复杂地质富水隧道综合超前地质预报技术研究

董 晋

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300000)

1 引 言

随着铁路网规模的不断扩大和“一带一路”倡议的深入实施，新建铁路项目逐渐向艰险复杂山区转移，为了保持线路的平顺性和运输安全及生态环境，隧道工程的比例越来越高，且长度和埋深不断加大。因此遇到的隧道工程地质问题也越来越复杂。在建设复杂地区的隧道工程，特别是穿越富水区域时，经常会在隧道开挖过程中遭遇大型溶洞、涌水、突泥、暗河等地质灾害。然而，由于地面勘察手段和精度的限制以及地下富水发育的不规律性，根据地面勘察资料做出的设计图纸与现场开挖情况不符的现象经常出现。因此，在复杂隧道开展超前地质预报，对富水段落的准确探测和隧道的施工极其重要。

以往隧道超前地质预报工作普遍使用单一的方法，如地质雷达或TSP，来探测前方情况。工程实践证明，采用某一种预报方法进行探测，其预报结果不能全面、准确地预报开挖面前方围岩及地下水变化情况，易造成误报、漏报现象。因此采用多种超前地质预报相结合的综合探测方法能够大大提高探测精度[1-4]。本文根据某铁路隧道的地质与水文情况，采用综合超前地质预报技术对复杂地质富水隧道进行超前探测，取得了良好的效果。

2 综合超前地质预报方法

综合超前地质预报是一种结合多种超前地质预报方法，采用将长期预报、短期预报、探水、地质反馈分析等相结合的预报方式。每类技术有各自的适用范围、敏感特性和优缺点。通过选取多种预报方法，其预报物性参数可以相互补充配合，预报结论可以相互印证，从而可以更加全面、准确地表现出来[5-8]。

2.1 TSP

TSP(Tunnel Seismic Prediction)是应用地震波在传播过程中遇到不均匀地质体(存在波阻抗差异)时会发生反射的原理，结合隧洞的特点，设计沿隧洞后方布置震源和传感器来探测隧洞前方地质条件和水文地质条件的观测系统。与常规地面地震勘探关注介质垂直变化不同，TSP更关注介质的水平变化情况。为了从地震记录中获得隧洞前方反射波信息，在数据处理过程中进行上下行波场分离并保留下行波(负视速度)，处理本质上就是压制来自测线垂向上的信息而保留来自水平方向上的反射信息。通过数据处理可以获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数等成果，以及反射层在探测范围内的2D或3D空间分布，从而了解隧道工作面前方不良地质体的性质和位置及规模[9-11]。

2.2 地质雷达

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前方围岩介质中，通过接收反射回来的电信号达到探测掌子面前方围岩情况的目的。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[12,13]。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。

2.3 瞬变电磁

瞬变电磁是时间域电磁方法的一种，通过对发射小线圈加载一个电流脉冲方波，电流脉冲方波在下降的瞬间，根据电磁感应现象，沿电流方向将产生一个向隧道围岩四周传递的一次瞬变磁场，围岩在瞬变磁场的感应下将产生涡流，而涡流大小与围岩的导电能力呈正比关系。在瞬变磁场消弱以后，感应涡流将会有一段过渡衰减过程，该衰减过程会产生二次感应磁场。使用探头或小线圈在隧道开挖掌子面捕捉接收二次感应磁场，通过接收到的磁场判断围岩介质情况[14-16]。

2.4 CFC

CFC(Complex Frequency Conductivity)是复频电导率方法的简称,是一种超前探水探测系统，它属于电磁波探水技术。岩体是具有电导率与电容率的复频电导介质，含水后复频电导率增大，本征阻抗降低。电磁波遇到本征阻抗变化的界面就会发生反射。使用100 kHz～10 MHz中频段的电磁波，利用中频探测时，入射和反射的电磁波在空间和时间上相互干涉，相干的结果在发射点与反射面之间形成驻波，有波腹点与波节点。对于含水界面，反射波具有半波损失，并且波腹点的相干条件是从接收点到反射界面的距离是1/4波长的奇数倍，波节点的条件是1/2波长的整数倍。在波腹点可得到最强的记录，获得相干频率。利用频率—距离的1/4波长原理，建立起反射波相干频率法。相干幅度的大小，反射波的强度，都与含水量相关，从而实现掌子面前方围岩含水位置与含水量的预报[17,18]。

3 工程应用实例

3.1 工程概况及地质分析

某铁路隧道工区位于安徽省黄山市休宁县蓝田镇南北坞村境内，根据区域地质资料，隧址区位于扬子准地台一级构造单元的江南台隆，多发育东西向、北北东向、山字型及多字型等构造体系。隧址区出露的地层主要为第四系残坡积层粉质黏土、细角砾土，下伏基岩为：震旦系上统皮园村组硅质岩、白云质灰岩、硅质炭质泥岩，局部夹炭质灰岩；震旦系中统休宁组砂岩，夹泥质砂岩、粉砂质泥岩等。地下水类型主要为基岩裂隙水、构造裂隙水和岩溶水，由于山体切割强烈，沟谷纵横，地下水径流途径较短，受大气降雨影响较大，局部浅埋及构造带处地下水直接接受附近地表溪流短距离补给[19,20]。根据地质调查成果，区内共有5条断层、5处节理密集发育带及多处岩性接触带，多顺沟谷走向或在线路附近穿越沟谷或地表水体，构造带与地表水可能存在一定的水力联系，易导水，为可能的涌水通道，在隧道开挖过程中可能易引发渗水、突涌水现象。依据专家风险评估，该隧道为II级高风险隧道。

通过查看该隧道纵断面设计图，该隧道施工段落XDK0+356～XDK0+140主要为弱风化砂岩，节理裂隙弱发育，岩体较完整，地下水主要为基岩裂隙水，不发育。里程XDK0+290现场开挖面揭示为：细砂岩，灰绿色，弱风化，细粒结构，薄层—中厚层结构，岩层产状95°∠66°，泥质充填，节理裂隙较发育，掌子面未见地下水。

超前地质预报方法中TSP可以进行长距离探测，对断层、破碎岩体段落探测准确度较高；地质雷达进行短期预报，其方法对围岩破碎程度更为敏感；瞬变电磁和CFC对围岩富水性的预判较为准确。综合工区现场情况，本文针对性地制定综合预报方案，选用以上四种方法进行综合超前地质预报探测。

3.2 超前地质预报观测系统布置

3.2.1 TSP现场布置

仪器设备使用TETSP-2隧道地震超前探测系统及三分量加速度地震检波器。数据共24道，采样长度170 ms，采样率0.083 ms。现场设置接收孔2个，距离掌子面约55 m，孔深1.5 m，接收孔保持水平，在隧道两侧对称位置设置，用黄泥封孔；现场布置炮孔24个，位于接收孔同一侧边墙，炮孔1距离接收孔20 m，炮孔24距掌子面1.5 m，炮孔间距1.5 m，孔深1.5 m，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 The arrangement of TSP

3.2.2 地质雷达现场布置

仪器设备使用美国GSSI公司生产的SIR-4 000型地质雷达及100 MHz屏蔽天线进行探测。根据现场探测条件，在掌子面布置了测线1条，测线距掌子面底板高度为1.5 m，测线从左至右长为9 m，地质雷达施工做业示意图如图2所示。

3.2.3 瞬变电磁现场布置

仪器设备使用HPTEM-18等值反磁通瞬变电磁系统，采集设备发射电流60 A，发射频率12.5 Hz。根据现场探测条件，从掌子面左侧开始布置测点，至右侧为止共布置8个测点，测点间隔1 m，每个测点向正前方探测掌子面岩层的电性变化情况。隧道顶板、隧道中线、隧道底板共布置3条测线，数据采集测点合计24个，瞬变电磁施工布置如图3所示。

3.2.4 CFC现场布置

仪器设备使用TD-CFC复频电导隧道超前探水系统，CFC采用一组发射电极、多组接收电极，组合成阵列观测方式。洞壁两侧对称布置；每侧5个接收电极，1个发射电极；电极间距为10 m；接收电极M1、N1距掌子面10 m，电极埋入深度1.5 m，电极与围岩通过锚固剂良好耦合，CFC超前探水施工布置如图4所示。

3.3 探测结果及分析

上述四种综合超前地质预报探测里程示意图如图5所示。

图5 综合超前地质预报示意图Fig.5 Schematic diagram of comprehensive advanced geological prediction

在里程XDK0+347、XDK0+290分别施工做业TSP和CFC，探测前方围岩情况。TSP数据通过观测系统定义→滤波→初至拾取与校正→炮能量均衡→反Q滤波→反射波提取→P、S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层等处理。图6为TSP深度偏移剖面及反射层提取图，图7为TSP波速曲线图。

图6 TSP深度偏移剖面及反射层提取Fig.6 The depth migration profile and reflection layer extraction image of TSP

图7 TSP波速曲线Fig.7 The wave velocity curve of TSP

从图6 TSP深度偏移剖面及反射层提取图可以看出,里程XDK0+267～XDK0+187段反射信号较强，存在多组明显波阻抗界面。从图7波速曲线图中可以看出，里程XDK0+267～XDK0+250段和XDK0+237～XDK0+207段纵波速度起伏剧烈，XDK0+267～XDK0+247段及XDK0+227～XDK0+200段横波速度下降明显，纵横波比明显上升，推测该段落节理裂隙相对发育，可能存在节理密集带，地下水相对发育。

CFC数据通过记录选取→数据预处理→观测系统几何位置编辑→频谱归一化→CFC电磁波速扫描→CFC合成孔径偏移成像计算等过程，成果如图8所示。

图8 CFC偏移图像Fig.8 The migration image of CFC

CFC彩色图像表示偏移成像后相干能量强度图，其中红色、黄色、绿色、蓝色条纹表示相干能量强度由强到弱，相干能量越强，反射波越强，含水可能性和含水量越高。从图8中可以看出，XDK0+225～XDK0+195段以黄绿色为主，反射波稍强，推测该段围岩节理裂隙较发育，可能存在节理裂隙密集带，地下水较发育。其中XDK0+225～XDK0+195段相干能量较强，与TSP结论吻合。XDK0+280～XDK0+225段CFC探测相干能量谱为蓝绿色，推测富水可能性较小。

为准确得出预报结论，分别于里程XDK0+280、XDK0+230施工做业瞬变电磁和地质雷达。瞬变电磁数据通过干扰校正→数据预处理→圆滑处理→反演计算等过程成果如图9所示。

图9 瞬变电磁视电阻率Fig.9 Apparent resistivity diagram of transient electromagnetic method

图9(a)为隧道中线瞬变电磁视电阻率成果图，图9(b)为结合顶板和底板数据组成隧道三维视电阻率图。据图9分析，XDK0+280～XDK0+240段视电阻率较高，推测围岩完整性较好，右边墙里程XDK0+210至XDK0+190段到左边墙XDK0+220～XDK0+200段，视电阻率明显较低，为低阻区域，疑似富水区。

地质雷达数据通过数据预处理→滤波→背景去噪→调节增益→滑动平均等处理，测线剖面成果如图10所示。

图10 地质雷达测线波形Fig.10 Waveform diagram of GPR

掌子面前方0～3 m，电磁波振幅能量较强且不连续，推测受开挖扰动所致。掌子面前方3～8 m，电磁波反射能量较弱，同相轴较连续，推测围岩较完整。掌子面前方8～22 m，电磁波出现强反射界面，同相轴局部错断不连续，波形杂乱，推测该段围岩较破碎，节理裂隙发育，易富集地下水。掌子面前方22～35 m，电磁波反射能量减弱，未出现明显反射界面，推测围岩完整性较好。

3.4 综合超前地质预报结论与实际揭露情况对比

超前地质预报施工做业后，对现场开挖实际地质情况进行跟踪并记录，综合超前地质预报结论与隧道实际开挖情况对比如表1所示。图11(a)～图11(c)分别为里程XDK0+280、XDK0+256、XDK0+218实际揭露地质情况图。

表1 综合超前地质预报结论与隧道实际开挖情况对比

图11 掌子面围岩情况Fig.11 Surrounding rock condition of tunnel face

4 结 论

1)综合超前地质预报实施探测前需充分了解相关地质区域概况等信息，结合现场实际情况选取有效的超前预报方法。并且预报人员需将地质设计图等作为参照，对现场开挖面情况时刻保持警觉。

2)TSP数据结果对围岩破碎程度敏感度较高，纵波速度变化剧烈即出现多段波阻抗界面的区域往往围岩破碎不均一，纵横波比明显上升时表明含水可能性大大增加，但易引起误判，所以需要和其他超前预报方法综合分析含水性。CFC和瞬变电磁法对富水情况探测较为准确，相干能量较强和视电阻率较低的区域易富集地下水，但其探测结果对围岩破碎程度指导意义有限。地质雷达能准确探测前方围岩破碎程度，但是否含水需其他方法辅助进行综合评价。通过上述综合超前地质预报解译，对掌子面前方的基本地质条件，包括断层、岩体破碎情况、地下水情况等可以进行精准的探测。

3)超前地质预报结果应与施工揭示的掌子面情况进行分析与对比，这样有利于及时总结经验，综合每个超前地质预报技术的特点，不断提高预报水平。

4)由于隧道地质条件的复杂性，每一种超前地质预报方法都有其适用性和局限性，为了提高预测的精度和准确率，开展综合超前地质预报技术研究是十分必要的。本文通过四种预报方法，证明综合超前地质预报技术在某铁路复杂地质富水隧道探测中取得了较好的效果，研究成果可为类似隧道工程的超前预报提供参考和借鉴。