隱伏巖溶探測中設備選型的應用研究

張高天

【摘 要】隱伏巖溶的探測一直是土木工程施工中的一個難題，文章以習古高速公路的貴州坪隧道工程為例，選取了兩種國外進口的超前預報設備，對發育在隧道中的隱伏巖溶進行探測，在對比探測結論的基礎上，尋找最有效的探測方法，為今后提高不良地質體超前預報精度提供理論與實踐基礎。

【關鍵詞】隱伏巖溶；超前預報設備；探測方法；探測精度

【中圖分類號】U442.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）07-0144-02

1 貴州坪隧道工程概況

貴州坪隧道為分幅隧道，右幅起訖樁號為K87+250—K89+790，全長2 540 m，出口右線洞口K89+790處設計高程為764.81 m；隧道單洞建筑界限的寬×高為10.25 m×5 m，設計荷載為公路Ⅰ級。

1.1 地形、地貌

隧址區微地貌位于中低山坡頂及斜坡坡腳地段，地貌上屬構造剝蝕中低山地貌，橫坡為15°～30°，場地最低標高約 765 m，最高處標高約1 085 m，相對高差約320 m；擬建隧道進出口均位于中低山緩坡地帶，隧道穿越中低山，通過地段沖溝不發育；山體基巖裸露，斜坡體在自然狀態下處于穩定狀態；出口段位于中低山緩斜坡處，洞口區無明顯沖溝，第四系松散堆積層分布較厚，斜坡體在自然狀態下處于穩定狀態。

1.2 水文地質條件

隧址區地表水主要為大氣降水、微沖溝溝水及農田灌溉水。大氣降水因地形坡度較陡，雨水排泄較快，順勢注入溝中，斜坡上無自然積水。隧址區地下水類型分巖溶水、第四系松散堆積層孔隙水及碎屑巖風化裂隙水3種。隧址區氣候屬亞熱帶濕潤季風氣候，受季風影響顯著，年平均降雨量為1 137.8 mm。

2 貴州坪隧道工程地質條件

2.1 地層巖性

據地面調查及鉆探揭露，隧址區地層基底巖層巖性為古生界志留系下統韓家店組巖層鈣質頁巖、泥質灰巖、灰巖，巖層優勢產狀為276°∠26°；古生界志留系下統石牛欄巖層灰巖，巖層產狀為276°∠26°；古生界志留系下統龍馬溪組巖層炭質頁巖、泥質灰巖，巖層優勢產狀為275°∠23°；覆蓋層為第四系全新統殘坡積堆積層。

2.2 地質構造

隧道區場地處于川黔南北向構造帶與北東向構造帶交接的復合部位，北與新華夏系第三沉降帶的“四川盆地”相接，構造形跡主要為經向構造體系、華夏系構造體系。線位主要構造有桑木場背斜：位于習水縣城西南12 km的魯城、桑木場一帶，總體軸向北東40°～50°，軸長約63 km，核部主要為寒武系地層，南東翼主要為侏羅系地層，北西翼主要為白堊系地層。兩翼傾角為15°～35°，為南西寬緩北東狹窄基本對稱的圓頂背斜。

2.3 不良地質構造

本地區最主要的不良地質構造是在斷裂構造基礎上發育的隱伏巖溶，如果不能及時掌握其發育特征及其與隧道的相互關系，這一類型的不良地質構造會直接引起隧道坍塌、涌水、突泥突水等地質災害，為此本文特選取兩種進口超前預報設備進行探測對比，以期尋找最佳的超前預報探測方法。

3 選取設備的基本方法和工作原理

3.1 TGS-360系統地震波超前預報方法

TGS-360系統（如圖1所示）地震波超前預報方法是基于不同極化反射地震波來記錄的，可以選擇不同的震源（大錘、液壓錘）和炸藥。錘擊震源在合適的地質條件下能夠達到150 m的探測范圍，炸藥震源可達幾百米。彈性波記錄系統預設了三組分（3C）檢波器的可選分配，可將它們分布在隧道壁等位置（一共有3～10個檢波器）。

該技術的理念是針對航空無線電定位每個3C檢波器的工作原理提出一個定向覆蓋錐形雷達（錐角為45°）。經過極化處理的波場根據每個檢波器遷移映射的結果，所有覆蓋錐還原為一個在面部的中心點。

在多個振源位置（連續）激發情況下，完整波場矢量分量被記錄在現場處理系統，確保在任何方向（四面：前面、后面、兩邊）都能收到地塊的可靠而穩定的總結性參數化三維圖像。該參數圖像可以可靠地識別地塊分離元素（地塊材料損壞的垂直區對應于地塊接觸不同的地球動力學狀態）；通過處理得到的圖像可以判別涌水、冒頂和含水區域及破碎帶等隧道前方的危險情況。

3.2 TSP203系統地震波超前預報方法的工作原理

TSP203系統地振波超前預報系統（如圖2所示）工作原理：在隧道內通過人工制造一系列有規則排列的輕微震源；震源發出的地震波遇到地層界面、節理面特別是斷層破碎帶、溶洞、暗河、巖溶陷落柱、巖溶淤泥帶等不良地質界面時，將產生反射波，它的傳播速度、延遲時間、波形、強度和方向等均與相關界面的性質及產狀密切相關，并可以通過不同數據表現出來；通過設備設置的震源反射波的數據采集系統（傳感器和記錄儀），將這些遞增數據經微機處理后儲存起來，然后將數據輸入電腦，經分析軟件計算后，形成成果圖，供工程技術人員解譯。

4 結論的驗證

4.1 TGS-360系統超前探測結果

圖3顯示的結果為掌子面前方圍巖的完整情況；掌子面樁號為ZK88+313。從圖像中可以看出，掌子面前方ZK88+333—ZK88+353有明顯的信號反射區域，可能存在圍巖較破碎區或斷層區域；在樁號ZK88+375—ZK88+390存在明顯的信號反射區域，推斷此區域可能存在圍巖較破碎的隱伏斷層帶；在樁號ZK88+410—ZK88+430段，此段區域信號反射稍強且信號反射較雜亂，推斷此區域局部存在構造結構面發育的圍巖破碎區域。現場開挖后，在上述3個區段均出現隱伏地質構造，出現的段落誤差為1.5～2.0 m。

4.2 TSP203系統超前探測結果

TSP203超前地質預報系統的成果圖（如圖4所示）主要有P波波速圖、SH波波速圖和SV波波速圖。其中，反映掌子面前方隱伏地質構造以P波波速圖最為直接，在此次探測中此圖顯示的結果如下：掌子面前方ZK88+345—ZK88+363 有明顯信號反射區域，可能存在圍巖破碎的斷層區域；在樁號ZK88+385—ZK88+396存在明顯的信號反射區域，推斷此區域可能存在另一條斷層破碎帶；在樁號ZK88+415—ZK88+438段，此段區域信號反射稍強且信號反射較雜亂，推斷此區域局部存在于上述兩個斷裂破碎帶同期的構造節理帶區域。現場開挖后，在上述3個區段均出現隱伏地質構造，出現的段落誤差為5～8 m。

4.3 俄羅斯TGS-360、瑞士TSP203超前預報系統對比

運用TGS-360系統地震波超前預報系統進行現場測試的時候，在隧道掌子面布置或者隧道壁邊墻布置有兩種方式，共計8個檢波器，自帶耦合裝置。探測方向明確，預報工作起步早，掌子面形成后即可開展探測工作。隧道左右邊墻各布置1個檢波器，安裝在2 m深的鉆孔內，檢波器鉆孔質量要求高，需要特殊材料耦合，距離掌子面至少55 m，隧道開挖至少70 m后可開展預報工作。僅需要在掌子面鉆8個孔徑為50 mm、深40 mm的檢波器安裝孔，借助普通鉆機即可安裝，用時少于30 min。

而TSP203地質超前預報系統需要至少2臺鉆機在邊墻處鉆24個炮孔和2個檢波器孔，炮孔深度為1.5 m，間距為1.5 m，檢波器孔深度為2.0 m，距最后炮孔距離約20 m，成孔質量要求高，成孔用時長，經常出現塌孔、堵孔現象，容易造成返工（現場鉆孔耗時約120 min），且精度比較低。

TGS-360系統對施工現場盡可能減少擾動，提高檢測效率。在鉆爆法施工隧道甚至可以利用炮孔放置傳感器；根據實際需要可以靈活地布置傳感器，從而滿足各種進度下的隧道需求，俄羅斯TGS-360系統更加適用于現場，能盡可能提前、有效地進行地質預報。

參 考 文 獻

[1]劉志剛，林松清，趙理中.煤礦構造學[M].北京：世界圖書出版社，1990.

[2]關寶樹.隧道力學概論[M].成都：西南交通大學出版社，1993.

[3]蔣爵光.隧道工程地質[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[責任編輯：陳澤琦]