歐元超，田 忠

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

應(yīng)用于隧道超前探測的兩種物探方法效果比較

歐元超，田 忠

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001）

隧道地質(zhì)災(zāi)害的超前探測一直是隧道安全施工中的技術(shù)難題。利用綜合地球物理勘探手段對工作面前方進(jìn)行精細(xì)探測，并及時準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常體對于隧道安全施工而言具有重要意義。本文將瞬變電磁和探地雷達(dá)應(yīng)用于蘭州某隧道超前地質(zhì)探測，并對兩種物探方法的探測效果進(jìn)行比較分析。經(jīng)實踐驗證，該隧道施工段地質(zhì)條件更適合使用探地雷達(dá)，其能快速高效地預(yù)報開挖掌子面前方的斷層、破碎帶等異常地質(zhì)體。同時指出了探查方法實踐中存在的問題并提出建議。

超前探測；瞬變電磁；探地雷達(dá)；隧道

1 引言

2016年全國兩會中提出了關(guān)于中長期高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃，規(guī)劃中的中西部地區(qū)以及城際間交通通道明顯增多，全國高速鐵路網(wǎng)縱橫交錯，這必將迎來基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的浪潮。中西部以及南方地區(qū)地形起伏變化大，需要修建大量隧道，但修建隧道必然會遇到許多地質(zhì)問題，比如開挖前方的破碎帶、斷裂帶、巖溶洞、地下水和高地應(yīng)力等不良地質(zhì)體所導(dǎo)致的塌方、涌水、突水、巖爆冒頂［1］等地質(zhì)災(zāi)害，一直都是困擾隧道安全生產(chǎn)的主要問題。

2006年施工的宜萬鐵路馬鹿箐隧道，當(dāng)開挖至DK255+978時突然發(fā)生嚴(yán)重的突水突泥事故，造成多人死亡；2007年石太客專南莊隧道出口DIK151+603掌子面處已完成的初期支護(hù)突然發(fā)生整體坍塌，造成多人傷亡；2007年武廣客專高嶺隧道進(jìn)口施工掌子面后方30米處發(fā)生了急劇變形，雖然進(jìn)行了加固處理，但是變形依然繼續(xù)加大，部分地段發(fā)生了開裂。造成這些災(zāi)害發(fā)生的主要原因是沒有對隧道周圍及掌子面前方的異常地質(zhì)體［2］進(jìn)行精確地探查，要避免這些地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，隧道地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報就顯得尤為重要?，F(xiàn)有的隧道超前地質(zhì)預(yù)報主要應(yīng)用探地雷達(dá)法、瞬變電磁法、高密度電法、可控源音頻大地電磁法、地震法等物探［3］方法，每種物探方法的應(yīng)用都依據(jù)一定的物性條件［4］，具有不同的優(yōu)缺點。實踐中應(yīng)結(jié)合所要解決的隧道地質(zhì)問題選擇合適的物探方法，以期達(dá)到最好的探測效果［5］。

寶蘭客運專線東起寶雞，西至蘭州，是國家中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃中徐蘭客運專線的西段，也是國家鐵路“四縱四橫”客運專線網(wǎng)的重要組成部分。由于該地區(qū)地勢地形原因，需要修建多條超長超深隧道，開挖隧道過程中需要物探手段探測施工前方是否存在地質(zhì)異常體，從而提前采取預(yù)防措施。位于甘肅省蘭州市八里窯鎮(zhèn)的某隧道全長13千米，隧道分多頭同時掘進(jìn)以提高施工進(jìn)度，該隧道開挖面主要是第四系粗圓粒土，IV級或V圍巖，但其掘進(jìn)中多受斷層破碎帶等異常地質(zhì)體影響，需要進(jìn)行實時探查與控制。本文結(jié)合該隧道超前探測使用的探地雷達(dá)和瞬變電磁進(jìn)行應(yīng)用效果分析和比較。

2 隧道超前地質(zhì)探測技術(shù)

2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法是一種時間域電磁法，它是利用階躍波形電磁脈沖激化，用不接地回線或接地線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場，在一次場斷電后，地下介質(zhì)就會產(chǎn)生感應(yīng)的二次場，由于導(dǎo)電介質(zhì)內(nèi)感應(yīng)電流的熱損耗，二次場大致按指數(shù)規(guī)律隨時間衰減，形成瞬變電磁場。二次場主要來源于良導(dǎo)電介質(zhì)內(nèi)的感應(yīng)電流，因此它包含著與地下介質(zhì)有關(guān)的地質(zhì)信息。良導(dǎo)電介質(zhì)較不良導(dǎo)電介質(zhì)的二次場衰減慢［6-8］。利用線圈或接地電極觀測一次脈沖電磁場產(chǎn)生的二次場，對所測得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，據(jù)此，解釋地下介質(zhì)及相關(guān)物理參數(shù)。

2.1.1 現(xiàn)場參數(shù)設(shè)置

現(xiàn)場使用TEM75瞬變電磁儀，根據(jù)隧道工作特點及工作要求，選用1.5m×1.5m四匝發(fā)射線框，1.5m×1.5m四匝接收線框的重疊回線工作裝置。該方式的優(yōu)點是與目的物耦合較好；發(fā)射線圈逐測點移動，不會有激發(fā)盲區(qū)；發(fā)射磁矩和接收磁矩較大；適合隧道里面的場地要求。現(xiàn)場進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，并自掌子面左往右連續(xù)采集順層數(shù)據(jù)，逐點移動線框，完成順層10個測試點數(shù)據(jù)的采集。

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

對順層原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得探查前方地質(zhì)條件的電阻率分布剖面，圖1為位于施工現(xiàn)場的IDK1033+990.2-IDK1034+080.2段超前電阻率剖面及解釋。

開挖段地質(zhì)體為第四系砂質(zhì)黃土，IV級圍巖。IDK1034+010.2-IDK1034+015.2段瞬變電磁剖面中的視電阻率較高即白色線圈定的范圍，圍巖較為完整，穩(wěn)定性好，無明顯物性異，推斷該段圍巖相對掌子面沒有明顯變化，施工時照常支護(hù)。IDK1034+020.2-IDK1034+040.2段瞬變電磁剖面中視電阻率有所降低，有明顯物性異常，推斷該段圍巖相對掌子面變差，圍巖穩(wěn)定性降低，施工時加強(qiáng)支護(hù)。IDK1034+060.2-IDK1034+080.2段出現(xiàn)低阻異常即紅色線圈定的范圍，前方圍巖中有可能存在裂隙帶，且其中存在裂隙水，推斷該處含水率增加，掘進(jìn)到該位置時注意前方水情的變化。

結(jié)合開挖結(jié)果可得，瞬變電磁法探測隧道前方異常情況比較準(zhǔn)確，可有效圈定出富水區(qū)。

2.2 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)簡稱GPR，是用高頻無線電波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的一種地球物理方法。由天線向目標(biāo)體（隧道開挖掌子面前方圍巖）發(fā)射一定中心頻率的電磁脈沖波，電磁脈沖波遇到的電磁性（電阻率，介電率，及磁導(dǎo)率）差異分界面（斷層，破碎帶，溶洞等）發(fā)生反射和透射，被反射的電磁波傳回地表，由接收天線接收。接收天線所接收的信號經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成時間序列信號，每一測點上的這種時間序列即構(gòu)成該測點的雷達(dá)波形記錄道［9-10］。對經(jīng)過處理后的雷達(dá)記錄剖面進(jìn)行分析，就可以判定隧道掌子面前方地質(zhì)情況。

（1）現(xiàn)場參數(shù)設(shè)置?，F(xiàn)場探測時，使用儀器為GPR400地質(zhì)雷達(dá)，通過發(fā)收天線發(fā)射和接收信號，將發(fā)射和接收面緊貼隧道掌子面從左至右進(jìn)行勻速移動，從而完成前方地質(zhì)條件數(shù)據(jù)采集。圖2是該隧道里程為IDK1035+683.4處的雷達(dá)波剖面，其預(yù)報里程范圍為IDK1035+683.4-675.4段。開挖段地質(zhì)體為第四系砂質(zhì)黃土，V級圍巖。

（2）數(shù)據(jù)分析。其中，IDK1035+683.4-IDK1035+681.1段雷達(dá)結(jié)果剖面沒有明顯的反射界面，為直達(dá)波的響應(yīng)范圍；IDK1035+681.1-IDK1035+679.9段雷達(dá)結(jié)果剖面有明顯的反射界面，追蹤同相軸在隧道沒有出現(xiàn)明顯的階躍、斷軸、變形等現(xiàn)象出現(xiàn)，說明該里程范圍內(nèi)土層沒有出現(xiàn)明顯的變化，圍巖穩(wěn)定性較好，可正常掘進(jìn)；IDK1035+679.9-IDK1035+675.4段雷達(dá)結(jié)果分析，剖面有明顯的反射界面，追蹤同相軸左側(cè)及右側(cè)出現(xiàn)明顯的階躍、斷軸、變形等現(xiàn)象出現(xiàn)，說明該里程范圍內(nèi)土層出現(xiàn)明顯的變化，較破碎，注意此段有裂隙或者微穴發(fā)育，同時可以明顯的看到該段中部存在圍巖面與掌子面斜交的情況，并且雷達(dá)波剖圖右側(cè)的波形紊亂，波能變化明顯，所以該段前方的圍巖不穩(wěn)定，破碎嚴(yán)重且有可能存在小構(gòu)造。圖3為現(xiàn)場開挖結(jié)果照片，在施工出口右側(cè)處發(fā)生2-3m3的破碎垮塌。根據(jù)施工單位提供的開挖結(jié)果，驗證超前預(yù)報基本吻合。

2.3 兩種方法對比

通過在隧道超前探測長期應(yīng)用中的驗證對比與分析，對瞬變電磁和地質(zhì)雷達(dá)兩種方法進(jìn)行了比較，表1為方法技術(shù)的特點，可為現(xiàn)場探查方法選擇提供參考。

3 結(jié)論

（1）地質(zhì)雷達(dá)法和瞬變電磁法在隧道超前探測中具有不同的特點，其中地質(zhì)雷達(dá)法現(xiàn)場施工較為快速，對前方地質(zhì)界面及巖體破碎情況判斷相對準(zhǔn)確，但探測距離有限；瞬變電磁法對前方巖層含水特征較為敏感。由施工隧道所在地區(qū)少水，基本上是第四系粗圓粒土，IV級或V圍巖，很少會有富水區(qū)，也不會有溶洞等水文地質(zhì)條件，相對于瞬變電磁而言，更適合使用探地雷達(dá)進(jìn)行探測，通過結(jié)合實際情況選擇合適的儀器探測，以達(dá)到最優(yōu)的地質(zhì)解釋結(jié)果。（2）兩種方法均為電磁類方法，現(xiàn)場測試時需要避免金屬類器件干擾，盡量提高現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的可靠性。對于掌子面不平整處需要結(jié)合情況進(jìn)行初步整理，確保數(shù)據(jù)采集的有效性。（3）對于隧道施工而言，在地質(zhì)條件復(fù)雜時可進(jìn)行方法的選擇和組合，對于復(fù)雜區(qū)域可采用多種探查方法進(jìn)行綜合探測，通過綜合對比分析以實現(xiàn)更高精度的隧道超前預(yù)報。

表1 兩種超前探測方法比較

［1］張平松，吳健生.中國隧道及井巷地震波法超前探測技術(shù)研究分析［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2006，21（10）：1033-1038.

［2］何發(fā)亮，李蒼松.隧道施工期地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)的發(fā)展［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2001，38（03）：43-44.

［3］譚代明.隧道超前探水全空間瞬變電磁理論及其應(yīng)用研究［D］.西南交通大學(xué)博士論文，2009.

［4］趙永貴，劉浩，孫宇等.隧道地質(zhì)超前預(yù)報研究進(jìn)展［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2003，18（03）：460-464.

［5］王齊仁.地下地質(zhì)災(zāi)害地球物理探測研究進(jìn)展［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2004，19（03）：497-503.

［6］張平松，程樺，吳榮新等.巷道掘進(jìn)瞬變電磁法跟蹤超前預(yù)報分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2013，9（04）：919-923.

［7］張平松，李永盛，胡雄武.坑道掘進(jìn)瞬變電磁超前探水技術(shù)應(yīng)用分析［J］.巖土力學(xué)，2012，33（09）：2749-2753.

［8］劉宗輝，林育梁.瞬變電磁法用于南方隧道超前預(yù)報［D］.廣西大學(xué)碩士論文，2009.

［9］陸禮訓(xùn)，鄧世坤，冉彌.探地雷達(dá)在隧道施工超前探測中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報，2010，7（02）：201-206.

［10］李嘉，郭成超，王復(fù)明等.探地雷達(dá)應(yīng)用概述［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，22（02）：629-637.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.115