宋 偉，鄧劉洋，周桃生

(中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400037)

1 引 言

近二十年來，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了空前繁榮的發(fā)展，特別是公路和鐵路的建設(shè)，這也帶動了橋隧建造技術(shù)的飛速發(fā)展和進步。隨著技術(shù)的進步，我國西部山區(qū)大量的高難度交通線路也正在加速設(shè)計和建設(shè)，隨之而來是大量隧道被開挖，特別是埋深大、線路長、地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道越來越多。然而西部地區(qū)水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，各種致災(zāi)地質(zhì)因素交錯橫生，在隧道開挖過程中極易發(fā)生安全事故，特別是突涌水事故。據(jù)不完全統(tǒng)計，近二十年來我國隧道工程領(lǐng)域中的重大安全事故有高達80 %左右是由于突涌水災(zāi)害造成的，這些事故不僅造成了大量的人員傷亡，還帶來了數(shù)以億計的經(jīng)濟損失，并且嚴重影響施工工期[1]。另外，地下水的大量流失也會嚴重破壞周邊的自然生態(tài)環(huán)境，以及造成地表塌陷破壞人類的生存環(huán)境[2]。因此研究如何在隧道施工過程中探測出掘進前方的突涌水致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造，以便在開挖前制定有針對性的施工方案和處理措施，減少事故發(fā)生的概率和地下水流失量，對保障人民生命財產(chǎn)安全和保護自然生態(tài)環(huán)境具有重要意義。目前，國內(nèi)外用于探測隧道前方地質(zhì)構(gòu)造的物探方位有多種，主要有地震波類、高頻電磁波類、電法類和電磁法類，這些方法探測的距離、精度和適用對象各不相同[3,4]。在對比分析各種物探方法適用特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道中常見的突涌水致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)特點，試圖尋找一種適用的綜合物探方案，以求提高突涌水致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造的探測準確性。并在云南南扎隧道中進行試驗，分析其探測效果，為選擇隧道突涌水致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造探測方法提供參考資料。

2 突涌水致災(zāi)構(gòu)造分類

李術(shù)才等[5]通過對我國兩百多座隧道的突涌水案例進行統(tǒng)計分析，將突涌水致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造主要分為3類，即巖溶類、斷層類和其他裂隙類。石少帥[1]通過統(tǒng)計分析近五十年百余座隧道的突涌水案例，將突涌水致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造基本類型劃分為裂隙型、斷層型、溶洞溶腔型和管道及地下河型4類。上述兩種分類方法大體相同，后一種方法將巖溶類突涌水致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造進行了進一步細分，分類更為詳細。另外，隨著近些年大量小型采礦場的關(guān)閉，在地下留下了許多采空區(qū)，由于以前生產(chǎn)管理方式落后，采掘資料混亂，現(xiàn)已無法準確判斷采空區(qū)的位置。當(dāng)采空區(qū)充水后，一旦隧道開挖導(dǎo)通采空區(qū)積水，后果也將不堪設(shè)想。因此，可以將隧道致災(zāi)含水地質(zhì)構(gòu)造大體上分為斷層型、巖溶裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下河型、采空區(qū)型和其他裂隙型6種。

理論與實踐表明，斷層型構(gòu)造具有空間展布寬，有較固定走向的特點，并且斷層破碎帶與周圍巖體具有明顯的彈性波阻抗差異，適合用地震波類物探方法進行探測；巖溶裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下河型、構(gòu)造發(fā)育不具有規(guī)則性，用地震波類方法探測效果較差，適合用分辨率較高的高頻電磁波類方法進行探測；采空區(qū)類構(gòu)造大多具有一定的空間展布，但也存在形狀不規(guī)則的情況，需采用地震和高頻電磁波相結(jié)合的方法進行探測；其他裂隙類構(gòu)造也部分具有一定的空間分布特征，但多數(shù)無規(guī)律可循，同樣可以采用地震和高頻電磁波相結(jié)合的方法進行探測?？偟膩碚f，6種突涌水致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造均具有構(gòu)造發(fā)育及富水的特征，在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中采用地震類及電磁類物探方法可取得良好的探測效果。

3 物探方法原理及特點

目前，常用的隧道超前地質(zhì)預(yù)報物探方法有地震波類、高頻電磁波類、電法類和電磁法類。其中，地震波類方法又以TSP地震波反射法的應(yīng)用最為廣泛[6]；高頻電磁波類方法則包括各種類型的地質(zhì)雷達(收發(fā)一體天線式、收發(fā)分體天線式、合成孔徑式、相控陣式等)，合成孔徑雷達和相控陣雷達應(yīng)用尚不成熟，收發(fā)一體式地質(zhì)雷達則以美國SIR系列和中國電波所LTD系列的應(yīng)用最為廣泛，收發(fā)分體式雷達則以加拿大EKKO系列應(yīng)用最多[7,8]；電法類方法主要為直流電法類，但由于其施工較為復(fù)雜，影響施工工期，因此應(yīng)用范圍不廣；電磁類方法則以小線圈全空間的瞬變電磁法為主[9,10]。下面主要對TSP、地質(zhì)雷達和瞬變電磁法的原理和適用特點進行分析。

3.1 TSP地震波反射法

TSP為一種多波多分量地震勘探方法[11]，其利用反射波的信息來分析隧道前方的地質(zhì)情況。反射波中包含縱波和橫波，縱波速度快、頻率高，橫波速度慢、頻率低[12]。通過多時距曲線進行深度偏移可以計算出各反射界面的空間位置，利用縱橫波速度可以計算出多種巖石物理參數(shù)(如泊松比，楊氏模量等)[13]。通過分析計算出的巖石物理參數(shù)和反射界面空間位置，就可以預(yù)測掌子面前方及四周的地質(zhì)情況(包括斷層、破碎帶等的產(chǎn)狀及規(guī)模)。TSP適合于探測斷層等大型地質(zhì)構(gòu)造，在圍巖質(zhì)量很好的情況下探測距離可以達到500 m以上，在破碎泥巖中也能達到80 m左右，能夠進行長距離的超前地質(zhì)預(yù)報工作。

3.2 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達采用的是時間域脈沖雷達，將寬頻帶的高頻脈沖電磁波發(fā)射到地下介質(zhì)中，通過接受反射信號達到探測地下目標(biāo)的目的，雷達系統(tǒng)向被探測物發(fā)射電磁波脈沖，電磁脈沖穿過介質(zhì)表面，碰到目標(biāo)物或不同介質(zhì)的界面而被反射回來，根據(jù)電磁波的雙程走時，就可以分析確定探測目標(biāo)的形態(tài)及結(jié)構(gòu)特性[14,15]。地質(zhì)雷達法探測精度較高，但因電磁波在巖土體內(nèi)衰減較快，其探測距離一般在30～50 m左右，適用于短距離構(gòu)造的精細探測，特別適用于探測溶洞等不規(guī)則地質(zhì)構(gòu)造，也可以分析構(gòu)造的富水性。

3.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法是在不接地回線或接地線源中施加瞬間變化的電磁場源，從而在地質(zhì)體中產(chǎn)生感應(yīng)二次電磁場，接收二次場隨時間變化的響應(yīng)。在二次電磁場的衰減過程中，早期以高頻為主，反映的是近區(qū)的地質(zhì)信息，晚期以低頻為主，反映的是遠區(qū)的地質(zhì)信息。因此，研究瞬變電磁場隨時間變化規(guī)律，即可探測不同導(dǎo)電性介質(zhì)的分布情況[16]。由于隧道空間限制，瞬變電磁法只能采用小線圈，通常采用多匝回線的形式來增加發(fā)射磁矩。其研究解決的是一個全空間電磁場問題，這一點不同于地面瞬變電磁法的半空間電磁場。瞬變電磁法具有能觀測純二次場、穿透高阻層能力強、對含水低阻體反應(yīng)敏感、操作方便靈活、施工效率高和可多角度觀測等諸多優(yōu)點，探測距離能達到100 m左右，可以全方位探測隧道前方的地質(zhì)構(gòu)造富水情況[17]。但目前應(yīng)用的瞬變電磁儀由于關(guān)斷時間的原因，在探測前方都存在10～20 m左右的探測盲區(qū)。

從上述3種方法的適用特點可以得出如下結(jié)論：①利用TSP能夠長距離探測大的地質(zhì)構(gòu)造，以達到控制構(gòu)造整體形態(tài)、位置和走向的目的；②地質(zhì)雷達可以短距離探測精細的地質(zhì)構(gòu)造并分析其富水性，提高TSP探測構(gòu)造的解釋精度，還可以彌補瞬變電磁法的探測盲區(qū)；③瞬變電磁法則可以中長距離探測隧道前方構(gòu)造的富水性，從而解釋TSP探測構(gòu)造的富水程度，并且還可以探測隧道四周的巖層富水性。因此，可以利用TSP、地質(zhì)雷達和瞬變電磁法相結(jié)合的綜合物探方法在隧道的致災(zāi)含水構(gòu)造探測中進行優(yōu)勢互補，從而提高探測的準確性。

4 試驗分析

4.1 地質(zhì)及地球物理特征

為分析TSP、地質(zhì)雷達和瞬變電磁法相結(jié)合的綜合物探方法的實際探測效果，在云南瑞麗市畹町鎮(zhèn)新建的南扎隧道進行探測試驗。該隧道位于戛中—瑞麗區(qū)間，隧道進口里程D3K319+745，出口里程D3K321+440，全長1 695 m。隧道洞身主要穿越地層巖性為白云巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。

隧道貫穿區(qū)域?qū)俨氐岬夭垴薨櫹?，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，途經(jīng)區(qū)域主要發(fā)育北東向斷裂。隧道洞身穿過法帕—畹町?dāng)嗔焉媳P，受構(gòu)造影響，隧道圍巖節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎；隧道地表屬構(gòu)造剝蝕低山地貌，段內(nèi)覆土為第四系全新統(tǒng)沖洪積層粉細砂、卵石土，坡洪積層粉質(zhì)黏土，坡積層粉質(zhì)黏土，坡殘積層紅黏土，下伏二疊系下統(tǒng)沙子坡組白云巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。

試驗段起始里程為D3K319+819，埋深286 m，現(xiàn)場掌子面有淋水現(xiàn)象，局部有節(jié)理發(fā)育。掌子面及洞身圍巖為白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r。巖性：灰色、淺灰色、灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀—厚層塊狀。該組巖層溶蝕弱至中等發(fā)育，巖體溶蝕小孔洞較發(fā)育，含強風(fēng)化帶，厚度2～5 m，局部差異風(fēng)化嚴重，最大厚度可達30 m。地表常見溶溝、溶槽及石牙等巖溶現(xiàn)象，地面物探及鉆探未揭示有溶洞，鉆探巖芯及抽水性試驗結(jié)果表明，該巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖溶裂隙水發(fā)育，由地表水補給，地下水豐富。

一般來講，穩(wěn)定地層的物理特征在區(qū)域范圍內(nèi)變化不大。在隧道試驗段，受構(gòu)造與沉積環(huán)境影響，白云巖局部風(fēng)化嚴重，灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育且溶蝕現(xiàn)象多發(fā)，造成隧道前方圍巖物性局部差異較大，同時在局部風(fēng)化破碎及裂隙帶中賦存水體，地球物理特征發(fā)生了顯著變化。這些巖層的物性差異為TSP、地質(zhì)雷達及瞬變電磁探測隧道前方地質(zhì)異常體提供了地球物理探測前提。

4.2 現(xiàn)場布置

4.2.1 TSP現(xiàn)場布置

現(xiàn)場設(shè)置接收孔2個，距離掌子面55 m，離隧道底面1.5 m，直徑40 mm，孔深2 m，垂直邊墻向下傾斜10°，在隧道兩側(cè)邊墻對稱安裝；現(xiàn)場布置炮孔24個，位于接收孔同一側(cè)邊墻，第一孔距離接收孔20 m，末孔距離掌子面1.5 m，炮孔間距1.5 m，炮孔直徑30 mm，孔深1.5 m，垂直邊墻向下傾斜10°，用水封孔。TSP現(xiàn)場施工布置如圖1所示。

圖1 TSP現(xiàn)場布置示意圖Fig.1 Site layout of TSP

4.2.2 地質(zhì)雷達現(xiàn)場布置

根據(jù)現(xiàn)場的探測條件，在掌子面布置2條測線。其中，測線1距掌子面底板高0.8 m，測線從左至右長7 m，測線2距掌子面拱頂1.7 m，測線從左至右長5 m，地質(zhì)雷達現(xiàn)場施工布置如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達現(xiàn)場布置示意圖Fig.2 Site layout of ground penetrating radar

4.2.3 瞬變電磁法現(xiàn)場布置

為有效控制掌子面前方四周的地質(zhì)構(gòu)造的含水情況，每次探測分水平和垂直兩個方向掃描，水平方向掃描左右各50°范圍，每10°一個測點，共11個測點，垂直方向相似，掃描上下各50°范圍，每10°一個測點，共11個測點，瞬變電磁施工布置如圖3所示。

圖3 瞬變電磁法現(xiàn)場布置示意Fig.3 Site layout of transient electromagnetic method

4.3 探測成果分析

數(shù)據(jù)依次采集完后，分別進行處理成圖，地質(zhì)雷達、TSP和瞬變電磁法探測成果依次如圖4～圖6所示。

圖4 地質(zhì)雷達探測成果Fig.4 Results of ground penetrating radar detection

圖5 TSP探測成果Fig.5 Results of TSP detection

圖6 瞬變電磁法探測成果Fig.6 Results of transient electromagnetic method detection

從TSP探測成果圖中可以看出在掌子面前方25～45 m范圍內(nèi)存在多個反射界面，并且有正反相位反射波交替出現(xiàn)，說明此段可能存在斷層破碎帶或巖溶裂隙帶。另外在掌子面前方100 m外也出現(xiàn)幾處反射界面，推測巖體裂隙反應(yīng)，但因距離較遠，反演結(jié)果可靠性不高。地質(zhì)雷達測線1和測線2探測成果各圈定2處異常，其中Y1和Y3、Y2和Y4異常在空間分布上較為接近，從Y1和Y3異?？梢钥闯鲈谒淼榔髠?cè)前方20 m存在一個強反射界面，并且在20～40 m范圍內(nèi)衰減較快，此異常范圍也與TSP探測結(jié)果較為對應(yīng)，但未見連續(xù)較長的反射界面，因此推測此段范圍存在巖溶裂隙，且富含一定量的水。從Y2和Y4異?？梢钥闯?，反射波同相軸不連續(xù)，但橫向范圍較小，推測隧道右側(cè)前方0～20 m范圍圍巖較為破碎。瞬變電磁法水平和垂直向探測結(jié)果中各圈定異常1處(DY1和DY2)，兩處異常在空間位置上較為對應(yīng)，因此推在隧道偏左側(cè)0～25 m范圍、前方20～55 m、上下-5～10 m范圍內(nèi)存在1處含水構(gòu)造，并可能在隧道左側(cè)向外繼續(xù)延伸，此處異常也與地質(zhì)雷達及TSP探測異常位置相對應(yīng)，因此推測該處異常為巖溶裂隙含水構(gòu)造，并且可能在隧道前方左側(cè)存在地下水補給通道。根據(jù)上述綜合探測結(jié)果，在隧道左側(cè)水平偏左5°和10°施工兩個探放水鉆孔，兩個鉆孔分別在鉆進26 m和24 m后出水，出水量最高達到97 m3/h。

圖7 鉆孔出水現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.7 Borehole drainage site photo

5 結(jié) 論

1)通過分析將隧道突涌水致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造分為斷層型、巖溶裂隙型、溶洞溶腔型、管道及地下河型、采空區(qū)型和其他裂隙型6種類型，并指出了6類型的結(jié)構(gòu)特點和適用的物探方法。

2)對比分析了目前用于隧道地質(zhì)構(gòu)造探測的主要物探方法的適用特點，提出應(yīng)用TSP、地質(zhì)雷達和瞬變電磁法相結(jié)合的綜合物探方法來探測突涌水致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造，充分利用TSP長距離大構(gòu)造探測、地質(zhì)雷達短距離小構(gòu)造精細探測和瞬變電磁法中長距離富水性探測的優(yōu)勢，實現(xiàn)各種方法長短結(jié)合、優(yōu)勢互補，并且可以相互驗證，從而提高探測的準確性。

3)通過南扎隧道的探測試驗，成功探測到巖溶裂隙含水構(gòu)造1處，并經(jīng)打鉆驗證了探測結(jié)果的準確性。試驗表明，TSP超前探測法在地質(zhì)異常界面有明顯反應(yīng)，可圈定巖性異常變化帶；地質(zhì)雷達法在探測范圍內(nèi)對巖性分布、變化有更高的辨識度，可進一步精細圈定構(gòu)造發(fā)育范圍；瞬變電磁法對低阻體敏感，可探測前方富水體；綜合物探手段發(fā)揮了TSP大范圍的預(yù)報能力、地質(zhì)雷達高分辨能力及瞬變電磁法的探水能力，精確預(yù)報了富水地質(zhì)異常體，為鉆探工作提供了精準靶區(qū)，提高了隧道超前地質(zhì)預(yù)報的精度與效率；應(yīng)用TSP、地質(zhì)雷達和瞬變電磁法相結(jié)合的綜合物探方法來探測突涌水致災(zāi)地質(zhì)構(gòu)造是行之有效的，可為今后的隧道突涌水高風(fēng)險段超前物探工作提供參考。