沈进喜，雪飞胜，邹 伟

(湖南中大设计院有限公司，湖南长沙410075)

综合物探技术在岩溶隧道中的应用*

沈进喜，雪飞胜，邹 伟

(湖南中大设计院有限公司，湖南长沙410075)

在建云南段隧道地势地貌十分复杂，岩溶发育，不良地质时有出现。单依赖一种预报方法已不能准确推测复杂、多变的地质情况，所以采用TSP203、地质雷达、红外探水综合物探预报方法进行探测，达到相互印证，互补的目的，通过对比及开挖验证，采用多种物探方法和地质分析，为施工提供可靠的预报结论。

超前地质预报;TSP203plus;地质雷达;红外探测

近年来，随着我国高速公路、铁路的大规模发展建设，长大的越岭隧道因线路长，地质条件复杂，先期勘察手段的限制，设计已难以摸清隧道的沿线地质情况。在我国西南部滇黔山区，因地形地貌条件的影响，断层破碎带、富水带、岩溶发育带屡见不鲜，为减少或避免工程事故的发生，采用超前地质预报探测前方工程地质情况，从而指导隧道施工，有着重要的作用和意义。

一、综合物探技术在岩溶隧道应用的必要性

(一)目前隧道内常用的超前预报方法

1.地质调查法、超前钻探法

地面地质调查不干扰施工，设备简单，出结果快;超前钻探可以直观反映掌子面前方基本地质情况，是施工预报最有效方法之一，但需占用较长的施工作业时间，费用高。

2.弹性波反射法(TSP)

TSP203PLUS采用地震波反射原理，在不均匀地质体中产生的反射波来推测地质条件和岩性的变化，其优点是适用范围长，探测时间短，对施工干扰小，且对判定断层，软弱或破碎岩体、岩溶发育区域有较高的准确性，但对于水体，一般依靠VP/VS或泊松比，VP/VS或泊松比突然增大，表明可能有流体的存在，很难有定性的判断，对于溶洞或空腔的类型如:含水，砂、土填充型溶洞，溶洞的几何尺寸、方位则难以辨识。

3.地质雷达法

地质雷达法利用电磁波在不同介质中产生透射、反射的特性，分析相位，振幅，频率等，探测破碎岩体，溶洞效果较好，对于溶洞的类型、水体则通过频率，介电常数，波速进行推测，其优点是不受场地限制，探测时间短;缺点是受干扰大，预报距离短。

4.红外探水探测

根据一切介质辐射红外电磁波原理，接收到辐射信号分析场强值的方法。有效预报距离在30m以内。适用于定性的判断探测点前方有无水体存在或方位，不能定量给出水量大小等参数。

此外还有BEAM法，高分辨直流电法等。

(二)各种物探方法比较(见表1)

表1

(三)综合物探体系在岩溶隧道中应用的思路

在岩溶隧道内，面对复杂多变的地质灾害，可能产生涌水、突泥、危岩段坍塌，地表塌陷等工程事故，单纯依靠某一种预报技术很难对前方施工地质体进行准确的推断，应针对隧道的复杂程度，风险点采用综合预报，在综合预报中，常规预报是基础，采用地质调查根据原有资料，利用常规地质理论、地质作图和趋势分析，对影响较大的不良地质做到细化、补充;在此基础上通过TSP、地质雷达、红外探水等物探方法进行探测，但由于各种物探方法都有多解性和局限性，所以在异常区域内采用超前水平钻、加深炮孔的方法，直接验证异常区的地质情况。建立起这样的思路:地质调查、物探预报、超前钻探相结合的综合预报，消除单一物探方法带来的误差，同时也为岩溶隧道的风险做好预警准备，为施工提供安全保障。本文运用TSP、地质雷达、红外探测三种物探方法对某岩溶隧道进行综合预报，达到互相补充与印证的目的。

二、实例

(一)工程地质概况

本隧道位于贵州与云南的交接地带，属于在建的沪昆客专云南段的控制性工程，该隧道为全线第一长隧道，全长14800m，评估为极高风险A级隧道。最大埋深为750米，隧道由东向西穿越老黑山山脉北段，山脉走向呈北东～南西向，与构造线走向基本一致。山脊高程一般2184～2581m，主峰(大光山)高程2733.9m，属条形高中山，具构造剥蚀、溶蚀地貌特点，共穿越6条断层带，地层以石炭系、二叠系和三叠系为主。隧区不良地质现象为坍塌、岩溶、煤层瓦斯及采空区、地裂缝、高地应力及岩爆。本次实例预报为平导进口段，地形坡度较陡，隧道轴线与地形等高线斜交，工程地质条件较差，已开挖段以灰岩为主，夹页岩和泥灰岩，围岩较破碎，节理裂隙较发育，但未出现溶洞，局部渗水，洞口里程为PDK977+683，本次预报掌子面里程为PDK978+618，掌子面岩性为灰岩，较破碎，无水，设计围岩Ⅳ级。

(二)TSP法预报情况分析

在隧道里程PDK978+550左、右边墙各布置一个三分量接收传感器，孔径50mm，孔深约1.9m，孔高距隧底1.0m，距左边墙接收器20m开始往掌子面方向按1.5的间距布置激发孔24个，孔径45mm，孔深1.5－1.8m，孔向下略倾 5－15°，每个激发炮孔装填药量100g，炮孔与接收器基本在同一高度。采样间隔62.5μs，记录长度 451.125ms。实际激发 24 炮，每个激发孔均采用水封法引爆，以提高信噪比，本次TSP测试中，隧道洞内处于停工状态，无噪声干扰，所记录的23炮合格(出现一个哑炮)，能量和信噪比都较适中，两个接收传感器耦合好。

经数据处理及分析，得到TSP2D成果图如图1所示。

图1 TSP2D成果图

对采集的数据经过TSPwin PLUS 2.2程序的高级模式分析处理，其反射层在探测范围内的2D图如图1所示。结果分析判断表明:PDK978+632，PDK 978+640，PDK 978+675 ～682处分别有负反射界面，尤其PDK 978+675～682段负反射较强，表现为动态杨氏模量、密度降低，泊松比增大，初步推断PDK 978+675～682岩溶发育，存在溶洞的可能。

为了进一步得到更为精确的的资料和数据，采用TSPwin PLUS 2.2常规模式进行分析处理，依据采集数据的实际情况以及已开挖隧道的地质情况，改变相关参数进行调整处理，得到反射层在探测范围内的TSP2D成果图如图2所示。

图2 TSP2D成果图

由图2可知，掌子面向前约10m(PDK 978+625～632)段参数有变化，一直到PDK 978+670各参数变化不大;在PDK 978+670～690参数变化较明显，PDK 978+685～690反射层较多。综合两次TSPwin PLUS 2.2分析处理，解译成果见表2(从掌子面向前预报110m)。

表2 平导进口PDK978+618～PDK978+728段TSP法预报结论一览表

(二)地质雷达测试分析

为验证上述TSP在PDK978+670～+690段的判定，更精准核实溶洞的位置和类型，了解前方掌子面的岩体完整性，故采用地质雷达短预报方法进行探测，测试仪器为:瑞典MALA地球科学公司生产的RAMAC X3M型地质雷达及100MHz屏蔽天线，分析软件为仪器配套生产的Reflexw软件。在隧道掘进至PDK978+682进行测试，天线紧贴掌子面从左至右弧形测试如图3，采用键盘点测触发模式，触发测试采样步距0.01m，自动叠加模式，测量时窗 700ns，电磁波波速设定0.1m/ns。测试掌子面前方30m。

图3 雷达测试成果图

图4

根据雷达测试判定为:PDK978+682～687同相轴不连续，振幅一般，频率中等，判定该段围岩较完整，节理不发育;PDK978+687～712段拱顶至右拱腰段，同相轴连续，信号振幅强，频率较低，初步判定该段内存在溶蚀裂隙或溶洞。

值得一提的是判定溶洞的类型(干溶洞、含水或富水，土、砂填充型溶洞)，根据电磁波的传播其传播速度取决于媒质的相对介电常数εr，

εr为媒质的相对介电常数，通过频率，推到波速，计算出介电常数。该例中振幅强反射区域介电常数2－6，灰岩的介电常数为7－8，水的介电常数为81，空气的介电常数为1，由此推断该溶洞为干溶洞，无水，可能含砂。笔者认为不能单纯的靠该理论推导溶洞的类型，由于隧道岩溶的复杂性、多变性，还需在以后实践中总结、分析。

经地质雷达探测，结合TSP两次处理分析，判定PDK978+687～712有溶洞存在，证实TSP对于把控岩溶发育区，断层，破碎、软弱岩体域是比较准确的，对于溶洞的位置和溶洞的类型则需要地质雷达加以辅助，由于溶洞的多变、复杂性，为更清楚查清溶洞的水体情况，故采用红外探水探测。

(三)红外探水测试

其原理是一切物质都在向外辐射红外电磁波的原理，通过接收红外辐射信号进行场强值分析，总结出正常场，再确定异常场，由异常场判定地下水体的存在与否。红外探水使用的仪器型号为国产的HW－304，掌子面里程为PDK978+682，掌子面布置4条测线，每条测线布6个测点;从掌子面往洞口每5m布置一条测线，每条测线在左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙、隧底轴线测6个测点，共布置11条测试。红外测试结果如图5和图6所示。

图5 PDK978+682掌子面红外探测图

图6 PDK978+682掌子面往洞口红外探测图

分析及判定:1.由开挖面岩体上布置24个测点的红外辐射场强数值(图5)，可知其最大值为191μW/cm2，最小值为189μW/cm2，差值为 2μW/cm2，在正常场范围内。

2.根据现场所测左边墙脚、左边墙、拱顶、右边墙、右边墙脚、隧底中线的辐射场强值(从掌子面往已开挖段每隔5m布置一个测点)。图6可以看出:往掌子面方向，辐射场强值整体呈现上升趋势，在靠近掌子面附近红外辐射场强值曲线基本不变。

根据上述1、2两种判别方法，结合已开挖揭示的围岩情况(掌子面为灰岩，较干燥)推测里程PDK978+682～PDK979+712岩体较干燥，对施工影响不大。

通过此次三种物探方法在该岩溶隧道的探测，解决了因勘察、地质调查中未发现的岩溶发育段，TSP能基本准确的对预报段的不良地质体作出判断，但由于岩溶发育的复杂性，很有必要加上地质雷达及红外探测法进行辅助及印证，保证预报的准确性，减少误报和漏报，指导施工。针对岩溶隧道的复杂性，风险高的特点采用长、短距离预报，定性、定量相互印证、结合的原则，为隧道施工提供最佳的预报结论。

(四)实际开挖情况

1.掘进至PDK978+630有一段灰岩夹泥岩，含泥量较大，节理发育，弱富水，局部有滴状水渗漏，与TSP测试相吻合;

2.PDK978+635～PDK978+689围岩较完整～较破碎，节理不发育，无水，与TSP探测基本吻合;

3.在PDK978+689右拱腰出现溶洞，溶洞大小为:宽×高约3m×3m，向隧道纵向右前方延伸，溶洞内无水，有砂和粘土，微潮，溶洞在隧道掘进剖面内一直延伸15m，经支护处理，未对施工造成影响，证实了地质雷达和红外探测的测试。

特别提出，此处溶洞与TSP第二次分析相差不大，所以在TSPwin PLUS 2.2处理中，受岩石属性，介质反射界面角度，反射波分辨率等影响不能一味选择高级处理模式，要适当的改变默认参数以便数据的真实、可靠。对于验证溶洞的位置和类型，水体情况采用短距离(地质雷达、红外探测)预报还是有效的。

三、结论

1.先收集隧道勘察、设计资料，区域和工程地质资料，通过认真分析，对整个地区地质，包括风险点全面性了解;

2.综合超前预报的特点，以地质调查、物探、超前钻孔探测相结合，相互印证，避免盲目施工造成的突泥、水，大面积塌方等工程事故;

3.在保证隧道施工安全的前提下，对于常见不良地质情况如:富水、溶洞、软弱岩体、断层等最好能根据各物探方法的特点，优越选择;

4.由于各物探方法都是由已知推导未知的单一性，地域不同则各岩性的物理参数变化也不同，所以还需物探及地质工作者积累资料，总结经验，才能提高物探预报的精度和准确性。

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2012－02－20

沈进喜(1982－)，男，湖南长沙人，工程师。