綜合物探法在灰巖隧洞超前地質預報中的應用

劉 洋，李俊杰

(浙江省水利水電勘測設計院有限責任公司，浙江 杭州 310002)

杭州市第二水源千島湖配水工程從淳安縣境內取水，通過千島湖進水口、輸水隧洞、分水口等工程措施，輸送千島湖原水，沿途分配水量至沿線的建德、桐廬、富陽部分區域，并在杭州市閑林水庫分配水量至杭州市主城區、蕭山區和余杭東苕溪以東地區等3個方向，實現水位、水量控制，提高杭州及沿線城鄉供水水質和保證率。杭州市區形成千島湖、錢塘江、東苕溪聯合供水、互為備用的多水源供水格局，并為實現分質供水打下基礎。其中杭州市第二水源輸水通道(江南線)設計將閑林水庫優質原水通過陸域管道、過江管道段以及山嶺段隧洞輸送至杭州濱江區、蕭山區以及大江東產業聚集區，輸水線路設計供水能力200萬m3/d，為省重點水利工程。

江南線山嶺段隧洞沿線地形地貌以中低山—丘陵為主，地表起伏較大，隧洞沿途穿越的地層繁多復雜，表部覆蓋層以第四系殘坡積、洪坡積及沖洪積含碎塊石粉質粘土、含泥砂礫卵石等為主；下伏基巖以志留系、泥盆系及石炭系地層為主，巖性以石英砂巖、長石石英中細粒砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖及泥巖及生物屑灰巖等為主。其中石龍山隧洞段穿越地層巖性以生物屑灰巖及白云巖為主，厚層狀-塊狀。表部巖體節理裂隙發育，巖體較破碎，地表局部可見巖溶洼地、落水洞、溶隙溶溝等巖溶形態發育。沿線地層復雜多變，構造較為強烈，地層產狀不穩定，洞線局部區段掘進過程可能遭遇溶蝕發育、巖性接觸帶以及破碎帶等不良地質，開展超前地質預報工作可事先了解掌子面前方不良地質的分布情況，為隧洞安全施工提供重要指導。

超前地質預報方法分為直接法與物探法2類，其中超前鉆探[1- 3]與導洞開挖[4- 5]都屬于直接預報法，其優點在于成果直觀準確，但對施工工期影響大。物探方法[3- 6]是根據隧洞巖體速度、電導率、密度、介電性等差異為前提，采集掌子面前方物探異常信息，進而推測隧洞前方地質情況的高效探測技術，其中TSP與地質雷達是隧洞超前地質預報領域應用最廣泛的方法之一，本文將瑞士最新一代TSP303以及美國最新研發SIR4000地質雷達用于石龍山隧洞某巖溶發育區段超前地質預報，成功探測了溶蝕帶的分布，為隧洞安全施工提供了準確參考。

1 物探法原理及觀測系統布置情況

TSP是地震反射波探測方法的1種，其特點在于采用小量炸藥在隧洞壁激發地震波，地震波在空間域以球面波形式擴散，當遇到巖體完整性存在顯著差異的界面時，一部分地震波將被反射回來，并被1～4個寬頻帶、高靈敏度的三分量地震傳感器所接收。通過對地震反射數據做帶通濾波、速度拾取、拉冬變換、波場分離及偏移成像等方法處理后，可得到隧洞前方巖體的縱橫波波速分布情況，進而推測掌子面前方巖體完整性特征。TSP觀測系統如圖1所示，接收器置于隧洞壁兩側，距掌子面>56m，孔深2m，角度微上傾；24個炮孔置于一側邊墻，約高出隧洞底板1m，孔深1.5m，角度微向下傾斜；接收孔距離掌子面最遠的24號炮孔20m，26個鉆孔盡量控制在同一平面內。

圖1 TSP觀測系統

地質雷達是工程物探常用技術手段之一，具有高效率、高分辨率的特點，其采用偶極子天線發射并接收來自掌子面前方的電磁反射信息，根據采集波形的振幅、相位及頻率等特性推測巖體完整性情況。雷達測線一般位于掌子面中下部，為提高數據信噪比，采用基于128次疊加的單點探測方式，從左至右逐一探測，對于巖溶發育隧洞，可適當將測線向左右兩側邊墻延伸。

2 典型預報成果分析

石龍山隧洞樁號K10+248—K10+048區段TSP探測成果如圖2所示，TSP炮孔布置洞段巖性為灰色灰巖，局部含鐵錳質，局部存在弱溶蝕，巖體完整性較好。如圖2所示，樁號K10+248—K10+048范圍內巖體縱波速度為5471～6635m/s，橫波速度為3337～3817m/s，縱橫波波速比為1.48～1.92，泊松比為0.08～0.31，密度為2.88～3.06g/cm3，靜態楊氏模量為78～119GPa，動態楊氏模量為80～104GPa。除縱橫波速比與泊松比偏高對應巖體含水量較大，其余參數偏低均預示巖體完整性較差，就灰巖隧洞探測而言此區段各TSP物理力學指標總體一般較好，其中K10+229—K10+213、K10+198—K10+181及K10+100—K10+048區段縱波或橫波波速、密度及各物理力學指標多呈現極小值，推測巖體局部存在溶蝕或節理裂隙發育，施工過程巖體局部可能出現滴滲水。實際開挖表明隧洞巖體總體較完整，在TSP異常區域揭露少量溶蝕，驗證了TSP預報的有效性。此外，隧洞掘進至樁號K10+051附近隧洞左邊墻角揭露一小型溶蝕通道(如圖3黑框標注所示)，有地下水滲出，但此樁號附近TSP異常僅表現為橫波波速偏低，故灰巖隧洞TSP預報時對橫波速度偏低但縱波速度正常的區段也應予以重視。

圖2 樁號K10+248～K10+048區段TSP預報成果

圖3 樁號K10+051附近隧洞左邊墻角小型溶蝕通道

樁號K10+051～K10+021區段地質雷達探測成果如圖4所示，雷達信號反射能量局部較強，頻率以中頻為主，同相軸局部彎曲錯斷，推測雷達探測區段巖性仍為塊狀灰巖，巖體完整性一般，推測圖4中黑色框標注的區域溶蝕裂隙或溶蝕空腔較發育，富含地下水。此外，樁號K10+028—K10+021區段存在平行傾斜帶狀且振幅較強的反射信號(圖4黑色線劃出)，但其頻率較高，隧洞實際開挖表明此區段未見明顯溶蝕區域，石龍山隧洞大量雷達預報經驗表明完整性較好的灰巖掌子面探測時，雷達剖面常出現此類干擾信號，推測為電磁波在隧洞巷道中產生的繞射波。

圖4 樁號K10+051附近地質雷達探測成果

3 結論

TSP與地質雷達相結合的綜合物探方法適用于灰巖隧洞溶蝕發育段超前預報，TSP縱波或橫波波速偏低的區段以及地質雷達剖面反射波振幅強，同相軸呈雙曲線狀并伴隨少量多次反射特征的區域溶洞或溶蝕帶發育的可能性大；灰巖隧洞段地質雷達探測易產生傾斜帶狀同相軸強反射，其與溶蝕異常差異在于后者伴隨一定程度的多次反射。