應用于隧道超前探測的兩種物探方法效果比較

歐元超，田 忠

（安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001）

應用于隧道超前探測的兩種物探方法效果比較

歐元超，田 忠

（安徽理工大學地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001）

隧道地質(zhì)災害的超前探測一直是隧道安全施工中的技術(shù)難題。利用綜合地球物理勘探手段對工作面前方進行精細探測，并及時準確的發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常體對于隧道安全施工而言具有重要意義。本文將瞬變電磁和探地雷達應用于蘭州某隧道超前地質(zhì)探測，并對兩種物探方法的探測效果進行比較分析。經(jīng)實踐驗證，該隧道施工段地質(zhì)條件更適合使用探地雷達，其能快速高效地預報開挖掌子面前方的斷層、破碎帶等異常地質(zhì)體。同時指出了探查方法實踐中存在的問題并提出建議。

超前探測；瞬變電磁；探地雷達；隧道

1 引言

2016年全國兩會中提出了關(guān)于中長期高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃，規(guī)劃中的中西部地區(qū)以及城際間交通通道明顯增多，全國高速鐵路網(wǎng)縱橫交錯，這必將迎來基礎設施建設的浪潮。中西部以及南方地區(qū)地形起伏變化大，需要修建大量隧道，但修建隧道必然會遇到許多地質(zhì)問題，比如開挖前方的破碎帶、斷裂帶、巖溶洞、地下水和高地應力等不良地質(zhì)體所導致的塌方、涌水、突水、巖爆冒頂［1］等地質(zhì)災害，一直都是困擾隧道安全生產(chǎn)的主要問題。

2006年施工的宜萬鐵路馬鹿箐隧道，當開挖至DK255+978時突然發(fā)生嚴重的突水突泥事故，造成多人死亡；2007年石太客專南莊隧道出口DIK151+603掌子面處已完成的初期支護突然發(fā)生整體坍塌，造成多人傷亡；2007年武廣客專高嶺隧道進口施工掌子面后方30米處發(fā)生了急劇變形，雖然進行了加固處理，但是變形依然繼續(xù)加大，部分地段發(fā)生了開裂。造成這些災害發(fā)生的主要原因是沒有對隧道周圍及掌子面前方的異常地質(zhì)體［2］進行精確地探查，要避免這些地質(zhì)災害的發(fā)生，隧道地質(zhì)災害超前預報就顯得尤為重要。現(xiàn)有的隧道超前地質(zhì)預報主要應用探地雷達法、瞬變電磁法、高密度電法、可控源音頻大地電磁法、地震法等物探［3］方法，每種物探方法的應用都依據(jù)一定的物性條件［4］，具有不同的優(yōu)缺點。實踐中應結(jié)合所要解決的隧道地質(zhì)問題選擇合適的物探方法，以期達到最好的探測效果［5］。

寶蘭客運專線東起寶雞，西至蘭州，是國家中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中徐蘭客運專線的西段，也是國家鐵路“四縱四橫”客運專線網(wǎng)的重要組成部分。由于該地區(qū)地勢地形原因，需要修建多條超長超深隧道，開挖隧道過程中需要物探手段探測施工前方是否存在地質(zhì)異常體，從而提前采取預防措施。位于甘肅省蘭州市八里窯鎮(zhèn)的某隧道全長13千米，隧道分多頭同時掘進以提高施工進度，該隧道開挖面主要是第四系粗圓粒土，IV級或V圍巖，但其掘進中多受斷層破碎帶等異常地質(zhì)體影響，需要進行實時探查與控制。本文結(jié)合該隧道超前探測使用的探地雷達和瞬變電磁進行應用效果分析和比較。

2 隧道超前地質(zhì)探測技術(shù)

2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法是一種時間域電磁法，它是利用階躍波形電磁脈沖激化，用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場，在一次場斷電后，地下介質(zhì)就會產(chǎn)生感應的二次場，由于導電介質(zhì)內(nèi)感應電流的熱損耗，二次場大致按指數(shù)規(guī)律隨時間衰減，形成瞬變電磁場。二次場主要來源于良導電介質(zhì)內(nèi)的感應電流，因此它包含著與地下介質(zhì)有關(guān)的地質(zhì)信息。良導電介質(zhì)較不良導電介質(zhì)的二次場衰減慢［6-8］。利用線圈或接地電極觀測一次脈沖電磁場產(chǎn)生的二次場，對所測得數(shù)據(jù)進行處理和分析，據(jù)此，解釋地下介質(zhì)及相關(guān)物理參數(shù)。

2.1.1 現(xiàn)場參數(shù)設置

現(xiàn)場使用TEM75瞬變電磁儀，根據(jù)隧道工作特點及工作要求，選用1.5m×1.5m四匝發(fā)射線框，1.5m×1.5m四匝接收線框的重疊回線工作裝置。該方式的優(yōu)點是與目的物耦合較好；發(fā)射線圈逐測點移動，不會有激發(fā)盲區(qū)；發(fā)射磁矩和接收磁矩較大；適合隧道里面的場地要求。現(xiàn)場進行參數(shù)調(diào)試，并自掌子面左往右連續(xù)采集順層數(shù)據(jù)，逐點移動線框，完成順層10個測試點數(shù)據(jù)的采集。

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

對順層原始數(shù)據(jù)進行處理，獲得探查前方地質(zhì)條件的電阻率分布剖面，圖1為位于施工現(xiàn)場的IDK1033+990.2-IDK1034+080.2段超前電阻率剖面及解釋。

開挖段地質(zhì)體為第四系砂質(zhì)黃土，IV級圍巖。IDK1034+010.2-IDK1034+015.2段瞬變電磁剖面中的視電阻率較高即白色線圈定的范圍，圍巖較為完整，穩(wěn)定性好，無明顯物性異，推斷該段圍巖相對掌子面沒有明顯變化，施工時照常支護。IDK1034+020.2-IDK1034+040.2段瞬變電磁剖面中視電阻率有所降低，有明顯物性異常，推斷該段圍巖相對掌子面變差，圍巖穩(wěn)定性降低，施工時加強支護。IDK1034+060.2-IDK1034+080.2段出現(xiàn)低阻異常即紅色線圈定的范圍，前方圍巖中有可能存在裂隙帶，且其中存在裂隙水，推斷該處含水率增加，掘進到該位置時注意前方水情的變化。

結(jié)合開挖結(jié)果可得，瞬變電磁法探測隧道前方異常情況比較準確，可有效圈定出富水區(qū)。

2.2 探地雷達

探地雷達簡稱GPR，是用高頻無線電波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的一種地球物理方法。由天線向目標體（隧道開挖掌子面前方圍巖）發(fā)射一定中心頻率的電磁脈沖波，電磁脈沖波遇到的電磁性（電阻率，介電率，及磁導率）差異分界面（斷層，破碎帶，溶洞等）發(fā)生反射和透射，被反射的電磁波傳回地表，由接收天線接收。接收天線所接收的信號經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成時間序列信號，每一測點上的這種時間序列即構(gòu)成該測點的雷達波形記錄道［9-10］。對經(jīng)過處理后的雷達記錄剖面進行分析，就可以判定隧道掌子面前方地質(zhì)情況。

（1）現(xiàn)場參數(shù)設置。現(xiàn)場探測時，使用儀器為GPR400地質(zhì)雷達，通過發(fā)收天線發(fā)射和接收信號，將發(fā)射和接收面緊貼隧道掌子面從左至右進行勻速移動，從而完成前方地質(zhì)條件數(shù)據(jù)采集。圖2是該隧道里程為IDK1035+683.4處的雷達波剖面，其預報里程范圍為IDK1035+683.4-675.4段。開挖段地質(zhì)體為第四系砂質(zhì)黃土，V級圍巖。

（2）數(shù)據(jù)分析。其中，IDK1035+683.4-IDK1035+681.1段雷達結(jié)果剖面沒有明顯的反射界面，為直達波的響應范圍；IDK1035+681.1-IDK1035+679.9段雷達結(jié)果剖面有明顯的反射界面，追蹤同相軸在隧道沒有出現(xiàn)明顯的階躍、斷軸、變形等現(xiàn)象出現(xiàn)，說明該里程范圍內(nèi)土層沒有出現(xiàn)明顯的變化，圍巖穩(wěn)定性較好，可正常掘進；IDK1035+679.9-IDK1035+675.4段雷達結(jié)果分析，剖面有明顯的反射界面，追蹤同相軸左側(cè)及右側(cè)出現(xiàn)明顯的階躍、斷軸、變形等現(xiàn)象出現(xiàn)，說明該里程范圍內(nèi)土層出現(xiàn)明顯的變化，較破碎，注意此段有裂隙或者微穴發(fā)育，同時可以明顯的看到該段中部存在圍巖面與掌子面斜交的情況，并且雷達波剖圖右側(cè)的波形紊亂，波能變化明顯，所以該段前方的圍巖不穩(wěn)定，破碎嚴重且有可能存在小構(gòu)造。圖3為現(xiàn)場開挖結(jié)果照片，在施工出口右側(cè)處發(fā)生2-3m3的破碎垮塌。根據(jù)施工單位提供的開挖結(jié)果，驗證超前預報基本吻合。

2.3 兩種方法對比

通過在隧道超前探測長期應用中的驗證對比與分析，對瞬變電磁和地質(zhì)雷達兩種方法進行了比較，表1為方法技術(shù)的特點，可為現(xiàn)場探查方法選擇提供參考。

3 結(jié)論

（1）地質(zhì)雷達法和瞬變電磁法在隧道超前探測中具有不同的特點，其中地質(zhì)雷達法現(xiàn)場施工較為快速，對前方地質(zhì)界面及巖體破碎情況判斷相對準確，但探測距離有限；瞬變電磁法對前方巖層含水特征較為敏感。由施工隧道所在地區(qū)少水，基本上是第四系粗圓粒土，IV級或V圍巖，很少會有富水區(qū)，也不會有溶洞等水文地質(zhì)條件，相對于瞬變電磁而言，更適合使用探地雷達進行探測，通過結(jié)合實際情況選擇合適的儀器探測，以達到最優(yōu)的地質(zhì)解釋結(jié)果。（2）兩種方法均為電磁類方法，現(xiàn)場測試時需要避免金屬類器件干擾，盡量提高現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的可靠性。對于掌子面不平整處需要結(jié)合情況進行初步整理，確保數(shù)據(jù)采集的有效性。（3）對于隧道施工而言，在地質(zhì)條件復雜時可進行方法的選擇和組合，對于復雜區(qū)域可采用多種探查方法進行綜合探測，通過綜合對比分析以實現(xiàn)更高精度的隧道超前預報。

表1 兩種超前探測方法比較

［1］張平松，吳健生.中國隧道及井巷地震波法超前探測技術(shù)研究分析［J］.地球科學進展，2006，21（10）：1033-1038.

［2］何發(fā)亮，李蒼松.隧道施工期地質(zhì)超前預報技術(shù)的發(fā)展［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2001，38（03）：43-44.

［3］譚代明.隧道超前探水全空間瞬變電磁理論及其應用研究［D］.西南交通大學博士論文，2009.

［4］趙永貴，劉浩，孫宇等.隧道地質(zhì)超前預報研究進展［J］.地球物理學進展，2003，18（03）：460-464.

［5］王齊仁.地下地質(zhì)災害地球物理探測研究進展［J］.地球物理學進展，2004，19（03）：497-503.

［6］張平松，程樺，吳榮新等.巷道掘進瞬變電磁法跟蹤超前預報分析［J］.地下空間與工程學報，2013，9（04）：919-923.

［7］張平松，李永盛，胡雄武.坑道掘進瞬變電磁超前探水技術(shù)應用分析［J］.巖土力學，2012，33（09）：2749-2753.

［8］劉宗輝，林育梁.瞬變電磁法用于南方隧道超前預報［D］.廣西大學碩士論文，2009.

［9］陸禮訓，鄧世坤，冉彌.探地雷達在隧道施工超前探測中的應用［J］.工程地球物理學報，2010，7（02）：201-206.

［10］李嘉，郭成超，王復明等.探地雷達應用概述［J］.地球物理學進展，2007，22（02）：629-637.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.115