物探技术在高风险隧道超前地质预报中的应用研究

刘世奇

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

Application Research on Geophysical Technique in High-risk Tunnel’s Geology Forecast

LIU Shiqi

物探技术在高风险隧道超前地质预报中的应用研究

刘世奇

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

Application Research on Geophysical Technique in High-risk Tunnel’s Geology Forecast

LIU Shiqi

摘要简要介绍TSP法、探地雷达法原理及判识原则，着重分析两种方法在高风险隧道的应用，并对长昆线某高风险隧道典型地质构造进行举例分析。

关键词超前地质预报TSP探地雷达隧道

1方法简介及判识原则

1.1　TSP法

TSP法，即隧道地震波超前预报，图1为其原理图。

图 1　TSP203系统原理示意

地震波在不同波阻抗分界面处产生反射波，不同的反射波其特性不同，可以利用这点来进行超前地质预报[1]。其采用炸药作为震源，通常在隧道同侧边墙布设多个激发点，药量通过现场实验来定。激发的地震波波前形成包络面，空间形态为球状。当其遇到波阻抗差异界面时(通常为各种构造异常)，部分地震信号反射回来。在隧道壁两测分别布设TSP检波器，则反射波被两TSP检波器接收。由于地震波时长与传播距离有直接关系，通过反射波时长可以很容易得到反射界面的信息[2-4]。

TSPwin是TSP设备自带的处理软件，用以处理TSP检波器采集的数据。经过数据处理，可获得多种参数成果。其中主要用以数据解释的是地震纵、横波时间剖面，转换波时间剖面，还可以获取反射层参数、围岩的力学参数等成果，同时，成果中的反射界面在工作面前方预报距离内的二维和三维空间分布也很重要。

TSP处理成果的解释遵循以下原则:

①振幅反射的极性为正，则为硬岩，反之则为软岩；

②横波反射强度大于纵波，说明介质中含水；

③泊松比增大，则认为是介质中存在流体；

④若纵波波速下降，一般认为预报范围围岩破碎。

1.2　探地雷达法

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)在超前预报中应用极其广泛[5，6]。其原理与地震反射波极为相似，将弹性波信号替换为电磁波信号即可。在地震反射波法中，分析反射波参数得到的是介质弹性波物理参数；而在探地雷达法中，其物理参数也由弹性波参数转化为电性参数——介电常数。原理见图2。

图2　探地雷达原理

介电常数差异可以决定介质分层处反射系数R，而反射系数又可以决定反射波的能量。因此，介质所处环境的介电常数能够直接决定探地雷达法的预报距离和预报精度。同时，实际探测时所使用的雷达天线频率以及采样的快慢，也在一定程度上对探地雷达法预报距离和预报精度有影响。综合考虑以上原因，合理的采用参数，能在很大程度上决定最终的预报结果[7]。

雷达数据最终成果为垂直剖面图。通常显示方式有两种，分别是波形图以及灰度图。本文中，所有雷达成果均采用灰度图显示。其主要判定标准如下。

①岩体密实完整：反射波的剖面信号极弱，波形几无变化；

②岩体破碎：反射波信号极强，剖面同相轴有异常(不连续)；

③溶洞、溶腔：反射波信号强，同相轴表现异常，其主要特征为双曲线；且常常有多次波发育，可以通过多次波的特性来判断溶洞内的充填物，如空腔，多次反射波能量较强、界面较清晰；充填水或泥时，则能量弱，界面较模糊。

2实例分析研究

2.1　岩性接触带研究

(1)工区概况

长昆客运专线某隧道测区位于低山丘陵区，为沪昆客专湖南段重要的高风险隧道之一。工区岩性为厚层状灰岩，底部为灰岩与泥灰岩组成互层，弱风化，节理裂隙一般发育，溶蚀现象较为明显，围岩较破碎至较完整，岩质较硬。

区域地质资料结合工程地质调查及天然源大地电磁法工程物探资料表明，隧道段整体构造较简单，无明显断层发育。隧道区主要岩性为可溶岩，且该区域属于地下水富集区。因此，对安全存在隐患的常见不良地质情况包括岩溶发育、断层破碎带等。另外，隧道区穿过不同岩性的风化程度差异较大，不同岩性接触带也会给施工造成较大困难。

(2)TSP结果分析研究

超前预报组对测区里程段进行TSP法探测，所用设备为TSP 203[8]。

观测系统如图3所示。

图3　TSP观测系统示意(单位：m)

三分量检波器同时接受各自的地震波数据，并使用设备自有的TSPwin软件进行数据处理。

处理之后，主要用于数据解释的有：地震纵横波的时间剖面、转换波的时间剖面、反射界面参数、围岩的力学参数、反射层在工作面前方预报距离内的二维和三维空间分布等。预报的2D成果图见图4。图中黑色虚线所标示里程为DK196+652。

图4　TSP探测2D成果

探测结果显示，DK196+640～+675段检波器1的纵波波速从6 366 m/s下降至5 800 m/s，横波波速变化不明显，围岩密度由2.95 g/cm3下降为2.83 g/cm3，泊松比由0.32下降至0.25，横波波速由3 545 m/s下降至2 734 m/s，反射相位负。检波器2所测得的纵波速度和横波速度略有下降。综合推断该段岩体较破碎，推测发育断层或岩性接触带，岩层从较硬岩层进入较软岩层，为重点异常区。

(3)探地雷达结果分析

预报所用的设备是LATVIA产出的Zond-12e GPR 探地雷达，探测过程中使用的频率是75 MHz。厂家对外业采集软件与内业分析软件进行了集成，可以在同一个软件包进行。

数据处理过程较地震波法略为简单，首先按照要求对数据进行预处理，其次设置不同滤波器看处理效果，对波形增益进行适当调整后成图，得到最后的处理成果，并可据此进行围岩地质情况判释。

图5　雷达成果

为了突出异常反应，笔者将图5显示方式调整为灰度显示，即本次工作的成果。

图5中可以看出，在DK196+657～DK196+672里程段内(图中所标反射面里程DK196+657)，测线1、测线2出现明显强反射界面，连续反射且出现多次波，分析认为该段岩体裂隙极发育，岩体较为破碎。根据勘探资料综合判断，该段可能发育断层带或岩性界面。此外，根据判识原则，可以判断此处地下水比较发育。

同时，也对比了隧道勘察时期的资料。EH-4物探成果如图6所示。通过图6可以看到，在该里程段视电阻率等值线存在明显横向不均匀现象，视电阻率由高阻区进入低阻区，定义为物探异常反映。

图6　EH-4物探成果

现场预报组经过讨论，最终布置了四个超前水平钻孔，位置大致均匀分布在工作面。后经钻孔探测，分别在DK196+653、DK196+651.8、DK196+651.2、DK196+653里程处发现岩性分界面，由泥灰岩变为泥质页岩。风化程度也不同，前者为弱风化，后者为全风化。

2.2　溶腔预报研究

(1)工区概况

工区里程段设计为Ⅲ级围岩，该段位于低缓山包地带，表覆硬塑粉质黏土。下伏基岩为灰岩夹砂岩，中厚层状，弱风化，节理裂隙一般发育，溶蚀发育，岩体较完整，岩质较硬。

施工至DK198+148里程处时，工作面左上方发生突泥，约400～500 m2。经勘查，在线路左侧拱腰上方有一处溶腔，直径约5 m，拱顶上方有2处溶腔，直径分别约2 m和1 m，溶腔均向上延伸，目测看不到底。

(2)TSP结果分析研究

图7为TSP测试2D成果。图中黑色虚所标示里程为DK198+148，为发生突泥位置里程。

图7　TSP测试2D成果

根据TSP法判识原则，其异常反应在DK198+156里程处。图7中可以看出，DK198+156～DK198+128里程段检波器1，检波器2所得围岩参数纵波速度、横波速度有所降低，VP/VS和泊松比略微降低，局部增大，密度变化幅度不显著。综合分析认为该段围岩破碎、稳定性差、裂隙较发育，局部可能发育成溶蚀现象，地下水主要为溶蚀裂隙水。可以看出，TSP预报成果该段异常反应不明显，预报里程分界面与实际开挖有出入。

(3)探地雷达结果分析

如图8所示成果。根据探地雷达法判识原则，在图8中可以看出，DK198+146～DK198+143里程段内(图中所圈部分)，测线1、测线2上反射能量较强，并出现多次反射，分析认为该段岩体溶蚀裂隙发育，溶蚀裂隙水较发育。

可以看出，探地雷达法对于含泥溶腔的异常反应要好于TSP法，其预报的异常里程与实际开挖差距不大。

图8　雷达成果

图9为隧道相应里程段大地电磁(EH-4)成果(黑色虚线所标为突泥里程)。可以看出，含泥溶腔位置异常反应不明显，其视电阻率等值线横向不均匀特征反应一般。

图9　EH-4物探成果

3结束语

结合开挖情况，通过对TSP、探地雷达两种物探方法在实际中的预报效果分析，可以得出以下结论：

(1)无论是TSP法还是探地雷达法，当异常构造为不连续界面且界面与工作面中心线走向近似垂直时，预报效果都比较可靠。这是因为，在该种界面处，介质的波阻抗差及介电常数差异均比较大，也就造成了地震反射波和电磁反射波的强反射，其异常特征遵循判识原则。

(2)溶洞空腔等异常体的空间形态多变，多数情况下为不规则发育，也就造成了反射波极其复杂，因此TSP法及探地雷达法对溶洞的预测效果均有所下降，TSP法下降尤为明显。此种情况下，雷达法效果好于TSP法，其异常反应与判识原则较为符合，预报结果较为精准，与实际情况吻合度高。究其原因，则是因为电磁波频率远远高于地震波，其分辨率大于地震反射波法。

(3)天然源大地电磁法对于不连续界面和孤立体(溶洞、空腔等)均有不同程度的异常反应，且对于前者的的异常反应要明显强于后者。在不连续界面处，其视电阻率等值线存在较明显横向不均匀现象；在孤立体处，其横向不均匀现象反映较弱。因此，应结合其它方法，以便进行对比研究。

参考文献

[1]何刚.TSP-203系统在隧道超前地质预报中的应用研究[D].长沙：中南大学，2005

[2]曹轶之，王新洲.TSP203系统及其在国防工程中的应用[J].地理空间信息，2005，3(3):42-43

[3]李坚.TSP法在铁路客运专线隧道超前地质预报工作中的应用前景[J].铁道勘察，2005(6):45-49

[4]史柏生.TSP203地质超前预报系统简介及其应用[J].铁道工程学报，2004，84(4):27-30

[5]李大兴.探地雷达方法与应用[M] .北京:地质出版社，1999

[6]夏才初，等.土木工程监测技术[M].北京:中国建筑工业出版社，2001

[7]何继善.地电磁及其研究前沿[J].中南矿冶学院学报，1994，25( A05)

[8]曾昭璜.隧道地震反射法超前预报[J].地球物理学报，1994，37(2) :218-230

[9]郝明，杜彦军.沂沭高烈度地震区选线综合物探[J].铁道勘察，2014，40(2):84-86

[10]郝明，董晨.牡绥线初测综合物探[J].铁道勘察，2008，34(6):67-71

中图分类号：P631

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)04-0037-04

作者简介：刘世奇(1983—)，男，硕士，工程师。

收稿日期：2015-05-19