地质雷达和TGP地震波法在高家坪特长隧道岩溶探测中的应用

彭 程

(中铁十一局集团公司 勘察设计院，湖北 武汉 430074)

1 引 言

随着国内外工程技术的进步和对地质灾害的重视，地质灾害预报探测技术在工程设计施工中受到了越来越多的关注。目前国内外主要的隧道岩溶水灾害预报方法有物探化探法、地质法及钻探法等[1-4]。而针对岩溶水的地球物理探测，主要采用高密度电法、地质雷达、瞬变电磁法及三维高分辨地震法等方法技术，这些方法技术在实际应用中取得了较好的探测效果[5]。乔锋[6]利用地质雷达手段对某高速公路隧道的岩溶位置及腔内填充物进行探测；李文文等[7]采用地震波CT、孔内雷达等方法探明了岩溶空间的分布和规模；马锦国[8]、李良泉[9]应用综合物探法全面系统地探明了铁路基底岩溶；朱自强[10]、吕明等[11]采用大地电磁、高密度电法、地质雷达、地震波法等综合物探方法对隧道岩溶发育情况进行勘察；晏军[12]论述了岩溶隧道超前地质预报方法的理论依据和方法选择，并以九衢铁路何家隧道为例验证了方法的适用性和准确度。秦浩靖[13]综合运用TGP、瞬变电磁法、地质雷达法等方法成功预报了平阳隧道中的含水地质体。

早期对宜城至保康段高速公路中的高家坪隧道的岩溶地下水系统的调查表明，该隧道的多个里程段与岩溶地下暗河或管道系统相交，存在突涌水风险，需在超前探测的基础上进行防排水预案。因此本文以该隧道的Zk45+705～Zk45+845里程段为研究对象，采用超前地质雷达和TGP地震波超前预报相结合的综合物探法，探明了岩溶管道发育情况，为防排水预案提供了指导。

2 工区地质

麻城至竹溪高速公路是湖北省“七纵五横三环”主骨架公路网规划中的第一横，是横贯湖北省中北部的一条东西向省际通道，其中宜城至保康段起于襄阳市宜城市小河镇，对接麻竹高速公路襄阳东段。宜城至保康段高速公路位于新华夏系第三隆起带与淮阳山字型西翼反射弧东段的复合部位，广泛出露二叠系—三叠系碳酸盐岩地层，地质构造复杂，岩溶极为发育，除了普遍发育的溶沟、溶槽、石牙、落水洞、岩溶洼地等地表岩溶形态外，还有少量的溶丘、峰丛及溶蚀沟谷等，地下岩溶形态则有地下暗河、岩溶洞穴及地下岩溶管道等。宜保高速高家坪隧道设计为分离式隧道，左线进出口里程桩号为Zk44+636～Zk47+941，中心桩号为Zk46+293，全长3 305 m；右线进出口里程桩号为k44+634～k47+949，中心桩号为k46+294，全长3 315 m，该隧道属特长隧道。工区复杂的地形地貌、地质构造和岩溶发育条件，对高家坪特长隧道的勘察、设计和施工等各方面都具有严峻的挑战。

3 综合物探方法

3.1 超前地质雷达法

地质雷达是采用电磁法进行探测的技术，其原理为发射出的具有一定中心频率的电磁脉冲波在岩石介质中进行传播时，由于岩石介质的电磁性差异导致分界面处发生反射及透射，反射回的电磁波信号由接收天线进行接收[14]。在对接收到的信号进行数据处理后即可得到地质雷达剖面，通过与地质资料相结合进行异常特征解释，从而推断出岩石介质的岩体结构特征或含水信息等[15,16]。

采用瑞典MALA GEOSCIENCE公司生产的ROMAC/GPR地质雷达对研究工区进行地质超前预报，配中心频率为250 MHz的屏蔽天线。采用点测方式进行采样，点距为0.5 m；记录时窗w=400 ns，32次叠加，采样率为1024点/道。数据处理方法主要有背景去除、偏移、增益、滤波、变换、反褶积、道间均衡、子波相干加强等。

3.2 TGP 地震波超前预报

图2 高家坪隧道Zk45+725～Zk45+755 掌子面中部地质雷达波形Fig.2 Geological radar results of Gaojiaping tunnel face at Zk45+725～Zk45+755

TGP地震波超前地质预报在隧道中的应用主要利用的是地震波反射和绕射原理，目的是对隧道掌子面前方的地质体进行探测[17]。地震波在岩石介质的传播过程中，当声阻抗界面相对较大时,产生反射波;当声阻抗界面较小时,产生绕射波，这两种波统称为地震回波[18]。利用地震仪器采集到隧道围岩界面的地震回波，通过对数字信号进行处理，在结合前期地质勘察的基础上，对界面位置、空间分布等进行分析，从而实现隧道施工超前地质预报[19,20]。

采用地震波法进行数据采集时，在距离掌子面5～10 m处,以1.2 m高度和1.5 m的间距将24个激发孔连续布置在构造界面与隧道夹角小的一侧洞壁，在隧道左右洞壁约20 m处各布置一个接收孔。

4 应用实例

4.1 地质雷达法的应用分析

研究工区Zk45+705～Zk45+845隧道段位于宜保高速公路高家坪隧道左线，根据前期岩溶水文地质调查结果分析，该隧道段平面上可能与岩溶管道相交，存在岩溶突水突泥的风险。对Zk45+705～Zk45+755段隧道施工掌子面采用地质雷达进行超前探测，地质雷达波形图如图1和图2所示。从图1高家坪隧道进口左幅Zk45+705～Zk45+725 地质雷达波形图可以看出，该隧道段范围内反射波呈中低—中频较弱反射，同相轴连续性较好，反射能量不均匀；从图2高家坪隧道Zk45+725～Zk45+755 掌子面中部地质雷达波形图可以看出，该段隧道范围内右侧反射波呈中高频强反射，同相轴连续性较好，反射能量不均匀，左侧反射波呈中—中高频强反射，同相轴连续性较好，反射能量不均匀。

图1 高家坪隧道进口左幅Zk45+705～Zk45+725 地质雷达波形Fig.1 Geological radar results of Gaojiaping tunnel left tube at Zk45+705～Zk45+725

地质雷达预报结果表明：Zk45+705前方20～30 m范围内(Zk45+725～Zk45+735)岩体节理裂隙发育，且可能发育有溶洞。据此建议采用超前水平钻探或加长炮孔等钻探手段加强掌子面前方岩溶发育情况的探测，后期施工揭示了Zk45+725处发育一沿走向的大型溶洞(图3)。考虑到Zk45+725溶洞为干溶洞，且有钟乳石发育，分析认为其为早期岩溶管道，推测隧道底板下方还发育有充水岩溶管道。

图3 高家坪隧道进口左洞Zk45+725掌子面照片Fig.3 The face pictures of left tube of Gaojiaping tunnel at Zk45+725

4.2 TGP地震波超前预报应用分析

为了进一步探测隧道底板岩溶发育情况，采用TGP地震波法对Zk45+725～Zk45+845段进行预报，TGP地震波法探测成果如图4～图6所示。图4为纵、横波绕射偏移成果图，其表征隧道掌子面前方岩体中构造面的存在、规模和性质。图中横坐标表示隧道里程，纵坐标表示隧道掌子面前方岩体的厚度,单位均为m；右下角色标表示反射波的极性，“0”处绿色为中点，0以上为正极性，表示岩体较好，0以下为负极性，表示岩体较差。从图4中左侧的纵波绕射偏移图可看出，Zk45+725～Zk45+760段存在连续强反射，推断围岩节理裂隙发育，岩体破碎完整性较差。

图5 反射界面俯视、侧视图Fig.5 Top view and bottom view of reflective surface注：蓝色代表纵波；红色代表横波

图6 比速度及反射符号分布Fig.6 Ratio velocity curve and the distribution of reflected signals注：图(a)中蓝色代表纵波速度，红色代表横波速度；图(b)中蓝色表示纵波速度界面分布情况，红色表示横波速度界面分布情况,紫色为蓝色与红色的叠加

图5为反射界面俯视图和侧视图，其中反射界面俯视图反映了构造走向，反射界面侧视图反映了构造倾向；图6的比速度及反射符号分布图则反映了纵波、横波的波速变化及反射极性；反射符号分布图中X坐标轴上方线段表示正反射，表示反射构造面岩体相对较好，X坐标轴下方的线段为负反射，表示反射构造面岩体相对较差。

根据TGP地震波法预报结果(图4～图6)以及现场岩溶发育情况分析可见,高家坪隧道进口端左洞Zk45+725～Zk45+845 段可能岩溶发育主要集中在Zk45+725～Zk45+760 段，可分为以下2段：1)Zk45+725～Zk45+744段，该段溶洞主要分布于掌子面右侧，沿洞轴线方向长约为12 m，高约为8 m，水平方向以隧道右侧洞壁为分界面,平行于掌子面方向延伸4 m 左右，右侧延伸较长；该段岩溶发育范围随着长度、高度的增加逐渐减小，逐渐变为溶蚀裂隙。2)Zk45+744～Zk45+760段，该段岩溶延伸方向主要为垂直于洞轴线方向，长度约为8 m，宽度与高度均较小，多在1 m 以下，且该段溶蚀裂隙较发育。

后期施工现场揭示多处岩溶现象，在Zk45+753的位置出现向下方连通的溶槽、落水洞，在Zk45+770的底板位置出现深约8 m的溶洞，并水平向前延伸约14 m，溶洞内有3个落水洞，2个连接溶洞上方，1个向下延伸。

5 结 语

本文采用地质雷达和TGP地震波法相结合的综合物探法对研究工区进行了探测。地质雷达探测结果首先揭露了Zk45+725～Zk45+735里程段岩体节理裂隙发育，可能含有溶洞，并推测该里程段隧道底板下方还发育有充水岩溶管道；为进一步探测隧道底板岩溶发育情况，随后采用TGP地震波法进行探测，对Zk45+725～Zk45+744段和Zk45+744～Zkk45+760段分别进行了岩溶发育情况分析，后期施工过程中也揭示了Zk45+753的位置出现向下方连通的溶槽、落水洞，Zk45+770的底板位置出现溶洞。结果表明，对研究工区复杂岩溶发育情况进行探测时，地质雷达和TGP地震波法相结合的综合物探法比单一方法，更具有有效性和准确性。

根据对研究工区岩溶情况的探测分析可得出，工区岩溶发育程度较高，涌水量较大，可能有一定的水压力，故可采取引排施工的处理方案，即在隧道底板设置排水涵道，连通溶洞两侧的涌水点和消水点，隧道段采取全封闭抗水压衬砌。