田志飛，賈杰南，趙毅博

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025； 2.南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局 河南分局，鄭州 450000)

0 引 言

巖溶地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在巖溶地區(qū)進行隧道開挖常常會遇到淺埋豎向巖溶冒頂、溶蝕節(jié)理密集帶頻繁掉塊、豎向溶縫或溶槽坍塌、隱伏溶洞頂板或填充物塌方、地下含水層揭穿涌水等地質(zhì)風(fēng)險。因此，有必要在隧道施工過程中進行超前地質(zhì)預(yù)報，從而更好地規(guī)避施工風(fēng)險、排除隱患。目前，在國內(nèi)外長大隧道施工中，以地質(zhì)分析和物探分析相結(jié)合、長距離和短距離預(yù)報相結(jié)合、地震方法與電磁方法相結(jié)合等多種方法綜合超前探測已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[1,2]。其中，巖溶隧道施工超前地質(zhì)探測以地質(zhì)調(diào)查法、TSP地震反射波法、地質(zhì)雷達法相結(jié)合的綜合預(yù)報法最為常用。本文通過對TSP、地質(zhì)雷達在探測巖溶發(fā)育情況時獲取的實測數(shù)據(jù)進行分析，旨在總結(jié)提取異常區(qū)物探成果參數(shù)，結(jié)合模糊綜合評價法進行隧道巖溶不良地質(zhì)體存在風(fēng)險等級評價，進而為動態(tài)調(diào)整或重新劃分圍巖級別提供參考依據(jù)，以保障隧道施工的安全。

1 淺層地震和地質(zhì)雷達探測技術(shù)

1.1 工作原理

1.1.1 淺層地震TSP原理

隧道淺層地震簡稱TSP，TSP隧道地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)采用的是反射地震勘探方法[3,4]。TSP工作原理見圖1。

圖1 TSP法超前預(yù)報工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of advance prediction method of TSP method

TSP法是利用地震波在不均勻介質(zhì)中傳播時在波阻抗差異界面(如斷層帶、溶洞區(qū)和裂隙密集帶等)形成反射波，根據(jù)反射波特性了解掌子面掘進方向開挖洞體的圍巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況的一種方法。

1.1.2 地質(zhì)雷達原理

地質(zhì)雷達是用電磁波來確定地下介質(zhì)分布的一種方法[5]。電磁波遇到不同反射界面(如地層分界面、溶洞、富水帶等)，其傳播路徑隨通過介質(zhì)的不同而變化，過程中會產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射及吸收等現(xiàn)象。根據(jù)天線接收到的反射脈沖波的振幅、相位、波長、頻率和走時等特征進行分析，便能夠大致推測界面或異常區(qū)的空間位置及分布變化情況。其工作原理見圖2。

圖2 雷達超前預(yù)報工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of radar advance prediction

1.2 數(shù)據(jù)采集及處理

1.2.1 淺層地震TSP

TSP數(shù)據(jù)采集前設(shè)置采集參數(shù)(傳感器分量、采樣間隔、記錄長度)以及噪聲檢查，采集過程中準確記錄數(shù)據(jù)并檢查地震道特征控制數(shù)據(jù)質(zhì)量。TSP野外采集的原始數(shù)據(jù)，最后通過預(yù)處理、波場分離、增益、偏移等數(shù)據(jù)處理方法，獲取界面走向、空間位置、圍巖波速以及圍巖的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)等信息[6]。處理的最終成果包括反射波分析成果顯示圖、深度偏移剖面圖以及巖石物理力學(xué)參數(shù)等。

1.2.2 地質(zhì)雷達

地質(zhì)雷達探測隧道時由于受掌子面大小及其表面凹凸不平的限制，常選用點測模式測量，點距10 cm。天線采用100 MHz屏蔽低頻組合天線，發(fā)射率50 kHz。采樣點數(shù)1 024個，時窗1 000 ns，疊加64次，低通-無限響應(yīng)濾波器300，高通-無限響應(yīng)濾波器25，掃描速度16(掃描/秒)。圖像處理包括背景去除、時間零點、疊加、增益、FIR和IIR濾波等幾個步驟[7]，最終得到各掃描線的波形圖和堆積圖，并據(jù)此進行隧道輪廓線周邊及前方圍巖的地質(zhì)判釋。

2 隧道實例波形分析

2.1 工程概況

隧道地處貴州高原西部高原山地區(qū)，受侵蝕-溶蝕影響，地形條件較為復(fù)雜。出口位于斜坡地帶，坡體植被發(fā)育，屬溶蝕-剝蝕低中山地貌，附近最高海拔在2 013.00～2 253.10 m之間，相對最大高差240.10 m。

隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，屬楊子準地臺→黔北臺隆→六盤水?dāng)嘞荨幈蔽飨驑?gòu)造變形區(qū)，以北西向褶皺斷裂為主。隧道橫穿一斷層及向斜構(gòu)造。向斜軸部走向122°，向斜北東翼地層產(chǎn)狀為243°∠58°，南西翼地層產(chǎn)狀為23°∠50°。

隧道區(qū)上覆土層為第四系殘坡積層(Qel+dl)粉質(zhì)黏土、黏土，下伏地層從老至新依次為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組一段(T2g1)粉砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r，三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組二段(T2g2)灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組三段(T2g3)白云巖，三疊系中統(tǒng)法郎組(T2f)灰?guī)r，三疊系上統(tǒng)(T3)砂巖，侏羅系下統(tǒng)(J1)泥巖，侏羅系中統(tǒng)(J2)泥巖及砂巖夾泥巖。

2.2 波形特征分析

2.2.1 TSP探測溶洞圖像特征

根據(jù)工程地質(zhì)勘察設(shè)計資料，隧道中部軸線ZK32+430～ZK32+250一帶右側(cè)存在地表巖溶洼地及落水洞，洼地區(qū)域豐水期地表水體匯集下滲水量大，地下也存在溶洞發(fā)育情況，隧道開挖至此段位置可能遇溶洞，極易發(fā)生涌水涌泥、塌方等險情。因此，采用TSP隧道地震波超前預(yù)報對該段巖溶區(qū)進行長距離重點預(yù)報。預(yù)報范圍為ZK32+402～ZK32+280。探測結(jié)果分析見圖3、圖4。

圖3 TSP探測深度P波偏移剖面圖Fig.3 TSP probing depth P wave migration profile

圖4 TSP探測成果圖Fig.4 TSP detection chart

據(jù)TSP探測分析結(jié)果，ZK32+370～ZK32+360、ZK32+318～ZK32+296段P波深度偏移圖顯示正負反射均強，反射界面較稀疏，且為負反射。P波波速明顯降低(Vp由3 821 m/s降為3 535 m/s)且波速均一，縱橫波波速比下降，泊松比大幅下降，楊氏模量大幅上升[8]。另外，ZK32+370、ZK32+318附近有強反射界面，其后反射減弱，由此推斷可能為溶洞前緣，ZK32+360、ZK32+296處有反射界面出現(xiàn)，物性參數(shù)有突變波動，可能為溶洞后緣。綜上分析，初步推斷這兩段圍巖為強風(fēng)化灰?guī)r，有較大規(guī)模溶洞發(fā)育(溶洞縱深6～8 m，橫寬6～10 m，洞內(nèi)無填充)或順層夾泥嚴重。

ZK32+382～ZK32+370段、ZK32+346～ZK32+336段、ZK32+328～ZK32+318段均出現(xiàn)強烈正負反射界面，反射界面密集，P波波速整體下降、變小，且泊松比與動態(tài)楊氏模量起伏大，推測有巖體溶蝕破碎帶或較小規(guī)模溶洞發(fā)育，圍巖稍含溶隙水，出水狀態(tài)多呈滲透點滴狀。

2.2.2 地質(zhì)雷達探測溶洞圖像特征

通過TSP長距離預(yù)報，得出ZK32+402～ZK32+280段巖體物探異常。為進一步確認，在隧道開挖接近該段異常區(qū)時，分別在掌子面及隧底采用地質(zhì)雷達進行短距離精確預(yù)報。

掌子面探測采用點測模式，其物探異常區(qū)的地質(zhì)雷達圖像和波形特征見圖5。

由雷達點測剖面圖以及單點數(shù)據(jù)圖可以看出，掌子面前方雷達波反射能量團分布不均勻，雷達波形相似性較差，波形反射變化波動劇烈，出現(xiàn)不連續(xù)的反射段。其中2～7 m段、11～15 m段、20～30 m段圖像右側(cè)區(qū)域為強反射段，隨后的雷達反射迅速減弱，并在一定長度內(nèi)保持弱反射，呈現(xiàn)“強～弱～強”特征[9]。圖5中紅線包裹區(qū)域低頻信號密集，同相軸斷續(xù)，部分區(qū)域相位相差約半個波長，區(qū)域內(nèi)高頻信號稍有分布，電磁能量隨波形衰減較快，推測紅線區(qū)域內(nèi)有溶洞發(fā)育(縱深2～4 m，橫寬3～6 m)，且無填充物充填。

隧底探測采用線測模式，其探測出溶洞發(fā)育的地質(zhì)雷達圖像和波形特征見圖6。

圖6 溶洞典型雙曲線形態(tài)及溶洞發(fā)育輪廓示意圖Fig.6 typical hyperbola shape of karst cave and development outline sketch map of karst cave

圖6中可以清晰看到，雷達圖像由許多雙曲線強反射波組成。由于溶洞的頂板常常類似于拱形，雷達發(fā)射的電磁波到達頂板各個部位后反射回來到接收的時間不同，有較為明顯的時差，所以雷達反射出來的圖像表現(xiàn)為雙曲線型。雙曲線的弧頂即為巖溶發(fā)育部位，其中心點的深度表示溶洞的深度，曲率的大小則反映了溶洞的橫向規(guī)模，曲率越小曲線越平緩，則溶洞規(guī)模越大(在雷達天線分辨率之內(nèi))[10]。圖6中大致繪出溶洞發(fā)育輪廓，溶洞內(nèi)無填充。

工程中，線測模式下溶洞的地質(zhì)雷達波形大多呈現(xiàn)典型的弧形繞射波形。而在點測模式下得到的點測剖面圖中振幅常常呈現(xiàn)“強～弱～強”的反射特征。在隧道超前預(yù)報工作中常選用點測模式測量。據(jù)此，可根據(jù)地質(zhì)雷達圖像的強振幅、反相、主頻以及其他特征來識別溶洞發(fā)育情況。

3 巖溶評價及圍巖分級

3.1 參數(shù)提取與劃分

本文基于工程前期勘察設(shè)計資料以及TSP地震波速測試和地質(zhì)雷達探測數(shù)據(jù)，結(jié)合鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)程[11]，綜合分析，提取可用于評價巖體質(zhì)量的主要關(guān)鍵物探參數(shù)?？偨Y(jié)隧道巖溶區(qū)重點預(yù)報段落超前預(yù)報測試圖像特點，整理歸納得到的定性物探參數(shù)見表1。

將物探圖像進行后處理，提取反演成果圖數(shù)據(jù)，得到定量的反射界面及其對應(yīng)的巖體視物性物探參數(shù)，見表2。

表1 物探參數(shù)定性信息表Table 1 qualitative information sheet of geophysical prospecting parameters

表2 物探參數(shù)定量信息表Table 2 quantitative information sheet of geophysical parameters

結(jié)合勘察設(shè)計地質(zhì)資料和物探探測對巖溶區(qū)不良地質(zhì)情況的響應(yīng)特點，提取適用可靠的地質(zhì)和物探參數(shù)指標，并根據(jù)各個指標對溶洞發(fā)育情況的影響進行歸類?？蓪⑷芏搭A(yù)報目標劃分為3個級別：發(fā)育、可能發(fā)育、不發(fā)育。選取設(shè)計地質(zhì)信息、掌子面地質(zhì)觀察、TSP異常情況、縱波波速值、地質(zhì)雷達波形特點、反射振幅特征等6類因素作為溶洞綜合分析預(yù)報的參考因子[12]。溶洞預(yù)報物探參數(shù)特征見表3。

表3 溶洞綜合預(yù)報物探參數(shù)特征Table 3 geophysical parameters of comprehensive prediction of karst caves

3.2 巖溶評價及分級

對于巖溶發(fā)育的隧道，超前地質(zhì)預(yù)報旨在探清前方一定范圍內(nèi)巖溶、結(jié)構(gòu)面、地下水發(fā)育情況，并在特殊情況下提出預(yù)警，達到指導(dǎo)安全施工的目的。因此，對巖溶不良地質(zhì)體存在的可能性及風(fēng)險性還需作出分析評價。本文采用模糊綜合評價方法，對溶洞存在的風(fēng)險性進行綜合評價[13]。

模糊綜合評價法是對受到確定和不確定因素約束的事物運用模糊數(shù)學(xué)的概念做出一個總體的評價[14]。模糊綜合評價法大體可分為4個步驟：①選取評價參數(shù)和分類評判集合；②建立模糊關(guān)系矩陣；③計算各因素權(quán)重值；④模糊矩陣復(fù)合運算。

根據(jù)地質(zhì)資料及物探探測情況，選取可量化物探評價參數(shù)Ui構(gòu)建物探集合U=Ui={U1，U2，U3…}，將溶洞存在的風(fēng)險性分為3級，取V為分級標準的集合，V=Vi={V1，V2，V3…}。由此，可建立巖溶發(fā)育區(qū)(A)、巖溶中等發(fā)育區(qū)(B)、巖溶不發(fā)育區(qū)(C)的溶洞存在風(fēng)險的評價因素集合和分級標準集合。其中，物探因子選取TSP縱波波速、縱橫波速比起伏值及地質(zhì)雷達主頻帶寬。參考鐵路隧道設(shè)計相關(guān)規(guī)范標準，選取不同風(fēng)險等級下對應(yīng)的物探因子量值建立分級標準[15]。

將權(quán)重模糊矩陣Bj和關(guān)系模糊矩陣Rj進行復(fù)合運算，便可得出綜合評價指數(shù)。復(fù)合運算后，得出隧道巖溶發(fā)育、中等發(fā)育、不發(fā)育區(qū)溶洞存在風(fēng)險綜合評價指數(shù)。通過以上步驟計算結(jié)果可得出的結(jié)論是：巖溶發(fā)育區(qū)溶洞存在風(fēng)險等級為一級，巖溶中等發(fā)育區(qū)為一級和二級，巖溶不發(fā)育區(qū)為三級。隧道各段落物探參數(shù)存在明顯差異，巖溶發(fā)育區(qū)和中等發(fā)育區(qū)溶洞存在的風(fēng)險等級較高，應(yīng)重點進行超前預(yù)報。

在上述隧道巖溶段開挖實際過程中，采用了本文提出的模糊綜合評價法對隧道圍巖進行溶洞存在風(fēng)險評價。根據(jù)評價結(jié)果，結(jié)合施工階段圍巖設(shè)計資料動態(tài)調(diào)整了圍巖級別。經(jīng)過施工開挖過程中地質(zhì)素描法、地質(zhì)雷達法現(xiàn)場追蹤，并以施工現(xiàn)場實際揭露地質(zhì)情況進行對比驗證，預(yù)報結(jié)果和實際開挖地質(zhì)情況基本吻合。施工開挖過程中，時有揭露大小規(guī)模不等無填充型溶洞，部分掌子面巖體及溶洞發(fā)育情況見圖7。

圖7 掌子面巖體及溶洞發(fā)育照Fig 7 tunnel face and Karst cave development

預(yù)報結(jié)果和實際地質(zhì)情況對比情況具體見表4。

表4 預(yù)報結(jié)果和實際地質(zhì)情況對比情況表Table 4 Comparison of forecast results and actual geological conditions

由此可見，采用物探法與地質(zhì)調(diào)查法相結(jié)合的綜合預(yù)報法進行隧道超前地質(zhì)預(yù)報，提取TSP、地質(zhì)雷達物探參數(shù)，建立模糊綜合評價工作體系，具有較高的可信度，施工過程中可及時規(guī)避或降低隧道塌方、冒頂?shù)娘L(fēng)險，有效指導(dǎo)隧道的安全施工。

4 結(jié)論與建議

1) 本文從隧道工程實際出發(fā)，在大量實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析了物探異常區(qū)的TSP和地質(zhì)雷達波形特征及規(guī)律，得出推斷溶洞發(fā)育的可靠圖像特征依據(jù)。TSP物探圖像中，縱波波速會大幅下降、楊氏模量和泊松比波動起伏較大，地質(zhì)雷達振幅圖像會呈現(xiàn)明顯的“強～弱～強”特征。采用TSP和地質(zhì)雷達相結(jié)合的手段，將兩者的物探參數(shù)相互配合補充，能夠更加確切地判識出圍巖的溶洞異常。

2) 提取物探反演成果圖的關(guān)鍵物性參數(shù)進行定性、定量歸納總結(jié)，獲取巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)的物探參數(shù)特征，并且選取可量化的因子作為巖溶預(yù)報分級指標，從而可建立物探參數(shù)、巖溶風(fēng)險等級標準集合。采用模糊綜合評價法對巖溶不良地質(zhì)體風(fēng)險等級評價，結(jié)果表明巖溶區(qū)溶洞存在風(fēng)險等級較高，屬于一級風(fēng)險的隸屬度為0.65，應(yīng)重點關(guān)注，切勿冒進施工。

3) 結(jié)合隧道開挖設(shè)計圍巖分級情況及巖溶存在風(fēng)險等級評價結(jié)果，動態(tài)調(diào)整劃分圍巖級別，經(jīng)過實際開挖揭露的地質(zhì)情況對比驗證及追蹤，得出的預(yù)報結(jié)果和實際開挖地質(zhì)情況整體上基本吻合，證明了采用模糊綜合評價法應(yīng)用于隧道巖溶區(qū)TSP及地質(zhì)雷達超前地質(zhì)綜合預(yù)報工作中是可行可取的。結(jié)合圍巖地質(zhì)資料及評價結(jié)果，可為施工中動態(tài)變更圍巖級別及調(diào)整支護參數(shù)提供參考依據(jù)。