李 雷，姚琦發(fā)

（1.中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.北京同度工程物探技術(shù)有限公司，北京市 100000）

0 引言

由于在施工前所得的地質(zhì)資料主要是通過地質(zhì)調(diào)查、地面勘探和鉆孔測量等方法獲得的，很難充分了解掘進(jìn)面前方不良地質(zhì)體的情況，在寶林隧洞進(jìn)口鉆爆段發(fā)生突水突泥事故時，影響到施工安全和工程進(jìn)度。

傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查法對于構(gòu)造比較復(fù)雜的地區(qū)和深埋隧道的情況，其工作難度較大[1]，準(zhǔn)確性難以保證，必須借助于物探方法，才能取得較好的效果[2]。在物探方法中，探水常用的地質(zhì)雷達(dá)（GPR）檢測方法[3]，由于雷達(dá)記錄易受洞內(nèi)側(cè)壁和金屬機(jī)具的干擾，尤其是需要占用掌子面，不能適應(yīng)TBM工況[4]。常規(guī)反射地震預(yù)報方法對于TBM工況也不能良好適應(yīng)[5]，許多占用掌子面觀測的方法被排除，且震源不能使用炸藥[6，7]。

為了避免工程事故的發(fā)生，中國水利水電第六工程局采用綜合物探法進(jìn)行超前預(yù)報，結(jié)合TST地震波法（采用TD-IS沖擊震源）和CFC電磁波反射法預(yù)報TBM工作面前方地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性狀及圍巖含水發(fā)育情況，對圍巖級別進(jìn)行動態(tài)劃分，便于及時采取相應(yīng)措施通過不良地質(zhì)區(qū)域，為TBM施工提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)，確保了施工安全。

1 方法原理

1.1 TST方法原理[8]

隧洞地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)TST（Tunnel Seismic Tomography），是隧洞散射地震成像技術(shù)的簡稱，其觀測系統(tǒng)采用空間布置，接收與激發(fā)系統(tǒng)布置在隧洞兩側(cè)圍巖中（見圖1）。地震波由小規(guī)模爆破、電火花或沖擊震源產(chǎn)生，并由地震檢波器接收。TST可有效地判別和濾除側(cè)面和上下地層的地震回波，僅保留掌子面前方回波，避免虛報誤報；同時，提供掌子面前方圍巖的準(zhǔn)確波速和地質(zhì)界面位置圖像。波速為巖體的工程類別劃分提供依據(jù)，界面用于地質(zhì)構(gòu)造解釋。

圖1 TST超前預(yù)報系統(tǒng)觀測方式平面示意圖

當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面（如斷層、破碎帶和巖性變化等）時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。數(shù)據(jù)通過地震波軟件處理，便可了解隧洞工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層等）和位置及規(guī)模[9]。

1.2 CFC方法原理[10]

CFC是一種新的電磁波探水技術(shù)，是復(fù)頻電導(dǎo)率法的簡稱。CFC技術(shù)以含水巖體電導(dǎo)與電容率增大、波阻抗降低特性為基礎(chǔ)，使用100 kHz～10 MHz頻段電磁波進(jìn)行探測。在含水巖體與干燥巖體接觸帶電磁波發(fā)生反射，依據(jù)接收點電磁波的相干特性來實現(xiàn)掌子面前方圍巖含水性的預(yù)測。

復(fù)頻探水技術(shù)使用中頻率電磁波，中心頻率為1 MHz，主頻段為200 kHz至10 MHz。電磁波的波長在10 m到500 m之間，波長等于探測距離。由于電磁波一個周期還沒有傳播完，反射波就回來了，分析方法不能像地質(zhì)雷達(dá)那樣通過反射波的傳播時間來確定反射界面的位置。利用中頻探測時，入射和反射的電磁波在空間和時間上是相互干涉，相干的結(jié)果在發(fā)射點與反射面之間形成駐波，有波腹點與波節(jié)點。對于含水界面，反射波具有半波損失，并且波腹的相干條件是從接收點到反射界面的距離是1/4波長的奇數(shù)倍，波節(jié)點的條件是1/2波長的整數(shù)倍。對于不同的頻率，波腹、波節(jié)點的位置是不同的。也可以說，對于確定的反射界面，不同接收點的相干頻率是不同的。在波腹點可得到最強(qiáng)的記錄，獲得相干頻率。利用頻率-距離的1/4波長原理，建立起反射波相干頻率法。從觀測記錄中頻譜分析的極值點中，可發(fā)現(xiàn)接收點位置的相干頻率，依據(jù)λ/4波長原理，就可獲得含水體的位置。相干幅度的大小，反射波的強(qiáng)度，都與含水量相關(guān)。

2 寶林隧洞應(yīng)用實例

2.1 工程概述

寶林隧洞屬于湖北省鄂北地區(qū)水資源配置工程，是從丹江口水庫清泉溝隧洞進(jìn)口引水，向沿線城鄉(xiāng)生活、工業(yè)和唐東地區(qū)農(nóng)業(yè)供水，解決鄂北地區(qū)干旱缺水問題的一項大型水資源配置工程。

隧洞穿越區(qū)地面高程100～748 m，屬于丘陵-低山地貌類型。隧洞穿越的地層主要有：下元古界紅安群七角山組白云鈉長片麻巖、鉀長片麻巖，分布在樁號：244+650～247+070之間；太古界桐柏山群新店組混合片麻巖，分布在樁號：247+070～251+450之間；太古界桐柏山群黃土寨組黑云奧長混合片麻巖，分布在樁號：251+450～258+490之間。

洞線褶皺主要為關(guān)門山倒轉(zhuǎn)復(fù)式背斜的次一級背斜，背斜軸線樁號：247+700左右與線路相交，軸線走向為310°～320°，兩翼出露地層為太古界桐柏山群新店組混合片麻巖和黃土寨組黑云奧長混合片麻巖，南翼被孫家畈—廣水逆斷層所斷，構(gòu)造不完整，連續(xù)性被破壞。

2.2 儀器設(shè)備

TST系統(tǒng)硬件包括地震信號采集系統(tǒng)和地震震源兩部分。信號采集系統(tǒng)由數(shù)字信號記錄器、檢波器及連接線纜組成。該項預(yù)報的震源采用了TDIS編碼沖擊震源。地震信號記錄器24通道，24位A/D轉(zhuǎn)換，最大采樣頻率156 kHz，最大采樣長度100K。檢波器為內(nèi)置IC放大器的壓電晶體帶阻尼，頻帶 0.5 Hz～5000 Hz。

TDIS編碼沖擊震源是一種新型震源（見圖2）。它的工作原理是通過編碼控制震源的重復(fù)頻率，通過相關(guān)處理將小能量信號累集成大能量信號，提高信噪比。

圖2 TDIS編碼沖擊震源之圖示

沖擊震源的優(yōu)點是使用方便，不用打孔，不破壞洞壁。

在該項預(yù)報中，沖擊震源使用的參數(shù)為：重復(fù)頻率2～8次/秒，沖擊時間50 s，沖擊次數(shù)250次/點，沖擊能量為1.2萬焦耳/點。

該項CFC工程實例使用的北京同度工程物探技術(shù)有限公司研究的發(fā)射機(jī)與電磁波數(shù)字采集儀（見圖3），技術(shù)參數(shù)如表1所列。

圖3 CFC激發(fā)與接收儀器之圖示

表1 CFC儀器技術(shù)參數(shù)表

2.3 TST測線布置

此次TST數(shù)據(jù)采集采用如下觀測方案：（1）檢波器8個，布置在兩側(cè)壁內(nèi)，每側(cè)4個，間距2.0 m。（2）震源激發(fā)8個點，布置在兩側(cè)壁，每側(cè)4個。除每側(cè)第1個震源孔距檢波器2 m外，其余激發(fā)點間距均為8 m。（3）檢波器采用手槍鉆打孔，用快粘粉進(jìn)行耦合。圖4為TST激發(fā)與接收方式示意圖。

圖4 TST激發(fā)與接收方式示意圖

2.4 CFC測線布置

CFC探水技術(shù)是通過發(fā)射電磁波、接收電磁波并確定相干頻率來實現(xiàn)的。用偶極子天線來發(fā)射與接收電磁波，并且天線用埋在隧道左右兩側(cè)的電極。一組發(fā)射，3組接收。發(fā)射與接收天線排成陣列觀測方式。陣列接收的目的是改善觀測系統(tǒng)的方向性，從而增強(qiáng)掌子面前方的信號，壓制側(cè)向信號。成像的方向性隨接收的電極的增加而增強(qiáng)。電極埋設(shè)于圍巖中，并與圍巖緊密接觸，確保傳導(dǎo)電流與位移電流同時起作用，這與傳統(tǒng)的雷達(dá)天線不同。一對電極發(fā)射，位置不變，另一對電極移動接收，每發(fā)射一次，接收電極移動一次。結(jié)合多次發(fā)射和接收，形成一個完整的陣列。發(fā)射與接收電極分布于圍巖中，有效地減小隧道內(nèi)各種干擾，提高信噪比。

CFC觀測系統(tǒng)方案具體布置，如圖5所示：（1）3 對接收電極，分別為 M1N1、M2N2、M3N3，排列在兩個側(cè)壁上，每側(cè)3個，間距10 m，電極埋深1.8 m。（2）1對發(fā)射電極AB，布置在兩側(cè)壁內(nèi)，每側(cè)1個，距離接收電極10 m，埋深1.8 m。（3）發(fā)射電極和接收電極長度2 m。（4）發(fā)射電極和接收電極需要與圍巖很好地耦合。

圖5 CFC激發(fā)與接收位置示意圖

2.5 預(yù)報結(jié)果與地質(zhì)解釋

外業(yè)工作結(jié)束后隨即轉(zhuǎn)入室內(nèi)資料整理及解釋工作，即時對當(dāng)天采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理并檢查和復(fù)核。在此基礎(chǔ)上對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、評價。然后轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)處理。

TST的資料處理流程分為5大步驟，包括資料預(yù)處理、觀測幾何系統(tǒng)編輯、方向濾波與波場分離、圍巖波速分布掃描分析、地質(zhì)構(gòu)造偏移成像和地質(zhì)解釋預(yù)報等環(huán)節(jié)，處理流程如圖6所示。圖7為TD-IS沖擊震源激發(fā)合成的彈炮記錄匯總圖。

圖6 TST資料處理流程圖

圖7 TD-IS沖擊震源激發(fā)合成的彈炮記錄匯總圖

CFC室內(nèi)資料整理及解釋主要經(jīng)過記錄選取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、觀測系統(tǒng)幾何位置編輯、頻譜歸一化、CFC電磁波速掃描、CFC合成孔徑偏移成像計算等過程。

根據(jù)能量最大化原理進(jìn)行圍巖電磁波速掃描，得到預(yù)報區(qū)段隧洞圍巖電磁波速為0.158 m/ns，相對介電常數(shù)為3.605左右，說明絕大部分圍巖處于弱含水狀態(tài)。

數(shù)據(jù)處理結(jié)果得到寶林隧洞掌子面樁號：248+962前方100 m圍巖含水結(jié)構(gòu)的CFC偏移圖像。為了方便解釋，現(xiàn)將TST和CFC的計算圖像拼在一起，如圖8所示。

圖8 TST圖像（上）與CFC圖像（下）對照圖

通過對綜合成果的分析，并結(jié)合掌子面地質(zhì)觀察，根據(jù)圍巖波速的判定與地質(zhì)體構(gòu)造偏移圖像與特征波速的對應(yīng)關(guān)系，得出該項預(yù)報不良地質(zhì)體的分布統(tǒng)計如表2所列。

2.6 現(xiàn)場地質(zhì)素描

在洞身掘進(jìn)至樁號：248+962～24+932里程段，洞身圍巖與設(shè)計圍巖（II級）相差較大，實際為揭露地層巖性為青灰色片麻巖，裂隙發(fā)育，沿裂隙面有線狀涌水（見圖9）。圍巖類別為Ⅲ類。

圖9 局部圍巖裂隙線裝涌水之實景

表2 不良地質(zhì)體統(tǒng)計表

由開挖驗證可以看出，此次CFC預(yù)報結(jié)果與實際開挖情況較為吻合，預(yù)報含水段圍巖位置的誤差較小。

3 結(jié) 語

結(jié)合寶林隧洞的工程實例，闡述了TST與CFC綜合物探法的原理和實際應(yīng)用情況。該輸水工程隧洞埋深超過90 m，隧洞處于裂隙水以下，被逆斷層所斷，構(gòu)造不完整，連續(xù)性被破壞，施工安全和工程質(zhì)量受影響較大，所以有必要對隧洞前方的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報。通過實踐證明：TST與CFC綜合物探法探測距離大，達(dá)到100 m，分辨率高，可分辨1～3 m的含水破碎帶；不占用掌子面，并可有效地避免隧道內(nèi)金屬機(jī)具的電磁干擾；適用于TBM工況，具有實用性和推廣前景。