应用于隧道超前探测的两种物探方法效果比较

欧元超，田 忠

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

应用于隧道超前探测的两种物探方法效果比较

欧元超，田 忠

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001）

隧道地质灾害的超前探测一直是隧道安全施工中的技术难题。利用综合地球物理勘探手段对工作面前方进行精细探测，并及时准确的发现地质异常体对于隧道安全施工而言具有重要意义。本文将瞬变电磁和探地雷达应用于兰州某隧道超前地质探测，并对两种物探方法的探测效果进行比较分析。经实践验证，该隧道施工段地质条件更适合使用探地雷达，其能快速高效地预报开挖掌子面前方的断层、破碎带等异常地质体。同时指出了探查方法实践中存在的问题并提出建议。

超前探测；瞬变电磁；探地雷达；隧道

1 引言

2016年全国两会中提出了关于中长期高速铁路网规划，规划中的中西部地区以及城际间交通通道明显增多，全国高速铁路网纵横交错，这必将迎来基础设施建设的浪潮。中西部以及南方地区地形起伏变化大，需要修建大量隧道，但修建隧道必然会遇到许多地质问题，比如开挖前方的破碎带、断裂带、岩溶洞、地下水和高地应力等不良地质体所导致的塌方、涌水、突水、岩爆冒顶［1］等地质灾害，一直都是困扰隧道安全生产的主要问题。

2006年施工的宜万铁路马鹿箐隧道，当开挖至DK255+978时突然发生严重的突水突泥事故，造成多人死亡；2007年石太客专南庄隧道出口DIK151+603掌子面处已完成的初期支护突然发生整体坍塌，造成多人伤亡；2007年武广客专高岭隧道进口施工掌子面后方30米处发生了急剧变形，虽然进行了加固处理，但是变形依然继续加大，部分地段发生了开裂。造成这些灾害发生的主要原因是没有对隧道周围及掌子面前方的异常地质体［2］进行精确地探查，要避免这些地质灾害的发生，隧道地质灾害超前预报就显得尤为重要。现有的隧道超前地质预报主要应用探地雷达法、瞬变电磁法、高密度电法、可控源音频大地电磁法、地震法等物探［3］方法，每种物探方法的应用都依据一定的物性条件［4］，具有不同的优缺点。实践中应结合所要解决的隧道地质问题选择合适的物探方法，以期达到最好的探测效果［5］。

宝兰客运专线东起宝鸡，西至兰州，是国家中长期铁路网规划中徐兰客运专线的西段，也是国家铁路“四纵四横”客运专线网的重要组成部分。由于该地区地势地形原因，需要修建多条超长超深隧道，开挖隧道过程中需要物探手段探测施工前方是否存在地质异常体，从而提前采取预防措施。位于甘肃省兰州市八里窑镇的某隧道全长13千米，隧道分多头同时掘进以提高施工进度，该隧道开挖面主要是第四系粗圆粒土，IV级或V围岩，但其掘进中多受断层破碎带等异常地质体影响，需要进行实时探查与控制。本文结合该隧道超前探测使用的探地雷达和瞬变电磁进行应用效果分析和比较。

2 隧道超前地质探测技术

2.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法是一种时间域电磁法，它是利用阶跃波形电磁脉冲激化，用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次场断电后，地下介质就会产生感应的二次场，由于导电介质内感应电流的热损耗，二次场大致按指数规律随时间衰减，形成瞬变电磁场。二次场主要来源于良导电介质内的感应电流，因此它包含着与地下介质有关的地质信息。良导电介质较不良导电介质的二次场衰减慢［6-8］。利用线圈或接地电极观测一次脉冲电磁场产生的二次场，对所测得数据进行处理和分析，据此，解释地下介质及相关物理参数。

2.1.1 现场参数设置

现场使用TEM75瞬变电磁仪，根据隧道工作特点及工作要求，选用1.5m×1.5m四匝发射线框，1.5m×1.5m四匝接收线框的重叠回线工作装置。该方式的优点是与目的物耦合较好；发射线圈逐测点移动，不会有激发盲区；发射磁矩和接收磁矩较大；适合隧道里面的场地要求。现场进行参数调试，并自掌子面左往右连续采集顺层数据，逐点移动线框，完成顺层10个测试点数据的采集。

2.1.2 数据分析

对顺层原始数据进行处理，获得探查前方地质条件的电阻率分布剖面，图1为位于施工现场的IDK1033+990.2-IDK1034+080.2段超前电阻率剖面及解释。

开挖段地质体为第四系砂质黄土，IV级围岩。IDK1034+010.2-IDK1034+015.2段瞬变电磁剖面中的视电阻率较高即白色线圈定的范围，围岩较为完整，稳定性好，无明显物性异，推断该段围岩相对掌子面没有明显变化，施工时照常支护。IDK1034+020.2-IDK1034+040.2段瞬变电磁剖面中视电阻率有所降低，有明显物性异常，推断该段围岩相对掌子面变差，围岩稳定性降低，施工时加强支护。IDK1034+060.2-IDK1034+080.2段出现低阻异常即红色线圈定的范围，前方围岩中有可能存在裂隙带，且其中存在裂隙水，推断该处含水率增加，掘进到该位置时注意前方水情的变化。

结合开挖结果可得，瞬变电磁法探测隧道前方异常情况比较准确，可有效圈定出富水区。

2.2 探地雷达

探地雷达简称GPR，是用高频无线电波来确定介质内部物质分布规律的一种地球物理方法。由天线向目标体（隧道开挖掌子面前方围岩）发射一定中心频率的电磁脉冲波，电磁脉冲波遇到的电磁性（电阻率，介电率，及磁导率）差异分界面（断层，破碎带，溶洞等）发生反射和透射，被反射的电磁波传回地表，由接收天线接收。接收天线所接收的信号经过处理转换成时间序列信号，每一测点上的这种时间序列即构成该测点的雷达波形记录道［9-10］。对经过处理后的雷达记录剖面进行分析，就可以判定隧道掌子面前方地质情况。

（1）现场参数设置。现场探测时，使用仪器为GPR400地质雷达，通过发收天线发射和接收信号，将发射和接收面紧贴隧道掌子面从左至右进行匀速移动，从而完成前方地质条件数据采集。图2是该隧道里程为IDK1035+683.4处的雷达波剖面，其预报里程范围为IDK1035+683.4-675.4段。开挖段地质体为第四系砂质黄土，V级围岩。

（2）数据分析。其中，IDK1035+683.4-IDK1035+681.1段雷达结果剖面没有明显的反射界面，为直达波的响应范围；IDK1035+681.1-IDK1035+679.9段雷达结果剖面有明显的反射界面，追踪同相轴在隧道没有出现明显的阶跃、断轴、变形等现象出现，说明该里程范围内土层没有出现明显的变化，围岩稳定性较好，可正常掘进；IDK1035+679.9-IDK1035+675.4段雷达结果分析，剖面有明显的反射界面，追踪同相轴左侧及右侧出现明显的阶跃、断轴、变形等现象出现，说明该里程范围内土层出现明显的变化，较破碎，注意此段有裂隙或者微穴发育，同时可以明显的看到该段中部存在围岩面与掌子面斜交的情况，并且雷达波剖图右侧的波形紊乱，波能变化明显，所以该段前方的围岩不稳定，破碎严重且有可能存在小构造。图3为现场开挖结果照片，在施工出口右侧处发生2-3m³的破碎垮塌。根据施工单位提供的开挖结果，验证超前预报基本吻合。

2.3 两种方法对比

通过在隧道超前探测长期应用中的验证对比与分析，对瞬变电磁和地质雷达两种方法进行了比较，表1为方法技术的特点，可为现场探查方法选择提供参考。

3 结论

（1）地质雷达法和瞬变电磁法在隧道超前探测中具有不同的特点，其中地质雷达法现场施工较为快速，对前方地质界面及岩体破碎情况判断相对准确，但探测距离有限；瞬变电磁法对前方岩层含水特征较为敏感。由施工隧道所在地区少水，基本上是第四系粗圆粒土，IV级或V围岩，很少会有富水区，也不会有溶洞等水文地质条件，相对于瞬变电磁而言，更适合使用探地雷达进行探测，通过结合实际情况选择合适的仪器探测，以达到最优的地质解释结果。（2）两种方法均为电磁类方法，现场测试时需要避免金属类器件干扰，尽量提高现场数据采集的可靠性。对于掌子面不平整处需要结合情况进行初步整理，确保数据采集的有效性。（3）对于隧道施工而言，在地质条件复杂时可进行方法的选择和组合，对于复杂区域可采用多种探查方法进行综合探测，通过综合对比分析以实现更高精度的隧道超前预报。

表1 两种超前探测方法比较

［1］张平松，吴健生.中国隧道及井巷地震波法超前探测技术研究分析［J］.地球科学进展，2006，21（10）：1033-1038.

［2］何发亮，李苍松.隧道施工期地质超前预报技术的发展［J］.现代隧道技术，2001，38（03）：43-44.

［3］谭代明.隧道超前探水全空间瞬变电磁理论及其应用研究［D］.西南交通大学博士论文，2009.

［4］赵永贵，刘浩，孙宇等.隧道地质超前预报研究进展［J］.地球物理学进展，2003，18（03）：460-464.

［5］王齐仁.地下地质灾害地球物理探测研究进展［J］.地球物理学进展，2004，19（03）：497-503.

［6］张平松，程桦，吴荣新等.巷道掘进瞬变电磁法跟踪超前预报分析［J］.地下空间与工程学报，2013，9（04）：919-923.

［7］张平松，李永盛，胡雄武.坑道掘进瞬变电磁超前探水技术应用分析［J］.岩土力学，2012，33（09）：2749-2753.

［8］刘宗辉，林育梁.瞬变电磁法用于南方隧道超前预报［D］.广西大学硕士论文，2009.

［9］陆礼训，邓世坤，冉弥.探地雷达在隧道施工超前探测中的应用［J］.工程地球物理学报，2010，7（02）：201-206.

［10］李嘉，郭成超，王复明等.探地雷达应用概述［J］.地球物理学进展，2007，22（02）：629-637.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.115