周 金，牟元存，高树全

（中铁二院成都工程检测有限责任公司，四川 成都 610083；中国地球物理学会中铁二院院士专家工作站，四川 成都 610083）

1 研究背景

近年来中国大规模开展铁路建设，尤其在中西部以山地地形为主的地区，线路经常采用隧道方式穿越山体。采空区属于一种人为坑洞，是隧道建设风险评估中不良地质之一，易导致隧道建设过程中发生突水涌泥、有毒有害气体聚集、失稳坍塌等灾害，故在地质选线过程中通常以一定安全距离绕避采空区，以保证工程建设施工和后期运营安全，但受各种因素制约，很多线路方案必须经过小煤窑采空区及其附近地区[1]，如何有效探查采空区成为解决上述问题的关键。采空区的地质勘察工作主要包括资料搜集、调查访问、地质测绘，必要时辅以物探和钻探工作，常用的物探方法有高密度电法、直流电测深、浅层地震法、跨孔电磁波CT、瞬变电磁法等[2-5]。单一方法难以查明小煤窑采空区及巷道，在地质调绘的基础上，采用多种物探方法进行综合探测，辅以钻探法验证，基本能查明采空区和巷道的平面位置和埋深。但由于早期小煤窑支护措施简陋、规模小，导致巷道和采空区由于年代久远而垮塌、封闭，局部塌陷后痕迹不明显，极具隐蔽性。加之小煤窑开采无规律、资料不完善等不利因素，使得部分小煤窑采空区及巷道在勘察阶段成为“漏网之鱼”，对隧道工程施工安全和结构稳定造成极大隐患。

超前预报是在隧道开挖过程中采用特定方法对掌子面前方围岩地质情况进行探查，能查明掌子面前方存在的断层破碎带、富水体、岩溶、采空区等不良地质体，为正确选择开挖方法、支护措施，优化工程设计及施工方案提供参考。本文在地表勘察未查明小煤窑采空区情况下，施工阶段在隧道内采用地震波反射法、地质雷达法和超前钻探法对其进行综合预报探测，以地震波反射法在较长预报距离内控制采空区分布范围、地质雷达法精准探查采空区的空间位置、超前钻探法进一步验证采空区的边界和填充物性质，长短距离预报方法结合对小煤窑采空区准确探查，开挖结果验证了该方法的有效性，可为类似工程和相关工作人员提供借鉴经验。

2 采空区地球物理特征

分析采空区的地球物理特征，结合具体的地质条件和各种方法的适用特点来选择合适的方法，是探明采空区的关键。

采空区及巷道是在地下完整岩体中开挖形成的，在地下岩层中的状态为密闭或半密闭空间，无论采空区是填充型还是非填充型，在其边界附近都会形成较强波阻抗界面，在一定条件下地震波反射法能在较长距离（100～120 m）范围内识别该界面。另外采空区附近介质密度降低将导致弹性波速降低，通过统计预报地区以往地震波反射法预报成果，得出地层岩体特征或不良地质与纵波波速之间的对应关系，通过这一特征可划分采空区可能分布的段落。

地质雷达法在探测浅部介质时分辨率较高，在隧道掌子面开展超前预报能充分发挥这一优势。无论采空区及巷道的填充物为何种性质，其电性特征都与围岩存在较明显的差异，尤其在采空区与围岩分界面位置的介电性质差异能在地质雷达剖面上形成强烈反射，利用这一特性能探明采空区及巷道在掌子面前方的分布范围[6]。

结合地震波反射法和地质雷达法探测的采空区位置针对性地布设超前水平钻，可进一步明确采空区的边界位置和填充物性质。综上，结合前期勘查成果，采用地震波反射法、地质雷达法和超前钻探法对采空区进行综合预报探测是可行的。

3 方法原理

3.1 地震波反射法

地震波反射法是通过分析弹性波在岩体中传播时遇到目标地质体产生的反射波中携带的信息来探测目标地质体的一种物探方法。采用地震波反射法预报通常是在隧道掌子面附近边墙一定范围内布置激发孔，通过在孔中人工激发地震波，所产生的地震波以球面波的形式在隧道围岩中传播，当围岩波阻抗发生变化时，一部分地震波将会被反射回来，另一部分地震波将会继续向前传播。反射的地震波由高精度的接收器所接收并传递到主机形成地震波记录。地震波反射法的震源和检波器近于线性分布，从弹性波运动特点分析，要达到较好的预报效果，要求断层或岩层界面的倾角大于35°，构造走向与隧道轴线夹角大于45°[7]。

3.2 地质雷达法

地质雷达法是通过发射天线向被探测体内发射高频电磁波（主频1～1 000 MHz），当电磁波传至被探测体内2 种不同介质的分界面时，由于2 种介质的介电常数不同而使电磁波发生反射、折射，反射波返回被探测体的表面，并由地质雷达的接收天线所接收，形成地质雷达图像，通过处理和分析地质雷达信号以达到探测目标体（破碎带、空洞、界面等）的目的。地质雷达法具有灵活方便、分辨率高、定位准确、剖面直观、对施工干扰少等优点，通常采用100 MHz 雷达天线能探测20～30 m 范围内的不良地质体。

4 应用实例

4.1 工程地质特征

探查段位于侏罗纪中下统自流井组（J1-2z）泥岩夹砂岩地层，围岩岩性以泥岩和页岩为主。泥岩为紫红、黄绿色，粉砂泥质结构，泥钙质胶结，中厚层状；页岩为深灰色，泥质结构，页理构造，岩质较软，易风化剥落，具遇水软化崩解、失水收缩开裂等特性。隧址区位于背斜南东翼，核部地表出露地层为三叠系上统须家河组（T3xj）砂岩、泥岩夹煤层，该煤层为可采煤层且埋深浅。据调查走访了解，隧址区附近存在私采小煤窑，由于年代久远地表调查未发现洞口痕迹，推测隧道DK144+500—+800 段开挖可能揭示小煤窑采空区或采空巷道。

4.2 地震波反射法预报

在隧道进入可能存在采空区段落后，采用瑞士安伯格公司生产的TSP303Plus 超前预报系统对采空区进行长距离预报探测。预报时掌子面里程DK144+603.4，岩性主要为泥岩、页岩，节理较发育，岩体较破碎，掌子面局部渗滴水。在隧道DK144+682 里程左右边墙各布置一个地震波信息接收孔，在DK144+670—+631.4 段的左边墙，按约1.5 m 的间距布置24 个激发孔并逐一激发。数据处理流程为：数据设置→时变高截→带通滤波→初至拾取→直达波调整→Q 分析→反射波提取→P-S 波分离→速度分析→深度偏移→反射层拾取。经过处理得到反射层位及物理力学参数成果图和波速分布云图，如图1 和图2 所示。

图1 TSP 法反射层位及物理力学参数成果图

图2 TSP 波速分布云图

通过统计预报地区以往地震波反射法预报成果，得出地层岩体特征与纵波波速之间的对应关系，如表1所示。

表1 预报地区地层岩体特征与纵波波速对应关系统计表

如图1 所示，DK144+582—+564 段（图中线框区域）反射界面密集，收敛性较好，泊松比和动态杨氏模量起伏变化明显，表明该段围岩破碎或存在界面。另外DK144+580 里程处纵波波速降低至2 850 m/s，波速分布云图中该段也存在明显低速区（图2 箭头指向区域），根据表1 结合隧道工程地质情况分析，推测该段岩体连续性差，可能存在软弱夹层或采空区。

4.3 地质雷达法预报

采用地质雷达法对地震波反射法推测的存在采空区段落进行短距离预报探测。此次地质雷达预报时掌子面里程为DK144+603，岩性主要为泥岩、页岩，灰色、黄绿色，薄—中厚层状，节理较发育，岩体较破碎，掌子面无水。本次探测工作采用美国GSSI 公司生产的SIR-4000 型地质雷达，搭配自激自收的100 MHz屏蔽天线，时窗长度650 ns，采样点数设为512，在掌子面中下部水平布设2 条测线，分别离地高1.5 m 和1 m，预报里程范围为DK144+603—+573 段（即掌子面开挖方向30 m）。采用“RADAN 7”软件包对地质雷达原始数据进行处理，处理流程为：数据传输→文件编辑→水平均衡→数字滤波→零点归位→偏移处理→能量均衡→距离归一化→输出雷达深度剖面图。根据输出的深度剖面图上的反射波组、强能量团块分布和曲线特征对资料进行判释。

经过处理得到雷达深度剖面图，如图3 所示（纵向为深度方向），剖面中浅部电磁波反射波信号能量较弱，相位稳定，波形较为均一，表明该段无明显地质异常；DK144+580—+575 段（掌子面前方23～28 m）左侧和中部约6 m 宽度内电磁波反射波信号能量增强（图3 中线框区域），同相轴较为连续，存在明显反射波组，以低频信号为主，表明该位置存在分界面（推测为采空区或巷道），且测线1 异常较测线2 靠左，说明采空区或巷道向线路左侧延伸（预报为小里程方向，线路左侧为探测方向右侧）。结合走访结果和TSP 预报结论，推测DK144+580—+575 段围岩破碎，节理发育，存在采空区。为确保施工安全，建议施工单位进一步采用超前钻探法进行探测，探明采空区的填充性质、瓦斯及其他有害气体情况，同时施工过程中加强支护，防止坍塌、突涌等。

图3 地质雷达探测深度剖面图

根据地质雷达法探测结果，在测线1 高度离左边墙3 m 处实施超前水平钻1 孔，钻探结果显示DK144+579—+576 段存在突进，冲洗液含黄泥，钻进过程中无水。综合分析推测DK144+580—+575 段存在采空区或巷道，横向宽约6 m，向线路左侧延伸，为泥质半填充或全填充，无水。

4.4 开挖结果与分析

开挖结果表明，在隧道DK144+580 里程线路右侧拱脚位置揭示一小煤窑采空巷道，经测量巷道与隧道接触面高3 m，宽5 m，巷道发育方向与隧道轴线交角约45°，巷道坡度约45°，从DK144+580 线路右侧拱脚延伸至DK144+575 线路右线中线仰拱轮廓线位置，巷道中发现腐木及松散软黏土，有少量地下水，开挖结果与预报结论相符。现场开挖揭示采空巷道图如图4所示。

图4 现场开挖揭示采空巷道图

应用实例表明采用地震波反射法、地质雷达法和超前钻探法对采空区及巷道进行综合预报是有效的，物探异常明显，结合钻探法能相互印证、相互补充，提高预报精度，准确探明采空区及巷道空间位置和填充物性质。

5 结束语

对于勘察阶段未查明的小煤窑采空区，根据采空区地层工程地质特点和采空区地球物理特征，在施工阶段选择适宜的预报方法对探明采空区及巷道空间位置至关重要。在一定条件下采用地震波反射法、地质雷达法和超前钻探法对采空区及巷道进行综合预报是有效的，物探异常指导靶向钻探，能相互印证、相互补充，提高预报精度，准确探明采空区及巷道空间位置和填充物性质。

案例中的采空巷道延伸方向与隧道轴线角度较大，具备地震波反射法探测要求，物探异常明显。但若采空巷道走向与隧道轴线角度小，探测效果会一定受影响。地质雷达法探测结果受测线布置和干扰影响较大，需结合具体的地质条件和目标体特点合理布置测线，资料解译时需排除台架等干扰导致的假异常。超前钻探法结果直观，但效率较低且难免“一孔之见”，需结合物探成果针对性地布孔，减少成本、提高工效的同时达到靶向钻进验证的目的。