综合物探方法在地质超前预报中的应用

杨嘉明，刘 凯，韩 飞，郭 奇，2

（1.吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林长春130062；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130062）

综合物探方法在地质超前预报中的应用

杨嘉明1,2，刘 凯1，韩 飞1,2，郭 奇1，2

（1.吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林长春130062；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130062）

通过两种方法综合应用，探讨选择合理有效的预报方法，采用探地雷达和地震波反射相结合的隧道地质超前预报方法，对吉林省某供水工程二标段桩号23+706掌子面进行地质超前预报，取得了较好的效果。

地质超前预报；探地雷达；地震波反射

0 引言

隧洞开挖是水利、铁路、公路等各个行业在实际工程中遇到的必要环节，而地下不良地质体的特殊的地质结构会严重影响实际开挖及处理。近年来，国内外很多单位结合工程对隧道施工进行地质超前预报理论研究与应用。目前国内地质超前预报较领先的技术方法是探地雷达法和地震波反射法结合探测较为广泛。

鉴于地质条件的复杂性，现场数据采集时，应根据实际岩性设置合理参数，尽可能取得高质量的原始数据，并结合地质资料进行综合处理分析，探测出不良地质体实际规模、走向，为施工处理提供科学依据。

1 工程概况

吉林省某供水工程总干线70 km，其中二标段桩号为2+000～24+600。此段涉及地层岩性主要有凝灰岩、安山岩、砂岩、花岗岩。断裂构造多有继承性和复合型的特点。断层多位于沟谷部位，和地下水、地表水很容易形成密切的联系，工程地质性质差，往往成为隧洞涌水、突水、突泥的主要部位。

根据现场勘查，桩号23+706掌子面处岩性为凝灰岩，节理裂隙发育，岩石完整性差，伴有基岩渗水，常有掉块现象，围岩类别为V类围岩。地上地貌为河谷，常年流水。掌子面及前方55 m内均为引水洞过温德河段，且埋深较浅。

2 预报方法及原理

2.1 探地雷达法

探地雷达采用的是时间域脉冲雷达，将宽频带的脉冲电磁波发射到地下介质中，通过接受反射信号达到探测地下目标的目的，雷达系统向被探测物发射电磁波脉冲，电磁脉冲穿过介质表面，碰到目标物或不同介质的界面而被反射回来，根据电磁波的双程走时，分析确定探测目标的形态及结构特性，详见图1。

图1 地质雷达探测原理图

此次预报使用Zond-12e型地质雷达仪，根据探测前方的岩性特征及现场的工作条件，探测距离可以达到30 m左右。测试时在掌子面处布置“井”字形剖面4个，采用点测方式，雷达天线贴近掌子面20 cm，并且垂直掌子面正前方施测，测试点距为5 cm。沿井字剖面逐点采集数据。本次超前探测的天线中心频率为75 MHz，所以在进行数字滤波时，选择频率为19～150 MHZ的带通滤波器进行滤波。

2.2 地震波反射法

此次预报中地震波超前预报法使用的是TRT6000，原理是当地震波遇到声学阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，通过分析，被用来了解隧道工作面前方地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等），位置及规模。

此次在探查区共安装10个传感器，隧道左右边墙各布置4个，洞顶2个，锤击震源点共计12个，隧道左右边墙各6个，震源需尽可能的靠近掌子面。这样共获取120组反射地震波信号。震源与传感器点代号分布如图2。

图2 TRT传感器布设

3 数据处理及成果分析

3.1 探地雷达法

在成果解释中，雷达的起始初至相位一般为正相位，如发现有明显的正相位强波反射波组出现，应是岩层岩性变好的表现；如发现有明显的反相位反射波组出现，应是岩性变坏的反映；根据反射波反射强度的大小可以区分反射界面前方介质的岩性特征，比如地下水赋存情况等。

依据雷达数据处理结果并结合地质资料分析得出以下预报结果，见图3中1~6不同部位；

①桩号23+710～23+713雷达反射信号强烈为含水裂隙破碎带，见部位1；

②桩号23+716～23+719雷达反射信号强烈为大面积含水裂隙破碎带，见部位2；

③桩号23+719～23+722米雷达反射信号强烈有2处含水裂隙破碎带，见部位3，4，桩号23+ 722～23+732处有几处含水裂隙，见部位5，6；

④桩号23+737～23+738处有裂隙含水，见部位6。

3.2 地震波反射法

3.2 ．1 TRT6000数据处理流程由下面八个步聚组成：

①下载地震波数据和震源、传感器位置的坐标；

②设定地层成像区域和最佳精度（节点数目）的大小；

③设定滤波，选取每个记录的直达波，并计算地震波的平均波速；

④为所选区块构建地震波速度模型；

⑤为数据处理设定过滤参数；

⑥重复步聚③，④，⑤处理数据，直到处理结果达到平衡，噪音干扰衰减到足够小；

⑦设定背景2（比例、颜色代码）来显示结果；

⑧审查和分析在岩层中探测到的异常的平面（二维）和立体（三维）绘图。

3.2 ．2 TRT6000成像图

采用相对解释原理，即确定一个背景场，所有解释相对背景值进行，异常区域会偏离背景区域值，根据偏离与分布多少解释隧道前方的地质情况。

1）一般来说，软件设定围岩相对背景值破碎、含水区域呈蓝色显示，相对背景值硬质岩石呈黄色显示；

2）从整体上对成像图进行解释，不能单独参照一个断面的图像；

3）根据异常区域图像相对于围岩背景，从背景波速分析异常的波速差异，进而判断围岩类别。

依据TRT6000地震数据处理结果并结合地质资料分析得出以下预报结果：桩号23+716～23+ 723范围内破碎，含水，详见图4。

图3 探地雷达成果图

图4 TRT6000三维侧视成果图

4 结语

通过综合物探方法探测隧洞中的不良地质体可行、有效，且在后期的工程开挖中得到了验证，为隧洞的开挖处理提供了可靠依据，避免盲目施工诱发地质灾害，可在以后的工程中广泛应用。

［1］曾昭发，刘四新，王者江，薛建.探地雷达方法原理及应

表1 实际洪水、洪水预报及修正预报结果

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