物探技術(shù)在高風(fēng)險隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用研究

劉世奇

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

Application Research on Geophysical Technique in High-risk Tunnel’s Geology Forecast

LIU Shiqi

物探技術(shù)在高風(fēng)險隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用研究

劉世奇

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津300251)

Application Research on Geophysical Technique in High-risk Tunnel’s Geology Forecast

LIU Shiqi

摘要簡要介紹TSP法、探地雷達(dá)法原理及判識原則，著重分析兩種方法在高風(fēng)險隧道的應(yīng)用，并對長昆線某高風(fēng)險隧道典型地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行舉例分析。

關(guān)鍵詞超前地質(zhì)預(yù)報TSP探地雷達(dá)隧道

1方法簡介及判識原則

1.1　TSP法

TSP法，即隧道地震波超前預(yù)報，圖1為其原理圖。

圖 1　TSP203系統(tǒng)原理示意

地震波在不同波阻抗分界面處產(chǎn)生反射波，不同的反射波其特性不同，可以利用這點(diǎn)來進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報[1]。其采用炸藥作為震源，通常在隧道同側(cè)邊墻布設(shè)多個激發(fā)點(diǎn)，藥量通過現(xiàn)場實驗來定。激發(fā)的地震波波前形成包絡(luò)面，空間形態(tài)為球狀。當(dāng)其遇到波阻抗差異界面時(通常為各種構(gòu)造異常)，部分地震信號反射回來。在隧道壁兩測分別布設(shè)TSP檢波器，則反射波被兩TSP檢波器接收。由于地震波時長與傳播距離有直接關(guān)系，通過反射波時長可以很容易得到反射界面的信息[2-4]。

TSPwin是TSP設(shè)備自帶的處理軟件，用以處理TSP檢波器采集的數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可獲得多種參數(shù)成果。其中主要用以數(shù)據(jù)解釋的是地震縱、橫波時間剖面，轉(zhuǎn)換波時間剖面，還可以獲取反射層參數(shù)、圍巖的力學(xué)參數(shù)等成果，同時，成果中的反射界面在工作面前方預(yù)報距離內(nèi)的二維和三維空間分布也很重要。

TSP處理成果的解釋遵循以下原則:

①振幅反射的極性為正，則為硬巖，反之則為軟巖；

②橫波反射強(qiáng)度大于縱波，說明介質(zhì)中含水；

③泊松比增大，則認(rèn)為是介質(zhì)中存在流體；

④若縱波波速下降，一般認(rèn)為預(yù)報范圍圍巖破碎。

1.2　探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)在超前預(yù)報中應(yīng)用極其廣泛[5，6]。其原理與地震反射波極為相似，將彈性波信號替換為電磁波信號即可。在地震反射波法中，分析反射波參數(shù)得到的是介質(zhì)彈性波物理參數(shù)；而在探地雷達(dá)法中，其物理參數(shù)也由彈性波參數(shù)轉(zhuǎn)化為電性參數(shù)——介電常數(shù)。原理見圖2。

圖2　探地雷達(dá)原理

介電常數(shù)差異可以決定介質(zhì)分層處反射系數(shù)R，而反射系數(shù)又可以決定反射波的能量。因此，介質(zhì)所處環(huán)境的介電常數(shù)能夠直接決定探地雷達(dá)法的預(yù)報距離和預(yù)報精度。同時，實際探測時所使用的雷達(dá)天線頻率以及采樣的快慢，也在一定程度上對探地雷達(dá)法預(yù)報距離和預(yù)報精度有影響。綜合考慮以上原因，合理的采用參數(shù)，能在很大程度上決定最終的預(yù)報結(jié)果[7]。

雷達(dá)數(shù)據(jù)最終成果為垂直剖面圖。通常顯示方式有兩種，分別是波形圖以及灰度圖。本文中，所有雷達(dá)成果均采用灰度圖顯示。其主要判定標(biāo)準(zhǔn)如下。

①巖體密實完整：反射波的剖面信號極弱，波形幾無變化；

②巖體破碎：反射波信號極強(qiáng)，剖面同相軸有異常(不連續(xù))；

③溶洞、溶腔：反射波信號強(qiáng)，同相軸表現(xiàn)異常，其主要特征為雙曲線；且常常有多次波發(fā)育，可以通過多次波的特性來判斷溶洞內(nèi)的充填物，如空腔，多次反射波能量較強(qiáng)、界面較清晰；充填水或泥時，則能量弱，界面較模糊。

2實例分析研究

2.1　巖性接觸帶研究

(1)工區(qū)概況

長昆客運(yùn)專線某隧道測區(qū)位于低山丘陵區(qū)，為滬昆客專湖南段重要的高風(fēng)險隧道之一。工區(qū)巖性為厚層狀灰?guī)r，底部為灰?guī)r與泥灰?guī)r組成互層，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象較為明顯，圍巖較破碎至較完整，巖質(zhì)較硬。

區(qū)域地質(zhì)資料結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查及天然源大地電磁法工程物探資料表明，隧道段整體構(gòu)造較簡單，無明顯斷層發(fā)育。隧道區(qū)主要巖性為可溶巖，且該區(qū)域?qū)儆诘叵滤患瘏^(qū)。因此，對安全存在隱患的常見不良地質(zhì)情況包括巖溶發(fā)育、斷層破碎帶等。另外，隧道區(qū)穿過不同巖性的風(fēng)化程度差異較大，不同巖性接觸帶也會給施工造成較大困難。

(2)TSP結(jié)果分析研究

超前預(yù)報組對測區(qū)里程段進(jìn)行TSP法探測，所用設(shè)備為TSP 203[8]。

觀測系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　TSP觀測系統(tǒng)示意(單位：m)

三分量檢波器同時接受各自的地震波數(shù)據(jù)，并使用設(shè)備自有的TSPwin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

處理之后，主要用于數(shù)據(jù)解釋的有：地震縱橫波的時間剖面、轉(zhuǎn)換波的時間剖面、反射界面參數(shù)、圍巖的力學(xué)參數(shù)、反射層在工作面前方預(yù)報距離內(nèi)的二維和三維空間分布等。預(yù)報的2D成果圖見圖4。圖中黑色虛線所標(biāo)示里程為DK196+652。

圖4　TSP探測2D成果

探測結(jié)果顯示，DK196+640～+675段檢波器1的縱波波速從6 366 m/s下降至5 800 m/s，橫波波速變化不明顯，圍巖密度由2.95 g/cm3下降為2.83 g/cm3，泊松比由0.32下降至0.25，橫波波速由3 545 m/s下降至2 734 m/s，反射相位負(fù)。檢波器2所測得的縱波速度和橫波速度略有下降。綜合推斷該段巖體較破碎，推測發(fā)育斷層或巖性接觸帶，巖層從較硬巖層進(jìn)入較軟巖層，為重點(diǎn)異常區(qū)。

(3)探地雷達(dá)結(jié)果分析

預(yù)報所用的設(shè)備是LATVIA產(chǎn)出的Zond-12e GPR 探地雷達(dá)，探測過程中使用的頻率是75 MHz。廠家對外業(yè)采集軟件與內(nèi)業(yè)分析軟件進(jìn)行了集成，可以在同一個軟件包進(jìn)行。

數(shù)據(jù)處理過程較地震波法略為簡單，首先按照要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，其次設(shè)置不同濾波器看處理效果，對波形增益進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后成圖，得到最后的處理成果，并可據(jù)此進(jìn)行圍巖地質(zhì)情況判釋。

圖5　雷達(dá)成果

為了突出異常反應(yīng)，筆者將圖5顯示方式調(diào)整為灰度顯示，即本次工作的成果。

圖5中可以看出，在DK196+657～DK196+672里程段內(nèi)(圖中所標(biāo)反射面里程DK196+657)，測線1、測線2出現(xiàn)明顯強(qiáng)反射界面，連續(xù)反射且出現(xiàn)多次波，分析認(rèn)為該段巖體裂隙極發(fā)育，巖體較為破碎。根據(jù)勘探資料綜合判斷，該段可能發(fā)育斷層帶或巖性界面。此外，根據(jù)判識原則，可以判斷此處地下水比較發(fā)育。

同時，也對比了隧道勘察時期的資料。EH-4物探成果如圖6所示。通過圖6可以看到，在該里程段視電阻率等值線存在明顯橫向不均勻現(xiàn)象，視電阻率由高阻區(qū)進(jìn)入低阻區(qū)，定義為物探異常反映。

圖6　EH-4物探成果

現(xiàn)場預(yù)報組經(jīng)過討論，最終布置了四個超前水平鉆孔，位置大致均勻分布在工作面。后經(jīng)鉆孔探測，分別在DK196+653、DK196+651.8、DK196+651.2、DK196+653里程處發(fā)現(xiàn)巖性分界面，由泥灰?guī)r變?yōu)槟噘|(zhì)頁巖。風(fēng)化程度也不同，前者為弱風(fēng)化，后者為全風(fēng)化。

2.2　溶腔預(yù)報研究

(1)工區(qū)概況

工區(qū)里程段設(shè)計為Ⅲ級圍巖，該段位于低緩山包地帶，表覆硬塑粉質(zhì)黏土。下伏基巖為灰?guī)r夾砂巖，中厚層狀，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，溶蝕發(fā)育，巖體較完整，巖質(zhì)較硬。

施工至DK198+148里程處時，工作面左上方發(fā)生突泥，約400～500 m2。經(jīng)勘查，在線路左側(cè)拱腰上方有一處溶腔，直徑約5 m，拱頂上方有2處溶腔，直徑分別約2 m和1 m，溶腔均向上延伸，目測看不到底。

(2)TSP結(jié)果分析研究

圖7為TSP測試2D成果。圖中黑色虛所標(biāo)示里程為DK198+148，為發(fā)生突泥位置里程。

圖7　TSP測試2D成果

根據(jù)TSP法判識原則，其異常反應(yīng)在DK198+156里程處。圖7中可以看出，DK198+156～DK198+128里程段檢波器1，檢波器2所得圍巖參數(shù)縱波速度、橫波速度有所降低，VP/VS和泊松比略微降低，局部增大，密度變化幅度不顯著。綜合分析認(rèn)為該段圍巖破碎、穩(wěn)定性差、裂隙較發(fā)育，局部可能發(fā)育成溶蝕現(xiàn)象，地下水主要為溶蝕裂隙水。可以看出，TSP預(yù)報成果該段異常反應(yīng)不明顯，預(yù)報里程分界面與實際開挖有出入。

(3)探地雷達(dá)結(jié)果分析

如圖8所示成果。根據(jù)探地雷達(dá)法判識原則，在圖8中可以看出，DK198+146～DK198+143里程段內(nèi)(圖中所圈部分)，測線1、測線2上反射能量較強(qiáng)，并出現(xiàn)多次反射，分析認(rèn)為該段巖體溶蝕裂隙發(fā)育，溶蝕裂隙水較發(fā)育。

可以看出，探地雷達(dá)法對于含泥溶腔的異常反應(yīng)要好于TSP法，其預(yù)報的異常里程與實際開挖差距不大。

圖8　雷達(dá)成果

圖9為隧道相應(yīng)里程段大地電磁(EH-4)成果(黑色虛線所標(biāo)為突泥里程)。可以看出，含泥溶腔位置異常反應(yīng)不明顯，其視電阻率等值線橫向不均勻特征反應(yīng)一般。

圖9　EH-4物探成果

3結(jié)束語

結(jié)合開挖情況，通過對TSP、探地雷達(dá)兩種物探方法在實際中的預(yù)報效果分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)無論是TSP法還是探地雷達(dá)法，當(dāng)異常構(gòu)造為不連續(xù)界面且界面與工作面中心線走向近似垂直時，預(yù)報效果都比較可靠。這是因為，在該種界面處，介質(zhì)的波阻抗差及介電常數(shù)差異均比較大，也就造成了地震反射波和電磁反射波的強(qiáng)反射，其異常特征遵循判識原則。

(2)溶洞空腔等異常體的空間形態(tài)多變，多數(shù)情況下為不規(guī)則發(fā)育，也就造成了反射波極其復(fù)雜，因此TSP法及探地雷達(dá)法對溶洞的預(yù)測效果均有所下降，TSP法下降尤為明顯。此種情況下，雷達(dá)法效果好于TSP法，其異常反應(yīng)與判識原則較為符合，預(yù)報結(jié)果較為精準(zhǔn)，與實際情況吻合度高。究其原因，則是因為電磁波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地震波，其分辨率大于地震反射波法。

(3)天然源大地電磁法對于不連續(xù)界面和孤立體(溶洞、空腔等)均有不同程度的異常反應(yīng)，且對于前者的的異常反應(yīng)要明顯強(qiáng)于后者。在不連續(xù)界面處，其視電阻率等值線存在較明顯橫向不均勻現(xiàn)象；在孤立體處，其橫向不均勻現(xiàn)象反映較弱。因此，應(yīng)結(jié)合其它方法，以便進(jìn)行對比研究。

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中圖分類號：P631

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)04-0037-04

作者簡介：劉世奇(1983—)，男，碩士，工程師。

收稿日期：2015-05-19