高风险岩溶隧道灾害地质体预报技术与应用

屈鹏程，巨能攀，霍宇翔

（成都理工大学环境与土木工程学院，成都610059）

0 引言

随着西部大开发战略的实施，以公路和铁路为主的基础设施建设，逐渐向地质条件复杂的山区推进。在这些工程建设中，为解决高程线型等要求，隧道工程比例越来越大，工程安全等级要求也更高[1]。勘察阶段通过工程地质调绘、遥感、物探、钻探等方法很难准确无误地查明线路工程所经地段不良地质体的位置、规模和性质，如突泥、涌水、断层破碎带等。地质灾害的发生会对隧道中机械设备造成毁坏，并且危及施工人员的安全，事故后续处理工作难度大，从而影响工程进度，增加工程成本[2－3]。为确保岩溶隧道施工安全，对岩溶体的位置及发育情况进行及时准确的超前地质预报，是保证隧道施工安全的关键。超前地质预报的优点是经济、迅速，测定一定空间范围内地质体的三维特征，为地下洞室开挖及时制定治理方案提供地质依据[4]。现阶段隧道超前地质预报，根据探测长度可以分为长距离预报和短距离预报两种，长距离预报目前主要采用TSP前方地震反射法，一般预报距离在100～200m，对隧道施工影响较小；GPR是一种短距离的电磁波探测手段，探测距离较短（20～30m），易受金属（台车、钻杆）影响，但是对于溶洞、溶隙、暗河等反映特征明显，可以很好地对TSP测量后的洞段进行加密探测，弥补TSP的缺陷[5－7]。本案例仙人洞隧道开挖过程中，采用TSP长距离探测和地质雷达短距离探测相结合的方法，对掌子面前方的溶洞位置和填充物进行精确的分析预报。

1 工程概况

仙人洞隧道（DK11＋740—DK15＋405）位于叙永县震东乡内，长3 665m。隧址属低山区构造剥蚀地貌，穿越仙人洞山体，测区沟谷相间，层峦叠嶂，连绵不断，山高坡陡，沟谷深切。山脊呈波浪状，测区地形起伏较大，高程介于605～865m，相对高差260m，其中最近的位于隧道洞顶上部20m左右的位置。当前掌子面距离洞口405m，桩号DK12＋145，埋深92m左右。隧址区地层岩性以二叠系下统茅口组（P1m）灰岩为主，层面产状平缓且变化小，围岩除洞口外以Ⅱ、Ⅲ级围岩为主。二叠系茅口组是全线岩溶发育程度最强的地层，隧址区出露多条宽数百米的溶蚀破碎带和一条宽69m的陡立断层，溶蚀破碎带内岩体节理裂隙较发育，裂面见泥质充填，局部充填方解石脉。断层破碎带内岩体极为破碎。该区溶槽、溶缝发育，岩体裂缝较发育，裂缝与岩溶交织，以裂隙、溶隙储集为主要形式的含水结构，岩溶水较发育。

叙永县气候具有阴雨、旱、涝多的特点，其区域性明显、季节性差异明显，小气候多变。年平均降雨量为1 069～1 180mm，主要集中于5月—9月。仙人洞隧道位于白杨林背斜南翼，岩层产状为：N5～14°W／5～14°SW。由于受地质构造作用影响明显，发育近垂直张性节理，两组节理产状：J1：N45°E／78°NW，J2：N76°E／90°[8]。节理面粗糙，多呈微张状，延伸较长。在地形上处于分水岭地段，雨水和地表水沿这些节理裂隙作垂直运动。区内的构造多以线性褶曲为主，故碳酸岩成条带状分布，这一特点的构造条件下，侧向溶蚀受到严格的制约，岩溶多沿纵向发育，故岩溶水多以落水洞、漏斗、洼地为主，地表溶蚀边界多成不规则的椭圆形[9]。在仙人洞山体表面第四季覆盖层较为发育，多以黄褐色黏土为主，在水的搬运作用下成为溶腔中常有充填物质。

综上所述，仙人洞隧道主要的不良地质现象是地层岩性决定的岩溶和局部破碎岩体中可能出现的坍塌现象；状黏土自身力学性质较差，加之地下水的活动，是导致充泥溶洞洞穴自身稳定性极差的主要原因，在多雨时段施工中极易出现突泥。该隧道曾发生“7.28”大型突泥事故，造成地表塌陷，形成深8m，直径5m的地表塌陷（如图1）。

图1 7.28突泥事故造成地表塌陷

2 超前地质预报设备原理说明

2.1 TSP概况

TSP（Tunnel Seismic Predication）是由 AMBERG测量技术有限责任公司研制的中长距离超前地质预报系统。该方法属于多波多分量探测技术，目的是为探测隧道前方100～150m区域内是否存在较大规模的不良地质体，以及围岩级别[10]。从宏观上指导隧道施工。

其工作和采集原理是2个检波器分别布置在隧道两侧，另外在隧道一侧上布置20～24个相同高度和相同距离的炮孔，放入乳化炸药和电瞬发雷管，与同步器相连接。激发地震波，在岩体中以球面的形式在围岩中运动，接收到直达波和反射波，转化为电信号并且放大。从起爆到发射信号被接受，通过反射时间与地震波速度的计算可以确定反射面位置，同时还可以反映掌子面的前方岩性变化的位置[11]，如图2所示。

图2 TSP工作原理示意图

2.2 地质雷达SIR－3000概况

地质雷达 （Ground Penetrating Radar，缩写GPR）是采用无线电波对介质分布和目标体进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术[12]。其工作原理为电磁波以宽频脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接收天线所接收，形成雷达图像。

电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的探测深度，后者决定电磁波在该物体中的传播速度。因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会形成电性介面（如图3）。反射波从发射天线发射到被接收天线接收的时间称为双程走时t，当求得地下介质的波速时，可根据测到的t值折半再乘以此介质中的波速求得目标体的位置，同时结合反射波组的波幅与频率特征得出地质雷达波形图，对同相轴追踪，结合当前地质情况从而解释前方工程地质情况[13]。

图3 地质雷达电磁波工作示意图

3 超前地质预报探测物性差异

根据工程地质勘察资料，已知掌子面前方的地层情况，在该洞段可能遇到的主要不良地质体是充泥溶洞。由于泥与灰岩的物性差异大（见表1～2），信号区别度高，在TSP和GPR上的图像特征明显。所以选择TSP作为长距离宏观探测手段，对前方的溶岩发育情况有总体的把握；地质雷达作为施工中的加密探测方法，获得更加准确的掌子面前方地质情况。

表1 地震波传播介质的波速与波阻抗

表2 地质雷达介质电磁参数表

4 采集系统现场布置及解译成果

4.1 Tsp200采集系统的布置

隧道所处位置，虽然岩溶发育但是由于地质条件的制约使得侧向溶蚀发育受到限制，洞身周围岩体具有离异化较大的性质，为TSP的应用提供适宜的环境条件。

当前开挖面下导桩号为DK12＋145。现场施工情况，右洞壁（DK12＋084—＋087）及左洞壁（DK12＋092—＋098）为避车洞、（DK12＋115—＋125）两侧洞壁为洞身扩大段、（DK12＋125—＋145）段为管棚支护，根据现场以上情况，在隧道进口端桩号（DK12＋066.9）左边墙和右边墙布置检波器1和检波器2。在（DK12＋087.4—＋145）段的右边墙，每隔1.5m的间距布置20个激发孔（图4）。

图4 TSP系统现场布置示意图

由于隧道的封闭环境，激发时产生的能量会在空气中传播，并被接收器采集，为了提高耦合度，在每次起爆前，对炮孔进行注水泥封；若现场机械振动干扰能量大于接收信号能量，就会覆盖正常数据，所以在采集数据时应当停止可能产生机械振动的活动。

4.2 TSP200解译成果图及结论

图5 2号检波器P波深度偏移图

图6 2号检波器SH波速度扫描图

图7 2号检波器P波速度扫描图

图8 2号检波器SV波速度扫描图

图9 探测层面反射成果图

在仙人洞隧道下导（DK12＋145）处实施TSP超前地质预报，根据其解译成果图（图5～9）所示，综合分析在（DK12＋160—DK12＋180）20m范围内有一个低速异常区，但该段内波速变化较平稳，在二维成果图中泊松比有明显增大，表明该段为软—流塑状物质。（DK12＋160—DK12＋168）范围内纵波反射较强，深度偏移图以强烈的负反射开始，强烈的正反射结束，反射带呈现出正负反射层较多且杂乱短小，以负反射为主，独立的条带以窄、断续的图案呈现，推测为充泥夹块石；（DK12＋168—DK12＋180）纵波反射强烈，横波的反射也较强，深度偏移图以强烈的负反射开始，强烈的正反射结束，正负反射层清晰且较有规律，反射层有所变宽，连续性增强，推测为充泥地质体（见表3）。

综合以上各解译成果图以及隧道洞身地表复查，初步推断出该段存在竖直形充泥局部夹有块石溶洞。由于TSP在布置、信息接收、数据解译各个环节对最后的成果图和结论有较大的影响；为了确保此次预报可靠性，保证施工安全，采用地质雷达（GPR）对该段进行加密探测。

表3 TSP推测区段结果

4.3 GPR现场测线的布置及结果

本次测量工作沿隧道上导掌子面底部布置了一条测线（如图10），同时也对上导掌子面进行了地质编录（如图11）。通过现场调查，掌子面右侧为黄泥土，湿润；左侧岩体为青灰色灰岩，岩层产状C：N17°E／SE∠21°，隐晶质结构，巨厚层，大块状砌体结构，弱风化，弱卸荷，岩体较完整，岩体表面潮湿。掌子面左侧岩体上发育一组结构面，J1：N70°E／SE∠82°，长0.6～1m，间距0.3～0.7m，粗糙起伏。

图10 测线布置示意图

图11 仙人洞隧道进口掌子面（DK12＋48）素描图

采用地质雷达SIR－3000采集的数据进行解译，图12为仙人洞隧道进口测线1与地质雷达探测成果图，探测里程为DK12＋148—DK12＋172，探测长度24m。

图12 地质雷达探测成果图

探测成果图显示掌子面右侧前方0～3.5m（DK12＋148—DK12＋151.5）范围内，雷达反射波波形为强振幅波形，表明前方3.5m范围内与掌子面一致，为软—硬塑状粉质黏土；左侧前方6～8m（DK12＋154—DK12＋156）范围内，反射波波幅增强，同相轴错段，表明该处介电常数增大，推测为较为湿润的塑状黏土；掌子面左侧前方11～24m（DK12＋159—DK12＋172）范围内，该洞段雷达波波幅增强，同相轴错段，呈弧形弯曲，出现多次反射波、绕射波，波形杂乱，推测为夹有碎石塑状粉质黏土。

综合TSP和地质雷达探测成果及地表调查资料，推测该段为夹碎石充泥溶洞，并根据能量图可以推测该段岩溶充填物中含地下水。由于土体的物理力学特征，在水环境作用下，工程地质性质极不稳定。故推断此洞段遭遇突泥地质灾害风险极高。

5 结语

（1）在综合预报前，进行地质编录与地表复查综合分析，对可疑不良地质体的性质、组分和发育状况初步认识，为采取探测方法和设备提供依据。溶腔中的物质（水、泥、气）通常对横波有较好的抗阻性。不良地质体的物质组成具有明显的介电差异，因此利用TSP结合GPR对仙人洞隧道进行探测是合理的方法。

（2）在岩溶发育地区，TSP和GPR配合使用在很大程度上提高了预报的准确性。TSP作为长距离预报系统，对把握掌子面前方的不良地质体空间位置、边界情况具有明显的优势。借助地质雷达加密探测，有利于进一步分析岩溶体边界和充填组分。两种探测系统的结合，可以最大限度地减小现场工况产生的干扰，并且缩小推测不良地质体性质的范畴。

（3）为了能够得到一个较高质量的地质预报结果，首先详细编录掌子面的地质资料，必要时对地表情况进行复查，对比已有的勘察资料；其次联系现场做好信息采集前的准备工作，尽可能消除探测仪器产生的干扰因素；最后结合已有勘察资料和解译成果图，进而得出可靠预报成果。

[1]马亢，徐进，张志龙，等.雪峰山公路隧道的超前预测预报研究[J].岩土力学，2009，30（5）：1381－1386.

[2]王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见[J].铁道勘察，2004（1）：7－18.

[3]肖书安，吴世林.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术[J].工程地质物理学报，2004，1（2）：159－165.

[4]曹小军，张红军，王萌.TSP超前地质预报系统在精伊霍铁路北天山隧道中的应用[J].市政技术，2011，29（1）：105－108.

[5]陈成宗，何发亮.隧道工程地质与声波探测技术[M].成都：西南交通大学出版社，2005：27－55.

[6]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994：10－28.

[7]Johnston M J S.Review of electric and magnetic file accompanying seismic and volcanic activity[J].Surveys in GeoPhysics，1997，18（5）：441－476.

[8]叙永副.区域水文地质普查报告[R].11－48－[48]，1980：10－15.

[9]袁道先.中国岩溶学[M].北京：地质出版社，1993：5－36.

[10]吴德胜.三种物探方法在岩溶隧道地质超前预报中的综合应用[C]／／中国地球物理学会第22届年会论文集.北京：中国地球物理学会，2006：212.

[11]舒森，王光权，王亮，等.TSP203超前地质预报系统在岩溶地区隧道中的应用[J].工程地球物理学报，2009，6（5）：588－591.

[12]曾昭发，刘四新，王者江，等.探地雷达方法原理及应用[M].北京：科学出版社，2006：46－77.

[13]刘敦文.地下岩体工程灾害隐患雷达探测与控制研究[D].长沙：中南大学，2001.11－34.