEE向(60°～70°)、NNW向(330°～340°)兩組，其次有近S-N向、近E-W向兩組。區內主體巖性為早白堊世淺肉紅色晶洞中(細)粒堿長花崗巖，地表基巖露頭表現的斷裂構造形跡主要為節理裂隙和沿裂隙充填的巖脈。

3.2.2 高精度磁法

高精度磁測網布設除覆蓋隧址中線的測線之外，其余測線均大致垂直于主要構造線，兩組測線方位分別為0°和70°。高精度磁測使用GSM-19T質子磁力儀，探頭高度選用1.8 m。觀測磁場總量，經基點、日變改正、高度改正計算各觀測點磁異常(ΔT)。

3.2.3 可控源音頻大地電磁法(CSAMT)

CSAMT測線以隧址中線為主，另在涌泥點、突水點各布1條垂直測線，在隧址中線與梁山水庫之間布設兩條平行測線。CSAMT數據采集使用美國ZONGE公司生產的GDP-32Ⅱ型多功能電法接收機和GGT-10發射機系統。測量過程中采用多次疊加的技術確保數據質量。

3.3 效果驗證

3.3.1 綜合地質物探成果

1)未開挖段不良地質段分析。根據地質調查—物探勘查成果綜合歸納，節理(密集帶)裂隙與巖脈組合結合磁異常與低阻異常配套分析，勘查區內隧址中線共存在12處構造薄弱帶。2)涌泥段分析。一號斷層涌泥段以強風化花崗斑巖巖土體為主，主要為灰白色～土黃色砂質粘性土、含碎石粘性土間夾部分球狀風化殘留體，風化殼巨厚，可達±300 m。區內地表水豐富，地下水含水層發育，地表水長期下滲和地下水富集匯聚致使強風化巖土體處于水飽和或過飽和狀態，隧道工程掘進打穿構造薄弱帶(強、弱風化帶界線)，在上部富水巖土體重力作用和地下水動力作用下，形成涌泥突水。3)突水段分析。二號斷層隧道突水主要來源于隧址右側和沿線兩側的地下水補給，主要導水構造可能是與隧址中線交角較大的北西向構造裂隙，北東向構造與北西向構造交切復合部位及其附近區域是主要突水隱患所在。

3.3.2 洞內物探驗證情況

在綜合地質物探基礎上，在實際施工過程中，通過TSP超前地質預報、地質雷達、紅外探水、全段超前鉆孔和每開挖循環數碼相機拍攝等手段進行驗證，驗證結果總體吻合，充分說明地表綜合地質物探索在宏觀掌握隧道地質情況與洞內微觀實施綜合地質預報的前瞻性和互補性，對隧道施工過程中采取科學的工程措施和應急預案提供了有利的依據，減少或避免了隧道風險。

4 結語

隧道施工由于其固有復雜性和特殊性及物探方法的局限性、多解性，因此地質超前預報不應拘泥于一種或幾種預報方法，而要根據物探儀器的不同特點進行互補分析，避免單一物探手段的多解性，地質預報的對象為地質體，只有在對基礎地質有深刻認識的基礎上，根據隧道整體的工程地質特點，采用地表和洞內綜合物探相結合、綜合物探和物理鉆探相驗證和對儀器分析成果進行綜合判斷才可以得到比較可靠的結論。

［1］ GB/T 14158-93，區域水文地質工程地質環境地質綜合勘查規范(1∶50 000)［S］.

［2］ DZ/T 0071-1993，地面高精度磁測技術規程［S］.

［3］ DZ/T 0217-2006，電偶源頻率電磁測深法技術規程［S］.

［4］ 電法勘探原理與方法［M］.北京:地質出版社，2003.

［5］ 邱 懿.綜合地質超前預報技術在某隧道工程中的應用［J］.四川建筑，2009(10):50-51.