震波超前探测技术在水工隧洞地质预报中的应用

史玉洁，朱建文

（1.山西省中部引黄工程建设管理局，山西 太原 030012；2.山西中部引黄水务开发有限公司，山西 太原 030012）

1 工程概况

中部引黄工程西干输水隧洞主要位于柳林泉域范围内，根据工程施工支洞已开挖的隧洞围岩，揭示工程主洞围岩主要为节理发育、围岩较破碎且伴有渗水。施工过程中对渗水点（带状）进行封堵处理，并根据出水量投入相关的设施进行抽排作业。洞内正常作业时，下游掌子面底板出水点突发涌水，洞内积水急剧增加，经过不到一天时间，水位稳定在支洞桩号K1+065 处，斜长达250 m，水头高达88 m。根据现场涌水测试、过程分析及实际排水效果，估算下游突水点涌水量为495 m3/h（包含补给水源）。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

西干线输水隧洞从吕梁山南麓穿过，沿线地形起伏较大，河流及冲沟发育，最高山峰为木孤台，山顶高程为1976 m，隰县出水口昕水河河床高程为920 m，相对高差约1050 m。其中西干线起点至暖泉段为侵蚀构造山区，地面高程为1100 m～1640 m；暖泉至隰县段为低山及黄土塬区，地面高程为922 m～1225 m。沿线主要河流有南川河、暖泉河、东石羊河、龙交河、屈产河及城川河等，均为黄河水系；较大的冲沟主要有韩尾沟、老羊头沟、炭窑沟、岔沟、干河沟、前岔沟、玛瑙沟、小沟、寺沟等。

2.2 地层岩性

2.2.1 沿线钻孔岩芯采取率及RQD

本次勘察隧洞沿线共计10 个钻孔，钻孔岩芯采取率及RQD 统计结果见表1，从中可以看出，三叠系地层、奥陶系下统、寒武体上统地层岩芯采取率及RQD 值较高。需要说明的是，由于已完成的钻孔数量较少，且揭露到所统计地层的钻孔数量不均匀（如石炭系地层仅有1 孔揭露），加之钻孔大多位于沟内，可能受到构造及应力影响，故该项统计表有一定片面性。

表1 西干沿线钻孔岩芯采取率及RQD 值统计表

2.2.2 沿线钻孔声波测试成果

本次勘察西干沿线共有9 个钻孔进行了围岩岩体声波测试试验，测试成果见表2。据中庄ZK11D-1 号钻孔围岩岩体声波测试成果资料，该段隧洞围岩岩体纵波波速为3161 m/s～3489 m/s，平均值为 3377 m/s。

表2 中庄ZK11D-1 钻孔（桩号28+836）声波测试成果统计表

3 探测目的及任务

采用震波超前探测技术对8#支洞下游桩号20+851 处掘进迎头进行补充地质勘探，探测范围为100 m。

4 技术原理及设备参数

4.1 地震勘探技术原理

震波勘探是以不同岩性的岩层具有不同的弹性的事实为依据的。反射共偏移探测技术是依据反射波勘探原理见图1。

图1 共偏移距记录野外施工示意图

图2 为共偏移法现场施工示意图。适用于矿井煤岩巷道或工作面构造及异常地质体的调查工作。

图2 单道观测系统波路图

根据反射波勘探原理，以水平反射界面为例，则单道观测系统有相应波路图（图3），且它的时距曲线方程为：

式中：x 即为偏移距，v 为探测介质的地震波波速，t 为地震波旅行时间，而h 是目标体的界面深度，是需要求解的。

图3 共偏移巷帮测线布置

4.2 地震勘探仪器参数

本次探测采用国内先进矿井地质探测仪，采用设备参数设置为：触发电压，0.5 V；最小源间距，2 m；道间距，1 m；移动步距，2 m；通道数，采用通道数为3 道。

5 工作方法及工作量

5.1 震波超前探测技术工作方法

采用反射共偏移法（见图4）进行观测，锤击方向和检波器方向一致。

图4 现场布置示意图

掘进迎头超前探测时，在平面范围内朝多个方向进行探测，以获得掘进迎头前方尽可能完整的地质信息（见图5）。

图5 掘进隧道迎头超前探测示意图

5.2 震波超前探测技术工作量

该隧道掘进前方中心线上设置侧线，探测隧道方向100 m范围内，测线上布置19 个锤击点，每个锤击点为3 道数据，共计57 道。

5.3 震波超前探测干扰分析及数据质量

本次探测作业时，各方积极参与大力支持，尽可能减少各种干扰，现场较好，锤击能量较大，激发条件好，震动干扰小，数据可靠。

6 物探解释成果及建议

本次探测灰岩、白云岩波速采用经验波速4500m/s。图6 中指示区域为解释的波形异常区域。

图6 震波超前探测成果解释示意图

探测范围内存在两处波形异常界面，位置如下：

Ⅰ号反射界面：掘进前方48 m 附近（标示位置）；

Ⅱ号异常区：掘进前方80 m～95 m 范围（圈定范围）；

Ⅰ号反射界面相对于其他探测断面，反射系数较大，波形有一定变化，通过分析相关条件，可以得出Ⅰ号异常区主要为灰岩、石灰质白云岩、白云岩岩层界面或局部节理裂隙发育形成较强反射所致；该异常区位于隧道掘进迎头的正前方向，对该区域请予以重视；

Ⅱ号波形异常区相对于其他探测范围，波形有较大变化，通过分析相关条件，可以得出II 号异常区主要为岩层界面或局部节理裂隙发育形成较强反射所致，有存在溶洞的可能；该异常区位于隧道掘进迎头的正前方向，对该区域请予以重视。

7 结论及建议

采用震波超前探测技术对主洞桩号20+851 处掘进迎头进行超前探测，通过对数据解释，结合现场地质情况，综合分析探测范围（前方100 m 范围）的水文地质情况，具体结论见表3。

表3 主要相对低阻异常区一览表

异常界面在隧道掘进迎头的正前方向,分析为受岩层界面或节理裂隙发育影响，局部有溶洞发育可能，有涌水可能，采取钻探等其他探测方法进一步验证，并进行超前处理措施，确保掘进安全。

地震超期探测成果图中解释的异常界面位置主要受岩层波速的影响较大，因本次探测岩层柏采用经验波速4500 m/s，探测距离会有一定误差，待探测揭露进行验证，对波速予以修正，提高后续的探测精度。对于测得的波形异常区域或界面，请施工方加以重视，应采取钻探等其他方法进一步验证。将探测和验证结果进行对比，完善地层的波形变化特征和实际地层特性的对应关系。

隧道继续掘进时，对异常区域予以重视，提前做好预防措施，尤其是强排水设施布置，确保及时排水，保证安全。

探测距离的延长，分辨率也有一定的下降，根据探测结论，建议向前掘进探测距离的70%～80%时，在对隧道前方进行物探，根据探测结果对掘进方案适时调整，以应对相关不良地质情况。

8 结语

本次隧道掘进迎头综合物探技术超前探测项目，了解了迎头正前方100 m 范围内岩层波形变化情况，划分出了重点防治范围，为下一步施工过程中防治水提供科学依据。结果可为类似水利隧洞工程穿越复杂地质提供参考。