综合物探方法在隧道突涌水致灾构造探测中的应用研究

宋 伟，邓刘洋，周桃生

(中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400037)

1 引 言

近二十年来，我国基础设施建设得到了空前繁荣的发展，特别是公路和铁路的建设，这也带动了桥隧建造技术的飞速发展和进步。随着技术的进步，我国西部山区大量的高难度交通线路也正在加速设计和建设，随之而来是大量隧道被开挖，特别是埋深大、线路长、地质条件复杂的隧道越来越多。然而西部地区水文地质条件极其复杂，各种致灾地质因素交错横生，在隧道开挖过程中极易发生安全事故，特别是突涌水事故。据不完全统计，近二十年来我国隧道工程领域中的重大安全事故有高达80 %左右是由于突涌水灾害造成的，这些事故不仅造成了大量的人员伤亡，还带来了数以亿计的经济损失，并且严重影响施工工期[1]。另外，地下水的大量流失也会严重破坏周边的自然生态环境，以及造成地表塌陷破坏人类的生存环境[2]。因此研究如何在隧道施工过程中探测出掘进前方的突涌水致灾地质构造，以便在开挖前制定有针对性的施工方案和处理措施，减少事故发生的概率和地下水流失量，对保障人民生命财产安全和保护自然生态环境具有重要意义。目前，国内外用于探测隧道前方地质构造的物探方位有多种，主要有地震波类、高频电磁波类、电法类和电磁法类，这些方法探测的距离、精度和适用对象各不相同[3,4]。在对比分析各种物探方法适用特点的基础上，结合隧道中常见的突涌水致灾地质构造结构特点，试图寻找一种适用的综合物探方案，以求提高突涌水致灾地质构造的探测准确性。并在云南南扎隧道中进行试验，分析其探测效果，为选择隧道突涌水致灾地质构造探测方法提供参考资料。

2 突涌水致灾构造分类

李术才等[5]通过对我国两百多座隧道的突涌水案例进行统计分析，将突涌水致灾地质构造主要分为3类，即岩溶类、断层类和其他裂隙类。石少帅[1]通过统计分析近五十年百余座隧道的突涌水案例，将突涌水致灾地质构造基本类型划分为裂隙型、断层型、溶洞溶腔型和管道及地下河型4类。上述两种分类方法大体相同，后一种方法将岩溶类突涌水致灾地质构造进行了进一步细分，分类更为详细。另外，随着近些年大量小型采矿场的关闭，在地下留下了许多采空区，由于以前生产管理方式落后，采掘资料混乱，现已无法准确判断采空区的位置。当采空区充水后，一旦隧道开挖导通采空区积水，后果也将不堪设想。因此，可以将隧道致灾含水地质构造大体上分为断层型、岩溶裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下河型、采空区型和其他裂隙型6种。

理论与实践表明，断层型构造具有空间展布宽，有较固定走向的特点，并且断层破碎带与周围岩体具有明显的弹性波阻抗差异，适合用地震波类物探方法进行探测；岩溶裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下河型、构造发育不具有规则性，用地震波类方法探测效果较差，适合用分辨率较高的高频电磁波类方法进行探测；采空区类构造大多具有一定的空间展布，但也存在形状不规则的情况，需采用地震和高频电磁波相结合的方法进行探测；其他裂隙类构造也部分具有一定的空间分布特征，但多数无规律可循，同样可以采用地震和高频电磁波相结合的方法进行探测。总的来说，6种突涌水致灾地质构造均具有构造发育及富水的特征，在隧道超前地质预报中采用地震类及电磁类物探方法可取得良好的探测效果。

3 物探方法原理及特点

目前，常用的隧道超前地质预报物探方法有地震波类、高频电磁波类、电法类和电磁法类。其中，地震波类方法又以TSP地震波反射法的应用最为广泛[6]；高频电磁波类方法则包括各种类型的地质雷达(收发一体天线式、收发分体天线式、合成孔径式、相控阵式等)，合成孔径雷达和相控阵雷达应用尚不成熟，收发一体式地质雷达则以美国SIR系列和中国电波所LTD系列的应用最为广泛，收发分体式雷达则以加拿大EKKO系列应用最多[7,8]；电法类方法主要为直流电法类，但由于其施工较为复杂，影响施工工期，因此应用范围不广；电磁类方法则以小线圈全空间的瞬变电磁法为主[9,10]。下面主要对TSP、地质雷达和瞬变电磁法的原理和适用特点进行分析。

3.1 TSP地震波反射法

TSP为一种多波多分量地震勘探方法[11]，其利用反射波的信息来分析隧道前方的地质情况。反射波中包含纵波和横波，纵波速度快、频率高，横波速度慢、频率低[12]。通过多时距曲线进行深度偏移可以计算出各反射界面的空间位置，利用纵横波速度可以计算出多种岩石物理参数(如泊松比，杨氏模量等)[13]。通过分析计算出的岩石物理参数和反射界面空间位置，就可以预测掌子面前方及四周的地质情况(包括断层、破碎带等的产状及规模)。TSP适合于探测断层等大型地质构造，在围岩质量很好的情况下探测距离可以达到500 m以上，在破碎泥岩中也能达到80 m左右，能够进行长距离的超前地质预报工作。

3.2 地质雷达法

地质雷达采用的是时间域脉冲雷达，将宽频带的高频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，就可以分析确定探测目标的形态及结构特性[14,15]。地质雷达法探测精度较高，但因电磁波在岩土体内衰减较快，其探测距离一般在30～50 m左右，适用于短距离构造的精细探测，特别适用于探测溶洞等不规则地质构造，也可以分析构造的富水性。

3.3 瞬变电磁法

瞬变电磁法是在不接地回线或接地线源中施加瞬间变化的电磁场源，从而在地质体中产生感应二次电磁场，接收二次场随时间变化的响应。在二次电磁场的衰减过程中，早期以高频为主，反映的是近区的地质信息，晚期以低频为主，反映的是远区的地质信息。因此，研究瞬变电磁场随时间变化规律，即可探测不同导电性介质的分布情况[16]。由于隧道空间限制，瞬变电磁法只能采用小线圈，通常采用多匝回线的形式来增加发射磁矩。其研究解决的是一个全空间电磁场问题，这一点不同于地面瞬变电磁法的半空间电磁场。瞬变电磁法具有能观测纯二次场、穿透高阻层能力强、对含水低阻体反应敏感、操作方便灵活、施工效率高和可多角度观测等诸多优点，探测距离能达到100 m左右，可以全方位探测隧道前方的地质构造富水情况[17]。但目前应用的瞬变电磁仪由于关断时间的原因，在探测前方都存在10～20 m左右的探测盲区。

从上述3种方法的适用特点可以得出如下结论：①利用TSP能够长距离探测大的地质构造，以达到控制构造整体形态、位置和走向的目的；②地质雷达可以短距离探测精细的地质构造并分析其富水性，提高TSP探测构造的解释精度，还可以弥补瞬变电磁法的探测盲区；③瞬变电磁法则可以中长距离探测隧道前方构造的富水性，从而解释TSP探测构造的富水程度，并且还可以探测隧道四周的岩层富水性。因此，可以利用TSP、地质雷达和瞬变电磁法相结合的综合物探方法在隧道的致灾含水构造探测中进行优势互补，从而提高探测的准确性。

4 试验分析

4.1 地质及地球物理特征

为分析TSP、地质雷达和瞬变电磁法相结合的综合物探方法的实际探测效果，在云南瑞丽市畹町镇新建的南扎隧道进行探测试验。该隧道位于戛中—瑞丽区间，隧道进口里程D3K319+745，出口里程D3K321+440，全长1 695 m。隧道洞身主要穿越地层岩性为白云岩、灰岩、白云质灰岩。

隧道贯穿区域属藏滇地槽褶皱系，地质构造复杂，褶皱、断裂构造发育，途经区域主要发育北东向断裂。隧道洞身穿过法帕—畹町断裂上盘，受构造影响，隧道围岩节理发育，岩体较破碎；隧道地表属构造剥蚀低山地貌，段内覆土为第四系全新统冲洪积层粉细砂、卵石土，坡洪积层粉质黏土，坡积层粉质黏土，坡残积层红黏土，下伏二叠系下统沙子坡组白云岩、灰岩、白云质灰岩。

试验段起始里程为D3K319+819，埋深286 m，现场掌子面有淋水现象，局部有节理发育。掌子面及洞身围岩为白云岩及白云质灰岩。岩性：灰色、浅灰色、灰白色，隐晶质结构，中厚层状—厚层块状。该组岩层溶蚀弱至中等发育，岩体溶蚀小孔洞较发育，含强风化带，厚度2～5 m，局部差异风化严重，最大厚度可达30 m。地表常见溶沟、溶槽及石牙等岩溶现象，地面物探及钻探未揭示有溶洞，钻探岩芯及抽水性试验结果表明，该岩层节理裂隙发育，岩体破碎，岩溶裂隙水发育，由地表水补给，地下水丰富。

一般来讲，稳定地层的物理特征在区域范围内变化不大。在隧道试验段，受构造与沉积环境影响，白云岩局部风化严重，灰岩及白云质灰岩节理裂隙发育且溶蚀现象多发，造成隧道前方围岩物性局部差异较大，同时在局部风化破碎及裂隙带中赋存水体，地球物理特征发生了显著变化。这些岩层的物性差异为TSP、地质雷达及瞬变电磁探测隧道前方地质异常体提供了地球物理探测前提。

4.2 现场布置

4.2.1 TSP现场布置

现场设置接收孔2个，距离掌子面55 m，离隧道底面1.5 m，直径40 mm，孔深2 m，垂直边墙向下倾斜10°，在隧道两侧边墙对称安装；现场布置炮孔24个，位于接收孔同一侧边墙，第一孔距离接收孔20 m，末孔距离掌子面1.5 m，炮孔间距1.5 m，炮孔直径30 mm，孔深1.5 m，垂直边墙向下倾斜10°，用水封孔。TSP现场施工布置如图1所示。

图1 TSP现场布置示意图Fig.1 Site layout of TSP

4.2.2 地质雷达现场布置

根据现场的探测条件，在掌子面布置2条测线。其中，测线1距掌子面底板高0.8 m，测线从左至右长7 m，测线2距掌子面拱顶1.7 m，测线从左至右长5 m，地质雷达现场施工布置如图2所示。

图2 地质雷达现场布置示意图Fig.2 Site layout of ground penetrating radar

4.2.3 瞬变电磁法现场布置

为有效控制掌子面前方四周的地质构造的含水情况，每次探测分水平和垂直两个方向扫描，水平方向扫描左右各50°范围，每10°一个测点，共11个测点，垂直方向相似，扫描上下各50°范围，每10°一个测点，共11个测点，瞬变电磁施工布置如图3所示。

图3 瞬变电磁法现场布置示意Fig.3 Site layout of transient electromagnetic method

4.3 探测成果分析

数据依次采集完后，分别进行处理成图，地质雷达、TSP和瞬变电磁法探测成果依次如图4～图6所示。

图4 地质雷达探测成果Fig.4 Results of ground penetrating radar detection

图5 TSP探测成果Fig.5 Results of TSP detection

图6 瞬变电磁法探测成果Fig.6 Results of transient electromagnetic method detection

从TSP探测成果图中可以看出在掌子面前方25～45 m范围内存在多个反射界面，并且有正反相位反射波交替出现，说明此段可能存在断层破碎带或岩溶裂隙带。另外在掌子面前方100 m外也出现几处反射界面，推测岩体裂隙反应，但因距离较远，反演结果可靠性不高。地质雷达测线1和测线2探测成果各圈定2处异常，其中Y1和Y3、Y2和Y4异常在空间分布上较为接近，从Y1和Y3异常可以看出在隧道偏左侧前方20 m存在一个强反射界面，并且在20～40 m范围内衰减较快，此异常范围也与TSP探测结果较为对应，但未见连续较长的反射界面，因此推测此段范围存在岩溶裂隙，且富含一定量的水。从Y2和Y4异常可以看出，反射波同相轴不连续，但横向范围较小，推测隧道右侧前方0～20 m范围围岩较为破碎。瞬变电磁法水平和垂直向探测结果中各圈定异常1处(DY1和DY2)，两处异常在空间位置上较为对应，因此推在隧道偏左侧0～25 m范围、前方20～55 m、上下-5～10 m范围内存在1处含水构造，并可能在隧道左侧向外继续延伸，此处异常也与地质雷达及TSP探测异常位置相对应，因此推测该处异常为岩溶裂隙含水构造，并且可能在隧道前方左侧存在地下水补给通道。根据上述综合探测结果，在隧道左侧水平偏左5°和10°施工两个探放水钻孔，两个钻孔分别在钻进26 m和24 m后出水，出水量最高达到97 m3/h。

图7 钻孔出水现场照片Fig.7 Borehole drainage site photo

5 结 论

1)通过分析将隧道突涌水致灾地质构造分为断层型、岩溶裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下河型、采空区型和其他裂隙型6种类型，并指出了6类型的结构特点和适用的物探方法。

2)对比分析了目前用于隧道地质构造探测的主要物探方法的适用特点，提出应用TSP、地质雷达和瞬变电磁法相结合的综合物探方法来探测突涌水致灾地质构造，充分利用TSP长距离大构造探测、地质雷达短距离小构造精细探测和瞬变电磁法中长距离富水性探测的优势，实现各种方法长短结合、优势互补，并且可以相互验证，从而提高探测的准确性。

3)通过南扎隧道的探测试验，成功探测到岩溶裂隙含水构造1处，并经打钻验证了探测结果的准确性。试验表明，TSP超前探测法在地质异常界面有明显反应，可圈定岩性异常变化带；地质雷达法在探测范围内对岩性分布、变化有更高的辨识度，可进一步精细圈定构造发育范围；瞬变电磁法对低阻体敏感，可探测前方富水体；综合物探手段发挥了TSP大范围的预报能力、地质雷达高分辨能力及瞬变电磁法的探水能力，精确预报了富水地质异常体，为钻探工作提供了精准靶区，提高了隧道超前地质预报的精度与效率；应用TSP、地质雷达和瞬变电磁法相结合的综合物探方法来探测突涌水致灾地质构造是行之有效的，可为今后的隧道突涌水高风险段超前物探工作提供参考。