淺談綜合物探法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

黃春榮

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六三大隊(duì)）

淺談綜合物探法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

黃春榮

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六三大隊(duì)）

對于隧道工程施工建設(shè)而言，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是保證工程施工建設(shè)安全性和高質(zhì)量的重要前提條件，但是由于物探方法具有一定的間接性和多解性，如果僅僅依靠單一的物探方法來作為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，其結(jié)果解釋具有一定的不可靠性，要想提高成果的精準(zhǔn)度，就必須采取多種物探方法進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)和分析。為此，本文首先對綜合物探方法和技術(shù)進(jìn)行了簡介，并以實(shí)際工程為案例，對綜合物探法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用問題進(jìn)行了研究，從而體現(xiàn)了綜合物探技術(shù)的廣闊發(fā)展前景。

綜合物探法；隧道工程；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；應(yīng)用

前言

在我國社會經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)迅猛發(fā)展的大背景之下，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大使得城市交通網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，隧道具有縮短時(shí)空距離、行駛距離以及線條流暢等優(yōu)點(diǎn)，在城市交通網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中具有著不可替代的作用。隧道施工建設(shè)通常都是以線狀模式為主，其施工的復(fù)雜程度和地質(zhì)條件情況呈正比例關(guān)系，為了減少施工建設(shè)過程中的地質(zhì)災(zāi)害，保證施工的順利進(jìn)行和建設(shè)質(zhì)量，需要進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。通過大量實(shí)踐證明，采用多種物探方法進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)和分析，能夠極大程度的提高地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，有效的降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，在現(xiàn)代化工程建設(shè)中具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 綜合物探技術(shù)原理簡介

1.1 紅外探水

物體在運(yùn)動的過程中會發(fā)射出紅外線，在形成紅外場之后就滿足了紅外探水的實(shí)際需求，當(dāng)?shù)刭|(zhì)體中含有一定的地下水的時(shí)候，地下水場源所產(chǎn)生的紅外場會對地質(zhì)體場源多產(chǎn)生的紅外場產(chǎn)生直接的影響，通過圍巖紅外場的變化情況來建立各監(jiān)測點(diǎn)的場強(qiáng)和測點(diǎn)到掘進(jìn)面的距離之間的函數(shù)關(guān)系來完成超前探水預(yù)報(bào)。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)方法的原理依據(jù)是地下介質(zhì)對光譜電磁波的影響機(jī)理，通過判斷地下介質(zhì)的分布情況來作為超前預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容。在探測的過程當(dāng)中，地質(zhì)雷達(dá)通過天線向地下進(jìn)行發(fā)射，當(dāng)信號到達(dá)出現(xiàn)空洞或高阻分布不均勻等物體的時(shí)候，電磁波的頻率和強(qiáng)度就會發(fā)生不同的變化并返回到地面，工作人員可以以此開判斷地質(zhì)構(gòu)造的基本特點(diǎn)和潛在的安全隱患。

1.3 TSP-203

TSP-203技術(shù)以通過振動波的回聲原理作為主要依據(jù)。地震波在以球面為形式的傳播過程中，當(dāng)?shù)卣鸩ㄊ艿綆r石等物體阻礙的時(shí)候，部分傳播信號將會直接反射到信號發(fā)射的位置，另一部分信號則會折射到前方的介質(zhì)當(dāng)中，地震監(jiān)測器會直接接收到相關(guān)信號，工作人員可以通過對反射波數(shù)據(jù)庫的基本情況來判斷相關(guān)隧道剖面和巖石的物理性質(zhì)和基本力學(xué)參數(shù)。

2 綜合物探法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

2.1 工程概況

某水電站輔助洞位于青藏高原向四川盆地過渡的斜坡帶，隧洞沿線是由大理巖組成的主分水嶺，主體山峰高在4000m以上，最大高差超3000m；輔助洞的最大埋深約為2380m，其中埋深大于1500m的洞段約占75%；輔助洞圍巖的巖性主要為大理巖、灰?guī)r等碳酸鹽巖類和砂巖以及板巖等；在2000m高程以下的巖溶不發(fā)育，除了進(jìn)出口段以外，Ⅱ類圍巖約占90%；該隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對隧道前方的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行探測，施工單位決定采用綜合物探方法來進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

2.2 涌水段預(yù)報(bào)成果

在以TSP-203作為長距離宏觀控制、以雷達(dá)和BEAM探測作為精準(zhǔn)手段、在明顯異常洞段打超前鉆孔來作為雷達(dá)探測口的整體預(yù)報(bào)工作思路之下，在BK4+950樁號掌子面上進(jìn)行了雷達(dá)探測，如圖1所示，測線1和測線2出現(xiàn)了明顯強(qiáng)反射界面，連續(xù)反射且出現(xiàn)多次波，據(jù)此推測BK5+036～042m樁段為巖體破碎帶，且含水；BK5+072～082m樁段則為裂隙發(fā)育帶，且含水。

圖1 雷達(dá)成果示意圖

根據(jù)TSP預(yù)報(bào)結(jié)果，在以上兩段分別加強(qiáng)了表面雷達(dá)的預(yù)報(bào)頻率，在雷達(dá)測試結(jié)果中并沒有發(fā)現(xiàn)BK5+036～042m樁段存在明顯的異常，但在BK5+058m的掌子面測試中發(fā)現(xiàn)前方14m處存在明顯異常，如圖2所示，檢波器1和檢波器2所得圍巖參數(shù)縱波速度和橫波速度均有所降低，Vp/Vs和泊松比稍降低，局部增大，且密度變化不明顯，結(jié)合已開挖洞段揭露的地質(zhì)現(xiàn)象判斷BK5+072m左右為溶蝕裂隙密集帶，出現(xiàn)涌水的可能性較大；BK5+042～058m樁段右側(cè)4.5～9m的范圍為溶蝕裂隙且含水。

圖2 TSP測試2D成果示意圖

通過鉆孔雷達(dá)測試，確定前方不存在大型溶洞之后，施工單位決定采取短進(jìn)尺掘進(jìn)，經(jīng)開挖證實(shí)，在BK5+073～075m處有一小斷層通過，寬度為0.4～2m，且在該斷層附近的裂隙極為發(fā)育，形成與該斷層走向相平行的裂隙密集帶，在裂隙帶內(nèi)出現(xiàn)了大涌水。

2.3 塌方段預(yù)報(bào)成果

在BK4+220～232m樁段的地層巖性主要是以灰黑色的中厚層狀砂巖和板巖為主，且?guī)r體較為致密。在所提供的可行性研究階段的地質(zhì)報(bào)告中顯示，在掌子面前方存在F5斷層穿過，且此斷層是在由相對隔水的砂板巖和相對透水的大理巖的分界面之上，因此出現(xiàn)突、涌水的可能性極大。

根據(jù)BK4+109m掌子面TSP-203測試的巖石物理力學(xué)參數(shù)分析，得知BK4+209～252m樁段的巖體密度較低，但是泊松比卻出現(xiàn)了局部變高的現(xiàn)象，據(jù)此判斷此段巖體的強(qiáng)度較低，巖體較為破碎，其中局部部分可能存在含水層，再結(jié)合可行性研究階段的地質(zhì)報(bào)告，不排除存在斷層發(fā)育的可能，如圖3所示。

圖3 鉆孔雷達(dá)測試成果示意圖

根據(jù)TSP預(yù)報(bào)結(jié)果，在BK4+190～252m樁段加強(qiáng)了表面雷達(dá)的預(yù)報(bào)頻率，通過分析得知在BK4+220～226m樁段處存在明顯的異常，結(jié)合之前的TSP-203探測結(jié)果以及今期開挖揭露的地質(zhì)情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)此樁段發(fā)育有一條斷層，受到斷層的影響，此樁段的巖體較為破碎，而且少量含水；后經(jīng)開挖證實(shí)，在BK4+212～214m樁段發(fā)育有一條斷層，為石英和巖屑膠結(jié)；由于施工單位及時(shí)進(jìn)行了支護(hù)措施，未出現(xiàn)明顯塌方，保證了工作人員的安全，同時(shí)還使得施工單位避免了經(jīng)濟(jì)損失。

3 結(jié)論

結(jié)合以上工程實(shí)例，對綜合物探方法的實(shí)際預(yù)報(bào)效果進(jìn)行分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）當(dāng)異常構(gòu)造為不連續(xù)界面且界面和工作面中心線走向近似垂直的時(shí)候，無論是哪一種方法的預(yù)報(bào)效果都比較可靠，這是因?yàn)樵谶@種界面位置處，戒指的波阻抗差和介電常數(shù)差異都比較大，使得地震反射波和電磁反射波之間出現(xiàn)了強(qiáng)反射，其異常特征遵循判別原則。

（2）溶洞空腔等異常體的空間形態(tài)多變，一般為不規(guī)則發(fā)育，使得反射波較為復(fù)雜，因此TSP和地質(zhì)雷達(dá)法的預(yù)測效果均有所下降，在這種情況下的地質(zhì)雷達(dá)法效果更好，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際情況的吻合度較高，是因?yàn)殡姶挪l率高于地震波。

（3）TSP-203作為中長距離的預(yù)報(bào)手段，具有功能強(qiáng)大、精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)，而地質(zhì)雷達(dá)具有速度快、圖像易識別等優(yōu)點(diǎn)，二者在使用時(shí)可以相互補(bǔ)充，較大程度的提高了探測的精確性；且BEAM利用與巖石含水密切相關(guān)的傳導(dǎo)電流原理進(jìn)行預(yù)報(bào)，對于巖溶現(xiàn)象、破碎帶等現(xiàn)象的預(yù)報(bào)效果較高，但是在鉆爆法施工的條件下，對于點(diǎn)擊的布極方式還需要進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)束語

綜上所述，綜合物探方法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的實(shí)際應(yīng)用中具有較高的價(jià)值，一方面能夠使得施工人員對建設(shè)環(huán)境地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確的掌握，另一方面還能夠?yàn)槭┕と藛T的人身安全提供基本保障。因此，地質(zhì)企業(yè)在明確隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)任務(wù)的前提之下，要對紅外探水原理、地質(zhì)雷達(dá)原理以及TSP-203原理、應(yīng)用方法進(jìn)行全方面的了解，且施工人員要結(jié)合工程建設(shè)的實(shí)際情況，從多方面進(jìn)行著手，科學(xué)合理的應(yīng)用綜合物探法，切實(shí)發(fā)揮出超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的巨大作用，為隧道工程的施工建設(shè)提供基礎(chǔ)保障。

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1673-0038（2015）46-0172-02

2015-11-1