不良地質體超前預測方法綜述

魏冬

【摘 ? ?要】在礦山、隧道等地質工程施工過程，掌子面中存在著多種類型的不良地質體。隱伏的不良地質體不僅減緩施工進度，而且對設備以及施工人員的人身安全構成威脅。本文研究地質、地球物理等多種不良地質體預測手段，對不良地質體采用從地表到地下立體預測，以避免地下地質工程施工過程中地質災害的發生。

【關鍵詞】不良地質體;地表預測;地下預測;地球物理預測;地質預測

中圖分類號：G4 ? ? 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2016.10.186

在礦山工程、巖土工程、隧道工程等坑道開挖過程中，掌子面前方存在著諸如斷層破碎帶、軟弱夾層、溶洞、空洞、突水、突泥、涌沙、塌方、巖爆等不良地質隱患，進而導致局部崩塌、掉快、落石等地質災害。不良地質體的存在直接影響著施工人員及設備安全。因此，為避免在坑道開挖過程中地質災害的發生，保障施工設備和施工人員的安全，需對不良地質體進行超前預測。現有技術主要從地表和地下、地質、地球物理以及地球化學等方法對不良地質體進行超前預測[1]。

一、地表超前預測

地表超前預測方法主要包括地球物理方法，同時也可結合地質、化探等方法。

（一）瞬變電磁法

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地電極觀測地下介質中引起的二次感應渦流場，從而探測介質電阻率的一種方法。對低阻體反應敏感的特性使得瞬變電磁法在巖溶洞穴等含水地質、煤礦采空區、深部不規則水體等預測方面適用性較強。

（二）可控源音頻大地電磁測深法

可控源音頻大地電磁測深法是利用不同巖石的電導率差異觀測一次場電位和磁場強度變化的一種電磁勘探方法。該方法探測深度較大，橫向分辨率高，可以靈敏地發現斷層[2]。

（三）地質雷達法

地質雷達法通過發射天線以款脈沖形式向掌子面前方發射高頻電磁波，電磁波在傳播過程中遇到存在電性差異的界面發生反射，接收天線接收反射的電磁波。根據接收到電磁波的波形、振幅和時間的變化特征推斷掌子面前方地質體的空間位置、結構、形態和埋藏深度。

（四）地質分析

通過對前期巖土工程勘察報告、水文地質、地層柱狀圖等的查閱，全面掌握工程區地質構造、地層巖性、地形地貌等地質情況，并對主要不良地質體的種類、展布以及規模作出初步預測。

（五）地球化學探查

地下氣體如氡氣沿斷層帶上升至采空區不斷聚集。地球化學探查方法通過捕捉、識別地下氣體形成的異常分布以探查斷層、采空區的存在。地球化學探查方法具有投資小、異常直觀等特點。

二、地下超前預測

地下超前預測方法主要包括地球物理方法以及地質方法。

（一）地質編錄

在巷道開挖時，對掌子面揭露的地層、巖性、產狀、地質界線、地質構造等進行地質素描，重點反映軟硬巖展布及風化程度、斷層性質、規模、產狀、節理間距、組數等不良地質體的產出規模、展布形式，并對掌子面前方可能出現的不良地質體進行預測。

（二）超前鉆孔

在巷道開挖過程中，通過對地層進行鉆孔取芯編錄，準確判斷掌子面前方左右兩側的地層巖性、構造、圍巖級別以及含水性等地質參數，進而查明地層走向、傾角、厚度等地質參數。

（三）隧道地震勘探法

小藥量爆破產生的地震波信號沿隧道方向以球面波的形式傳播，在不同巖層中地震波以不同的速度傳播，在其界面處被反射，并被高精度的接收器接收。通過計算機軟件對前方圍巖性質、節理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況的分析，最終顯示各種圍巖構造界面與隧道軸線相交呈現的角度及距掌子面的距離，并初步測定巖石的彈性模量、密度、泊松比等參數。高投入的設備以及施工期間的安全風險使得隧道地震勘探法在實際應用中有一定局限性。

（四）水平聲波法

水平聲波法的原理為惠更斯—菲涅耳原理和費馬原理。聲波在巖土體中的傳播速度及幅度等參數和巖土體的組成成分、密度、彈性模量以及結構狀態有關。當聲波傳播路徑中存在兩種不同的固體介質界面時，波的傳播將發生折射、反射和波型轉換。聲波由完整巖體傳播至碎裂巖或土組成的破碎帶時，就是聲波從高阻抗介質到低阻抗介質的典型情況。根據斷層、巖體風化破碎帶、軟弱夾層、巖溶以及地下水富集帶等不良地質體與周邊地質體的聲學特性差異，通過探測反射波信號，便可了解前方巖體的變化情況。

（五）陸地聲納法

陸地聲納法在掌子面上采用極小偏移距，單點采集高頻地震反射信號形成連續剖面，通過十字形觀測系統和寬頻帶脈沖接收技術，預報掌子面前方斷層及其它地質界面的位置和產狀。由于該方法需要采集高頻地震反射信號，因此也被稱為高頻地震反射法或垂直地震波反射法。陸地聲納法具有分辨率高的特點，而占用掌子面進而影響生產限制了陸地聲納法的適用性。

（六）真反射層析成像

真反射層析成像法采用空間多點接收和激發系統，基于圍巖中巖層邊界或不連續帶存在的聲阻抗差異，通過速度掃描和偏移成像對數據進行后續處理。為充分獲得空間波場信息，提高對前方不良地質體的定位精度，檢波器和激發的炮點在掌子面迎頭、頂板及兩個側幫上呈空間分布。真反射層析成像法在巖體中反射界面位置確定、巖體波速和工程類別劃分等應用中具有較高的精度，但過高的實施成本影響了其普遍適用性。

三、結論

隱伏的不良地質體降低了地下工程的進度，對施工設備和施工人員的安全生產造成隱患。通過對不良地質體進行地表、地下的立體探測以及地質、地球物理、地球化學等多種探測方法，瞬變電磁法、地質雷達法、水平聲波法、陸地聲納法等多種探測技術的有效結合，能夠有效預測不良地質體的空間展布形態以及規模，為巷道掘進、支護提供可靠的技術情報與服務支撐，避免地質災害的發生，進而保障施工設備和施工人員的安全生產。

參考文獻

[1] 陳勇，紀傳賓，朱建華. 隧道施工不良地質災害預測及處理措施[J].內蒙古石油化工，2013，（15）： 59～60.

[2]常帥斌.綜合地質-物探探測某隧道不良地質體的實際應用[J].福建地質，2011，（3）：233～238.