岩溶隧道超前地质预报几种主要物探方法的选择与实践

随着我国交通工程建设的发展,在铁路、公路及水利工程建设中,经常会遇到地质构造复杂、岩溶发育的隧道。岩溶隧道施工过程中易发生突水、涌泥等安全事故,有极高的安全风险。传统地质勘察采取钻探与物探相结合的方法,但受限于复杂地形条件下深部岩溶探测,尚无法反馈全面的空间地质;物探成果受岩性构造和岩溶复杂性的影响,具有多解性,需结合超前地质预报资料进一步验证。

隧道超前地质预报是利用地质勘察技术超前探测隧道掌子面前方的地质条件,预测可能的风险源，作为施工动态设计的依据,提前做好预加固措施,从而达到隧道施工防灾、减灾的目的。超前地质预报在隧道内实施,受地形影响较小,采用隧道导坑超前水平钻与物探超前地质预报方法,能较为准确地查明岩溶和岩溶水的发育程度。针对超前地质预报，文献 ^[1] 也提出了“地质素描、物探与钻探相结合,长短距离预报相结合,预报资料与地质分析相结合”的要求。文献 ^[2] 提出了利用地球物理探测定性识别和定量预报不良地质体的空间位置、赋存状态和充填特性的精准预报方向。

超前地质预报的物探方法有多种,根据研究目的不同,理论原理、探测距离和适用范围也不相同。文献 ^[3-5] 阐述了在超前地质预报中采用TSP法与地质雷达法、钻探、地质分析和施工开挖相结合的方法验证预报成果;文献 ^[6-8] 阐述了采用瞬变电磁法与超前钻探验证预报成果的方法;文献 ^[9] 采用地质雷达法与瞬变电磁法、钻探、施工开挖相结合的方法验证了预报成果;文献 ^[10-12] 提出了TSP法与地质雷达法、红外测水法、钻探相结合的综合超前地质预报方法。这些预报方法在一般隧道和特定的岩溶隧道地质预报中取得了一定成果。

但在岩溶隧道超前地质预报中,由于岩溶发育空间分布的复杂性和岩溶含水介质充填物的多样性,单一的超前地质预报方法都具有局限性。如何针对岩溶的地球物理特征,选择适用的地质预报物探方法或组合,对于提高预报成果的准确度非常必要。

本文以九景衢铁路何家隧道为例,详细论述了何家隧道在施工过程中采用的多种超前地质预报方法组合实施过程,采用综合超前水平钻孔验证了TSP法、地质雷达法和瞬变电磁法等多种物探方法预报成果，采用钻探成果与物探成果图像叠加,进行有效探测距离、岩溶地球物理特征的适用性和预报成果的准确度等对比分析,验证并总结了几种主要物探方法的适用性和成果准确度,以期为岩溶隧道施工提供一种高准确度的超前预报成果,确保施工安全。

地球物理勘探是利用地球物理的方法来探测地层、岩性、构造等地质问题,简称物探。根据探测地点,物探方法可分为地表探测和隧道洞内预报2类。地表探测主要在勘察阶段采用,隧道洞内物探主要在施工阶段采用。地球物理特征主要是重力特征、磁性特征、电性特征以及地震的波动特征。以地球物理特征为基础,物理勘探类型主要有电法勘探、电磁法勘探和地震勘探等 ^[13] ,其主要方法与应用范围见表1。

由于岩溶的复杂性和特殊性,各种物探方法的地球物理特征也不同。岩溶地质体在电法勘探中电性差异明显,且要求被测岩溶地质体具有足够的范围和厚度,适合地表大面积岩溶地质勘察;岩溶地质体在电磁法勘探中视电阻率相对周边围岩呈低阻,适合地表和隧道洞内岩溶等不良地质体的勘察;不良地质体在地震勘探中,存在波速和波阻抗差异,用以探测岩性分层界面,适合地表和隧道洞内地质分层界面的勘察。

超前地质预报物探主要采用电磁法勘探和地震勘探,一般采用TSP和地质雷达的物探方法进行探测,在岩溶发育地段或突涌地段采用瞬变电磁法和红外测水法进行探测。

TSP( tunnel seismic prediction)地震波探测法采用地震反射波原理,地震波由炸药激发产生,地震波传播遇到岩石波阻抗差异界面时,一部分地震信号反射回去,一部分信号透射进入前方介质,反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。数据通过TSPwin软件处理,根据反射波纵波波速Vp和横波波速Vs在不同介质中的变化,计算出介质密度和泊松比等,预测出隧道工作面前方围岩性质的变化位置。纵波波速Vp和横波波速Vs计算分别见式(1)和式(2)。

TSP法是国内外最普遍的隧道超前预报方法,一般适用于隧道围岩类别预报,对断层破碎带、岩性接触带等规则不良地质体预报效果较好,预报长度为100~200 m。在岩溶、破碎岩层等不良地质地段,Vp/Vs均大于围岩岩体完整地段,因此难以对岩溶和岩层破碎带进行区分,需要辅助其他物探方法进行验证。

地质雷达法( ground penetrating radar methods)利用脉冲雷达反射波原理,以超高频电磁波作为探测场源,由一个发射天线向地下发射一定中心频率的无载波电磁脉冲波,另一天线接收由地下不同介质界面产生的反射回波,电磁波在介质中传播时,其传播时间、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及测试目标体的几何形态的差异而产生变化,根据接收的回波旅行时间、幅度和波形等信息,计算出介质的相对介电常数,可探测地下目标体的结构和位置信息。回波旅行时间t、波速v和相对介电常数εr计算见式(3)和式(4)。

地质雷达法的特点是高采样率、宽频短脉冲、高成果分辨率。在岩溶地下水、断层破碎带等不良地质地段和围岩岩体完整地段的相对介电常数εr具有较大的差异,易于区分,介质的含水量是影响介电常数的主要因素。地质雷达天线一般采用100 MHz的低频天线,有效预报长度仅25 m,探测范围有限,适用于近距离探测破碎带、溶洞、隧道衬砌后空洞等,效果明显。

红外探水法利用红外辐射强差异原理,接收不同介质的红外辐射场的变化和接收曲线的红外异常来判断含水层。该方法是一种相对测量,只能定性推断前方有无含水体,不能探测含水体的空间位置和含水体大小。适用于深埋岩溶隧道掌子面前方或隧道基底含水体探测,有效预报长度仅30 m,不适用于浅埋岩溶隧道掌子面前方含水体探测。

瞬变电磁法(transiene electoro magnetic methods)是一种时间域电磁法,主要采用电磁感应原理,利用不接地回线发送回线上电流脉冲方波,产生向回线法线方向传播的一次磁场,地质体将产生涡流,涡流衰减过程产生衰减的二次磁场。二次磁场随时间衰减的规律主要取决于异常体的导电性、体积规模和埋深以及发射电流的形态和频率。二次磁场的变化将反映地质体的电性分布情况。根据法拉第电磁感应定律,随时间变化的磁场B(t)和线圈中产生的感应电动势V(t)计算见式(5)和式(6)。

根据理论公式,结合瞬变电磁法,推导出传播深度d 和传播速度Vz分别见式(7)和式(8)。

瞬变电磁法尤其适合对低阻体反应敏感的地质条件进行探测。对于掌子面前方存在富水溶洞时,视电阻率等值线会在溶洞所在区域发生弯曲,且在该处视电阻率值较其他区域明显偏低。在地表勘探时,其有效预报距离可达数百米;在隧道内受空间限制,洞内预报距离一般不大于80 m。输出成果分辨能力强,能直观描述岩溶形态,但是对电力和通信信号等电磁场的抗干扰能力差。

另外,还有VSP法、电磁波CT法等物探方法,应用较少。

需要依据探测距离、岩溶的规模以及岩溶的地球物理特征进行岩溶隧道超前地质预报物探方法选择。在复杂岩溶地段,需要选择物探组合方法,进行相互验证。

隧道超前地质预报物探方法根据探测距离分为长距离和短距离2类。长距离物探方法有TSP法和瞬变电磁法,短距离物探方法有地质雷达法和红外探水法。

根据勘察地质资料、岩溶发育规模和探测距离的需要,各物探方法的有效距离对比见表2。

因岩溶类型、空间分布和含水介质充填物的多样性,岩体、土层、破碎带、岩溶洞穴、岩溶裂隙和岩溶充填物等不同介质体的地球物理特征参数存在明显的差异。常见岩溶介质体地球物理特征参数见表3。

隧道超前地质预报物探探测的目的一般有2种:1)查明掌子面前方的围岩地质情况,围岩分级有无变化,有无不良地质体等,以预防崩塌、变形等灾害;2)根据地质勘察资料,已知掌子面前方的围岩有岩溶、断层破碎带等不良地质体发育,需进一步查明准确的岩溶或破碎带空间分布、溶洞充填物以及岩溶水或断层构造裂隙水情况,主要为预防突水、涌泥等灾害。

由于岩溶发育空间分布不规则、溶洞充填物岩土性质不均一和岩溶水发育等因素,采用通常的超前地质预报物探方法难以查明,需依据岩溶地球物理特征选择适用的物探方法准确地查明岩溶的空间分布、溶洞充填物以及岩溶水等情况,为隧道施工措施提供准确的超前地质预报成果。

依据岩溶的地球物理特征,各物探方法的适用范围见表4。

单一的超前地质预报方法都具有局限性,难以应对岩溶隧道的复杂地质条件和施工高风险。因此,采取地面勘察与洞内探测相结合、物探与钻探相结合、长距离与短距离相结合的措施,各种方法相互验证。

探测组合包括地质素描、物探、钻探和水文监测4个项目,地质素描、钻探和水文监测是常规项目,方法单一,物探方法多,探测长度不一、适用范围不同。对于复杂的岩溶隧道,一般需根据岩溶发育范围、规模、类型选取距离不同和探测目标不同的2种或2种以上的物探方法进行组合,相互验证。

岩溶隧道超前地质预报物探一般有以下几种组合方法。

1 )TSP法+地质雷达法。TSP法适用于隧道围岩类别预报,探测距离为100~150 m;地质雷达法探测破碎带、空洞等效果明显,探测距离为20~30 m。该组合方式长短结合,是一般简单岩溶隧道通用的组合方式，适合岩溶发育范围小于20 m的弱发育地段。

2 ) TSP法+红外探水法。红外探水法探测掌子面前方含水体效果明显,探测距离为30 m。采取长短结合的方式,主要针对岩溶水设计,适合小规模岩溶水发育地段。

3)瞬变电磁法。对低阻体(岩溶)反应敏感,有效预报距离可达80 m,由于对电流抗干扰能力差,应与地质雷达法配合使用,适合大型岩溶强发育地段。

综合上述方法分析可知,对于复杂岩溶隧道超前地质预报,单一的物探方法都具有局限性;瞬变电磁法适合大型岩溶发育强发育地段。

九景衢铁路何家隧道位于浙江省常山县境内,全长3 158.14 m,隧道最大埋深约310 m。隧道地质条件复杂多变,分布有泥盆系、石炭系和寒武系地层。隧道穿越3条区域构造断层,围岩岩性包括灰岩、砂岩、炭质页岩及煤层。不良地质有岩溶、采空区和含煤瓦斯地层等,属于高风险隧道。其中,F2 断层附近DK262+700~+850段,为断层带和岩溶发育段落。进口端开挖至DK262+738时,掌子面揭示围岩为炭质泥岩、炭质砂岩、粉砂岩,强风化,节理裂隙发育,围岩破碎,F2断层破碎带特征明显,加深炮孔有地下水流出，涌水量为70~80 m3/h;出口端掌子面开挖至 DK262+822时,掌子面揭示围岩为灰岩,弱风化,节理裂隙较发育,围岩较完整,加深炮孔有地下水及泥浆流出,涌水量为80~100 m3 /h。

在大量收集、分析既有区域地质资料的基础上,通过遥感解译、大面积测绘、断层追索和现场调查以及高密度电法、大地电磁测深等综合物探手段对隧址区进行勘察。在对物探异常解译的基础上,结合钻探资料对异常进行综合解释,基本查明了岩溶的分布范围、断层特性及产状。勘察成果揭示DK262+713.45~+761为F2断层带,逆断层,上盘为砂岩,局部夹泥质粉砂岩,破碎;下盘为灰岩,破碎—较破碎,岩溶发育,溶洞充填粉质黏土,流塑状,局部夹碎石、岩块。DK262+738掌子面涌水为断层构造裂隙水,最大涌水量为80m3/h。DK262+700~+850灰岩段串珠状溶洞发育。

根据地质勘察资料,超前地质预报需要查明DK262+738~ +822段断层与溶洞的空间分布和关系，范围和精度需满足工程加固措施要求。

现场设备采用TSP200超前地质预报系统,采样间隔62.5μs和 125μs,最大记录时间长度为1 808.5 ms ,动态范围为120 dB。接收器灵敏度为(1 000 +50 )mV/g,频率范围为0.5~5 000 Hz,共振频率为5 000 Hz。数据采集和处理及分析采用TSPwin Light 软件。

测线布置在隧道出口端 DK262+880处,进行TSP超前地质预报。2个接收器分别设在 DK262+925处左右边墙,采集震动信号。在隧道左边墙布置炮孔20个,炮孔直径38 mm ,孔深1.5 m,水平间距1.2 m,最近炮孔距接收器10 m,炮孔装药量100 g。

TSP法探测预报结果为: 1 )DK262+880~+843段隧道围岩较破碎,节理裂隙较发育,风化程度中等,判定为Ⅲ级围岩;2)DK262+843~+815段探测强反射面密集发育,预测隧道围岩破碎,节理裂隙发育,可能存在软弱夹层,围岩不稳定,判定为Ⅳ级围岩;3 ) DK262+815 ~+760段探测强反射面密集发育,预测隧道围岩破碎,节理裂隙密集发育,围岩稳定性差,推测为构造破碎带,局部可能有地下水发育,开挖后易出现掉块和塌方,判定为V级围岩。TSP探测结果见图1。

当掌子面开挖至DK262+822时,掌子面地质素描揭示围岩为灰岩,弱风化,围岩较完整,但加深炮孔出现涌水,水文监测涌水量为80~100 m3/h。

由于TSP法不能区分岩溶和断层破碎带,因此针对岩溶地段,补充了超前水平钻+瞬变电磁法+地质雷达法组合。

地质雷达法现场采用瑞典MALA 第4代雷达探地系统,配置100MHz屏蔽天线,采用点测和连续测量相结合的方式,采样时窗设置为600ms,探测深度为25 m。

为保证探测质量和精度,地质雷达布置4条测线(见图2),分别为在下台阶两侧的纵向掌子面和平行掌子面的2条横向测线。

地质雷达反射剖面见图3。地质雷达法探测预报成果为:DK262+815~+801段存在连续震荡的电磁波反射信号,信号频率低、同相轴断续、振幅强,推断隧道前方存在含泥含水带造成的电磁波衰减,存在纵向发育的岩溶裂隙或软弱夹层,且在掌子面横向方向上左侧和右侧存在明显差异,右侧反射信号距离掌子面近且能量强,说明了右侧岩溶构造较左侧发育,岩盘厚度小于7 m,有效预报距离为21 m。

瞬变电磁法现场采用YCS2000瞬变电磁仪器,线圈边长7m, 匝数2匝,线圈等效面积为98 m2,发射频率为12.5Hz,发射电流为4.3A,采集时间为18.5 ms。

瞬变电磁法在上、中、下3台阶布置了3排探测点,每排布置15个探测点,间距1 m,共45个探测点。为查明隧道轮廓外的岩溶发育情况,上、下2排探测点向外倾斜20°。瞬变电磁法测点布置见图4。瞬变电磁法探测方向布置见图5。

瞬变电磁法视电阻率剖面图见图6。瞬变电磁法预报成果为:1)根据传播深度的理论公式(式7)计算出探测区域,探测区域DK262+822~～+767视电阻率自暖色向冷色变化代表逐渐增大,变化范围为0~60·m; 2)掌子面左侧电阻率值明显高于右侧,说明掌子面右侧的岩溶发育规模较左侧大,且岩溶体空间夹泥富水;3)DK262+819~+767掌子面右侧电阻率普遍较低,推断该岩溶发育,岩溶异常范围距DK262+822掌子面约3 m;4)隧底的电阻率最低,推断该岩溶构造已发育至隧底,且隧底发育规模比隧顶大。

为验证物探超前预报成果,在掌子面布置了超前水平钻孔勘探(见图7)。

隧道拱顶DK262+815~+775段溶洞发育,线路左侧呈连续溶洞或单体溶洞,充填流塑状黏土,局部夹碎石;线路右侧串珠状溶洞发育,充填流塑状黏土。

隧道洞身中心DK262+819~+761段溶洞发育,整体呈连续溶洞或单体溶洞,充填流塑状黏土,局部夹碎石;左侧7#钻孔显示 DK262+822~+819掌子面岩盘厚度最薄处仅3 m。

超前水平钻孔资料与TSP法成果叠加图见图8。由图8可知, TSP法纵视图波速异常变化处与超前水平钻孔探明的溶洞界限有约几米的距离误差,且不能探明异常体的形态、范围,未能区分岩溶或断层破碎带。

在岩溶隧道探测中, TSP法成果必须结合钻探、地质雷达、瞬变电磁等方法,进行对比验证才能取得较好的效果。

超前水平钻孔资料与地质雷达成果叠加图见图9。由图9可知,在20 m范围内电磁波反射信号较为明显,探明异常区与超前水平钻孔探明的溶洞界限相近。由于围岩的含水量较大, 20 m范围以外的电磁波信号衰减不明显。

地质雷达在岩溶隧道探测中效果明显,异常点较多,但在有效距离以外电磁波信号衰减,不能长距离探测。在隧底岩溶发育地段,隧道开挖后采用地质雷达对隧底20 m范围地质内进行探测效果更加显著。

超前水平钻与瞬变电磁法成果叠加图见图10。由图 10可知,视电阻率自暖色向冷色变化代表逐渐增大,变化范围为0~60Ω.m,图形形态明显,发育层次分明,与超前水平钻孔探明的溶洞界限相近,形态基本与钻孔吻合。本次瞬变电磁探测距离为60 m。

瞬变电磁法在岩溶隧道探测中效果明显,可以长距离探测,且成果图层次分明,溶洞形态直观,配合超前水平钻孔验证效果显著。

综合物探超前地质预报和超前水平钻验证资料，结合地质勘探成果和水文监测资料,将超前水平钻与瞬变电磁剖面图叠加,利用纵面、横断面、平剖面进行切片式岩溶空间分析,超前地质预报报告结果为:

1 )DK262+713.45~+761为F2 断层带,逆断层，上盘为砂岩,下盘为灰岩,岩性破碎,岩溶发育,溶洞充填粉质黏土,流塑状,局部夹碎石和岩块。DK262+738掌子面涌水为断层构造裂隙水,具有水压力,一般水压力为0.2~0.4 MPa ,最大涌水量为80 m3/ h。

2) DK262+761 ~+819为岩溶发育段,隧道上部及隧道洞身及隧底溶洞呈串珠状发育,钻孔遇溶洞率为100% ,单孔最大线岩溶率为55.4% ,最大溶洞直径为15. 1 m,其余溶洞直径一般为1.0~8.6 m,充填或半充填粉质黏土,大多为流塑状,个别裂隙中呈现软塑—硬塑状,部分夹杂碎石。

3)隧道拱顶发育溶洞,呈连续溶洞或单体溶洞且连通,充填流塑状黏土,局部夹碎石,掌子面岩盘厚度最薄处为线左侧,仅 3 m;线右侧边墙串珠状溶洞发育,充填流塑状黏土线,溶洞之间有一定厚度的岩石将其隔开,与拱顶和隧底的溶洞上下联通性较好;线路左侧边墙呈连续溶洞或单体溶洞,充填流塑状黏土,局部夹碎石,掌子面岩盘厚度最薄处为线左侧,仅 3 m。自拱顶至左边墙溶洞几乎连续连通成为整体。

4) DK262+822掌子面涌水、涌泥为岩溶裂隙水和流塑状充填物,平均涌水量为22.4 m3/h,最大涌水量为34.2 m3/h;平均孔口水压力为0.287 MPa ,最大水压力为0.4 MPa。

通过对九景衢铁路何家隧道TSP法、地质雷达法和瞬变电磁法等多种物探方法的预报成果进行验证，得到的成果对比见表5。

1) TSP法实际探测距离为120 m,未能对DK262+815~+760异常段是岩溶还是断层破碎带进行区分，必须结合其他方法,进行对比验证才能区分。

2)地质雷达法实际探测距离为21 m, DK262+815~+801段近距离岩溶界限明显,超出20 m范围以外信号衰减,探测距离有限。

3)瞬变电磁法实际探测距离为55 m,DK262+819~+767段与超前水平钻孔探明的溶洞界限相近，形态基本与钻孔吻合。

4)超前水平钻实际最长探测距离为61m，探明DK262+819~+761段发育溶洞,左侧DK262+822~+819段掌子面岩盘厚度最薄处仅3 m,右侧串珠状溶洞发育。根据超前地质预报成果,施工处理措施采用全断面多环次超前帷幕注浆,施工开挖后岩溶发育深度与超前水平钻成果吻合,溶洞形态与瞬变电磁法成果吻合。

通过九景衢铁路何家隧道施工过程中超前地质预报工程实践,采用钻探与物探成果进行对比分析,验证了TSP法、地质雷达法、瞬变电磁法等多种物探方法的预报成果,得出以下结论。

1)单一的超前地质预报方法具有局限性,难以应对岩溶隧道的复杂地质条件和施工高风险。需采取“三结合”措施,选取2种或2种以上的超前预报方法进行相互验证。

2)在岩溶隧道探测中, TSP法未能对岩溶或断层破碎带进行区分,必须结合其他方法进行对比验证。TSP法+地质雷达法长短结合是一般简单岩溶隧道探测通用的组合方式,适合岩溶发育范围小于20 m的地段。

3)瞬变电磁法在岩溶隧道探测中效果明显,探测距离长,配合地质雷达法和超前水平钻孔时判译解释准确度高,适合大型岩溶强发育地段。超前水平钻+瞬变电磁法+地质雷达法+水文监测地质预报是复杂岩溶隧道超前地质预报可采用的有效组合方式。叠加超前水平钻与瞬变电磁剖面图进行分析,能详细分析出岩溶的空间分布和形态特征,可以为岩溶隧道施工提供一种高准确度的超前预报成果,确保施工安全。

随着科学技术的发展,超前地质预报物探方法从点、线、面预报向多维立体空间预报发展。更多新型的勘察探测方法将应用于工程中,同时运用多种技术组合相互验证,获取更精准的超前预报成果将成为岩溶隧道超前地质预报的重要发展方向。

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