震波超前探測技術在水工隧洞地質預報中的應用

史玉潔，朱建文

（1.山西省中部引黃工程建設管理局，山西 太原 030012；2.山西中部引黃水務開發有限公司，山西 太原 030012）

1 工程概況

中部引黃工程西干輸水隧洞主要位于柳林泉域范圍內，根據工程施工支洞已開挖的隧洞圍巖，揭示工程主洞圍巖主要為節理發育、圍巖較破碎且伴有滲水。施工過程中對滲水點（帶狀）進行封堵處理，并根據出水量投入相關的設施進行抽排作業。洞內正常作業時，下游掌子面底板出水點突發涌水，洞內積水急劇增加，經過不到一天時間，水位穩定在支洞樁號K1+065 處，斜長達250 m，水頭高達88 m。根據現場涌水測試、過程分析及實際排水效果，估算下游突水點涌水量為495 m3/h（包含補給水源）。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

西干線輸水隧洞從呂梁山南麓穿過，沿線地形起伏較大，河流及沖溝發育，最高山峰為木孤臺，山頂高程為1976 m，隰縣出水口昕水河河床高程為920 m，相對高差約1050 m。其中西干線起點至暖泉段為侵蝕構造山區，地面高程為1100 m～1640 m；暖泉至隰縣段為低山及黃土塬區，地面高程為922 m～1225 m。沿線主要河流有南川河、暖泉河、東石羊河、龍交河、屈產河及城川河等，均為黃河水系；較大的沖溝主要有韓尾溝、老羊頭溝、炭窯溝、岔溝、干河溝、前岔溝、瑪瑙溝、小溝、寺溝等。

2.2 地層巖性

2.2.1 沿線鉆孔巖芯采取率及RQD

本次勘察隧洞沿線共計10 個鉆孔，鉆孔巖芯采取率及RQD 統計結果見表1，從中可以看出，三疊系地層、奧陶系下統、寒武體上統地層巖芯采取率及RQD 值較高。需要說明的是，由于已完成的鉆孔數量較少，且揭露到所統計地層的鉆孔數量不均勻（如石炭系地層僅有1 孔揭露），加之鉆孔大多位于溝內，可能受到構造及應力影響，故該項統計表有一定片面性。

表1 西干沿線鉆孔巖芯采取率及RQD 值統計表

2.2.2 沿線鉆孔聲波測試成果

本次勘察西干沿線共有9 個鉆孔進行了圍巖巖體聲波測試試驗，測試成果見表2。據中莊ZK11D-1 號鉆孔圍巖巖體聲波測試成果資料，該段隧洞圍巖巖體縱波波速為3161 m/s～3489 m/s，平均值為 3377 m/s。

表2 中莊ZK11D-1 鉆孔（樁號28+836）聲波測試成果統計表

3 探測目的及任務

采用震波超前探測技術對8#支洞下游樁號20+851 處掘進迎頭進行補充地質勘探，探測范圍為100 m。

4 技術原理及設備參數

4.1 地震勘探技術原理

震波勘探是以不同巖性的巖層具有不同的彈性的事實為依據的。反射共偏移探測技術是依據反射波勘探原理見圖1。

圖1 共偏移距記錄野外施工示意圖

圖2 為共偏移法現場施工示意圖。適用于礦井煤巖巷道或工作面構造及異常地質體的調查工作。

圖2 單道觀測系統波路圖

根據反射波勘探原理，以水平反射界面為例，則單道觀測系統有相應波路圖（圖3），且它的時距曲線方程為：

式中：x 即為偏移距，v 為探測介質的地震波波速，t 為地震波旅行時間，而h 是目標體的界面深度，是需要求解的。

圖3 共偏移巷幫測線布置

4.2 地震勘探儀器參數

本次探測采用國內先進礦井地質探測儀，采用設備參數設置為：觸發電壓，0.5 V；最小源間距，2 m；道間距，1 m；移動步距，2 m；通道數，采用通道數為3 道。

5 工作方法及工作量

5.1 震波超前探測技術工作方法

采用反射共偏移法（見圖4）進行觀測，錘擊方向和檢波器方向一致。

圖4 現場布置示意圖

掘進迎頭超前探測時，在平面范圍內朝多個方向進行探測，以獲得掘進迎頭前方盡可能完整的地質信息（見圖5）。

圖5 掘進隧道迎頭超前探測示意圖

5.2 震波超前探測技術工作量

該隧道掘進前方中心線上設置側線，探測隧道方向100 m范圍內，測線上布置19 個錘擊點，每個錘擊點為3 道數據，共計57 道。

5.3 震波超前探測干擾分析及數據質量

本次探測作業時，各方積極參與大力支持，盡可能減少各種干擾，現場較好，錘擊能量較大，激發條件好，震動干擾小，數據可靠。

6 物探解釋成果及建議

本次探測灰巖、白云巖波速采用經驗波速4500m/s。圖6 中指示區域為解釋的波形異常區域。

圖6 震波超前探測成果解釋示意圖

探測范圍內存在兩處波形異常界面，位置如下：

Ⅰ號反射界面：掘進前方48 m 附近（標示位置）；

Ⅱ號異常區：掘進前方80 m～95 m 范圍（圈定范圍）；

Ⅰ號反射界面相對于其他探測斷面，反射系數較大，波形有一定變化，通過分析相關條件，可以得出Ⅰ號異常區主要為灰巖、石灰質白云巖、白云巖巖層界面或局部節理裂隙發育形成較強反射所致；該異常區位于隧道掘進迎頭的正前方向，對該區域請予以重視；

Ⅱ號波形異常區相對于其他探測范圍，波形有較大變化，通過分析相關條件，可以得出II 號異常區主要為巖層界面或局部節理裂隙發育形成較強反射所致，有存在溶洞的可能；該異常區位于隧道掘進迎頭的正前方向，對該區域請予以重視。

7 結論及建議

采用震波超前探測技術對主洞樁號20+851 處掘進迎頭進行超前探測，通過對數據解釋，結合現場地質情況，綜合分析探測范圍（前方100 m 范圍）的水文地質情況，具體結論見表3。

表3 主要相對低阻異常區一覽表

異常界面在隧道掘進迎頭的正前方向,分析為受巖層界面或節理裂隙發育影響，局部有溶洞發育可能，有涌水可能，采取鉆探等其他探測方法進一步驗證，并進行超前處理措施，確保掘進安全。

地震超期探測成果圖中解釋的異常界面位置主要受巖層波速的影響較大，因本次探測巖層柏采用經驗波速4500 m/s，探測距離會有一定誤差，待探測揭露進行驗證，對波速予以修正，提高后續的探測精度。對于測得的波形異常區域或界面，請施工方加以重視，應采取鉆探等其他方法進一步驗證。將探測和驗證結果進行對比，完善地層的波形變化特征和實際地層特性的對應關系。

隧道繼續掘進時，對異常區域予以重視，提前做好預防措施，尤其是強排水設施布置，確保及時排水，保證安全。

探測距離的延長，分辨率也有一定的下降，根據探測結論，建議向前掘進探測距離的70%～80%時，在對隧道前方進行物探，根據探測結果對掘進方案適時調整，以應對相關不良地質情況。

8 結語

本次隧道掘進迎頭綜合物探技術超前探測項目，了解了迎頭正前方100 m 范圍內巖層波形變化情況，劃分出了重點防治范圍，為下一步施工過程中防治水提供科學依據。結果可為類似水利隧洞工程穿越復雜地質提供參考。