综合物探法在岩溶隧道不良地质探测中的应用.docx

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1、综合物探法在隧道岩溶探测中的应用由于隧道地质勘察的局限性、岩溶发育的偶然性与单物探方法的多解性，综合物探法进行隧道岩溶区超前预报成为必然。目前国内外应用的隧道超前预报方法众多,良莠不齐，本文从地球物理场的角度对众多方法进行理论分析，从中挑选出适合隧道进行岩溶预报的地震波与电磁波反射法。本文依托弄英隧道，对该方案进行实验验证：通过TST长距离探测，结合MA1A雷达数据对比验证，准确预报出学子面前方多处小型溶洞，确保了施工安全。2弄莫隧道地质条件与地球物理方法选用2.1 工程概况弄莫隧道位于都安县红河村上楼屯附近，隧道走向约为245oO隧道区属岩溶峰丛地貌，山峰陡峻较大,地形起伏较大，山体连绵起伏

2、。拟建隧道穿越多座山体，谷地和山地高程约207492m,相对高差约为285m,隧道洞身埋深较大，最大埋深约316m。隧址范围内无大的地表水体，水流量受大气降雨影响较大。隧址区地层斜坡多被第四系全新统残坡积层红黏土覆盖，山体上部基层裸露，为二叠系下统茅口阶灰岩、二叠系下统栖霞阶灰岩及石炭系中统灰岩。弄莫隧道分布于都安-马山背斜一带，轴向北西325335,延伸大约35公里，背斜核部为中石炭统，翼部有上石炭统、下二叠统组成，背斜南西翼倒转，倒转倾角85。，局部直立，其余产状正常，一般倾角约45。本次实验预报范围(桩号YK363+585YK363+685)岩性为微风化灰岩，裂隙稍发育，岩体总体较完整，

3、局部较破碎，岩质坚硬。围岩稳定性较好，跨度5-10m可稳定数月，可发生局部块体位移及小中塌方，地下水动态随季节变化大，雨季洞内以滴水状出水为主。2.2 物探方法选用理论分析物探方法从物性上可分为地震方法和电磁方法，每种方法又可细分。这两种方法各具特点，性能互补，很难用优劣进行评价。如果换一个角度，从地球物理场的特点上进行分类，则可更容易、客观的对各种方法的优劣做出可靠评价。地球物理场从传播特点上可分为三类，波动场，扩散场，谐和场。这三种场的探测能力有天壤之别，波动场最优，扩散场次之，谐和场最差。波动场包括地震波场和电磁波场。波动场具有三个重要的特点，使它具有优异的探测能力。第一，波在传播中遇到

4、波阻抗差异界面会发生反射，利用反射波可以发现目标；第二，均匀介质中波沿直线传播，具有明显的方向性，可以用来定位目标；第三，波的传播具有速度，可以根据传播时长，确定与目标的距离。这三个特征使得反射波法成为各种探测应用的首选。地震反射法在地球资源勘探与工程勘探中得到广泛应用;探空雷达、探地雷达都是电磁波反射法应用实例。地震反射法与地质雷达法在隧道超前预报中都是首选。扩散场的传播与空间梯度有关，具有体效应。局部异常对场的影响在传播中被平滑和削弱，远处场对目标异常不敏感。扩散场的传播不与时间成线性，而是与时间的平方根成正比。这些特点导致扩散场难以用来确定目标体的方位、距离、大小。瞬变电磁法就属于扩散场

5、类型，它给出的探测结果可靠性不高。谐和场是一种稳定场，局部异常对场的贡献仅限于异常体附近，从远处难以观测到异常体的影响。外部探测只能通过改变观测位置来推测异常体的强度、位置、大小，所获得的结果是不唯一，具有多解性，难以定量，不能运用到工程之中。谐和场包括重力场、磁力场和静电场，这种方法在隧道超前预报中应尽量避免。3基本原理与技术运用3.1 TST隧道层析成像技术TST(Tunne1SeismicTOmognIPhy)地质超前预报系统，是隧道地震层析成像技术的简称，其观测系统采用空间布置，接收与激发系统布置在隧洞两侧围岩中口川。隧道围岩中地震波场的传播是三维的，反射波也来自各方位。纵波与横波，传

6、播路径不相同，但是叠加在一个记录上。纵波引起的振动与垂直方向传播的横波的振动叠加在一起。因此不能简单地将一个方向的记录就当成纵波或横波直接用于超前预报，需对采集得到的三维数据进行波场分离、方向滤波。超前预报中获得的波速为未开挖岩石的原位弹性波速Vprf在围压条件下波速值较高。各种岩土规范中作为围岩工程分类的波速是岩块卸荷后的波速Vpm.工程中早已发现两者之间有较大的差异，两者的关系用完整性系数表征：V2P，(1)完整性系数的取值：0.15WKWO.75。或可表示为：%m=瓜VPr(0.40.8)1r(2)这就是说，岩体工程分类中的波速值应该比超前探测得到的波速值低，大约在040.8倍之间，取决

7、于岩体的完整性。3.2 地质雷达地质雷达(GPR)是工作于高频、超而频微波频段的超带宽探测技术，有发射天线向地下发射电磁波，遇到地下介质不均匀、介电常数有差异时便会产生反射、绕射和透射电磁波，如图I所示。图1地质雷达检测原理示意图地质雷达依据电磁波的反射原理进行工作。电磁波在介质中的传播遇到波阻抗变化界面时发生反射/散射,根据反射波的旅行时间、幅值、频率、波形等信息推断地质体内部的界面与几何形态。由于地质雷达使用高频脉冲电磁波(IO5-IO6Hz),与其它物探方法相比具有更高的分辨率、准确率。当电磁波到达两种不同介质性质的分界面时，由于上下介质的电磁特性不同会发生反射与折射。入射波、反射波与折

8、射波的方向,遵循反射定律和折射定律，如图2所示。图2电磁波在介质分界面的折射和反射电磁波在介质界面的折射和反射特征由折射系数7和反射系数R表示，对于非磁性介质，当电磁波垂直入射(O=O)时，可以用下式表示：(3)(4)R=K圾7+j7=2怎7+j式中：、现分别为上下介质的介电常数。由上式可知，对于非磁性介质，电磁波的反射特性仅与介质的介电常数有关。在隧道围岩结构中，岩溶、干、湿围岩的介电常数有明显的差异，它们之间能形成良好的电磁波反射界面。4弄莫隧道案例分析4.1 工作方法(1) TSTTST采集系统主要由高精度地震主机、三分量检波器及连接线缆，炸药震源等几部分组成。TST地震波法观测系统沿隧

9、洞两侧围岩布置，如图3所示，S为检波器孔位，P为震源孔位，1为第一排检波器到掌子面的距离，W为横向偏移距，1O=4m为道间距，12=16m为炮间距，D1=1.8m为孔深。TST观测坐标需要较准确的位置测量，位置坐标进入资料处理过程，关系到速度和位置的计算精度。由于实际打孔存在一些偏差，本次观测中各检波点和激发点的实测桩号坐标如图4所示。(2)地质雷达瑞典MA1A雷达,5所示。采用双频天线，高频采用400MHZ,低频采用70MHz,预报距离60m。测线布置如图开挖轮廓4.2 综合预报结果比对TST的处理结果是地质偏移图像和速度分布图像，如图6,还需要结合地质资料进行地质解释，如表Io地质偏移图像

10、横坐标是隧洞的里程，误差不超过10%,纵坐标是隧洞横向宽度，以隧洞中心线为零点。速度曲线横坐标是隧洞里程，纵坐标为速度值。地质偏移图像中的红蓝条带代表围岩中的岩石反射界面，红色代表岩体由软变硬的反射界面，蓝色代表岩石由硬变软的界面。速度扫描得到的围岩波速，是岩体埋深状态下的速度Vpn它反应未开挖时岩体力学性状。波速高表示岩体完整致密、弹性模量高；波速低表示岩体松散破碎，弹性模量低。如果有岩溶存在，波速应该降低。岩溶的预报应考虑上述资料，综合分析：在偏移图像中有蓝色反射界面，且波速图中有低速带。图6中，波速图像与地质构造图像有很好的对应性。构造偏移图像中反射条纹密集的地段，结构复杂、存在岩溶发育

11、，在波速图像中对应位置为低波速带；构造条纹少的地段，围岩均匀致密，波速图像中对应高波速带。瑞典MA1A雷达预报结果，如图6所示，预报里程YK363+573YK363+633,在左边墙YK363+595YK363+605YK363+61（YK363+625,右边墙YK363+610YK363+620,存在多组负反射界面，推断为充填型溶洞或溶蚀裂隙发育带。图6TST地质超前预报与MA1A雷达结果对比图（从上往下依次是：TST偏移图像、围岩波速曲线、雷达图像）表1弄英隧道TST预报结果桩号里程围岩纵波波速m/s预报结果该段围岩波速较低，推断该段岩体强度较低，偏移图中蓝红相间条纹较多，推测该段固岩节理

12、裂隙发育，完整性差，岩体或呈大块碎块状YK363+585YK363+652“4530结构，稳定性较差，施工中注意防止掉块或坍塌。在左边墙YK363+595YK363+605、YK363+610YK363+625,右边墙YK363+610YK363+620,以及YK363+635YK363+645洞身范围内，岩溶中等发育，或存在充填型溶洞或溶蚀裂隙发育带，应及时补充超前钻孔加以验证，并加强支护。YK363+652YK363+667V)?r=5000该段围岩岩体强度较前段升高。偏移图中红蓝条纹较少。推测该段围岩总体上节理裂隙不发育，完整性好，岩体或呈厚层状结构，稳定性好。YK363+667YK36

13、3+685Vr=4530该段围岩波速较低，推测岩体强度降低。偏移图像中红蓝条纹较多。推测该段围岩节理裂隙发育，完整性差，岩体呈块状结构，稳定性较差。施工中注意岩体破碎引起的掉块或坍塌。4.3 开挖验证开挖验证结果表明：实际洞身围岩与TST预报结果基本一致，与原设计勘察结果存在出入，如图7所示。TST预报结果显示学子面前方66m范围内存在多组红蓝相间条纹，反射层发育，推断为充填型溶洞或溶蚀裂隙发育带。6782m范围内，反射层较少，表明岩体结构完整坚硬。其中10-40米区域的三个溶洞群与雷达预报成果一致。开挖验证了预报的准确性。图7开挖验证5结语(I)根据物探方法选用理论分析可知，在隧道超前预报应用领域，地震波与电磁波反射方法应该大力推广，瞬变电磁等方法仅供参考，重力、磁力、直流电阻率等方法应避免使用。(2)本次预报工作查明弄墨隧道YK363+585-YK363+685施工段岩溶发育情况，圈定物探异常区3处,确定溶洞位置与大小。预报结果和后期开挖结果基本吻合，证明了综合TST与地质雷达探测隧道岩溶发育是有效的。(3)物探方法具有多解性，单一物探方法往往效果不佳。因而，采用长距离TST地震波法探测与短距离地质雷达强化预报，长短结合，优势互补，可有效提高探测岩溶的精准度，为隧道施工提供可靠保障，对指导隧道信息化施工意义重大。