董 晉

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300000)

1 引 言

隨著鐵路網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和“一帶一路”倡議的深入實(shí)施，新建鐵路項(xiàng)目逐漸向艱險復(fù)雜山區(qū)轉(zhuǎn)移，為了保持線路的平順性和運(yùn)輸安全及生態(tài)環(huán)境，隧道工程的比例越來越高，且長度和埋深不斷加大。因此遇到的隧道工程地質(zhì)問題也越來越復(fù)雜。在建設(shè)復(fù)雜地區(qū)的隧道工程，特別是穿越富水區(qū)域時，經(jīng)常會在隧道開挖過程中遭遇大型溶洞、涌水、突泥、暗河等地質(zhì)災(zāi)害。然而，由于地面勘察手段和精度的限制以及地下富水發(fā)育的不規(guī)律性，根據(jù)地面勘察資料做出的設(shè)計圖紙與現(xiàn)場開挖情況不符的現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)。因此，在復(fù)雜隧道開展超前地質(zhì)預(yù)報，對富水段落的準(zhǔn)確探測和隧道的施工極其重要。

以往隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作普遍使用單一的方法，如地質(zhì)雷達(dá)或TSP，來探測前方情況。工程實(shí)踐證明，采用某一種預(yù)報方法進(jìn)行探測，其預(yù)報結(jié)果不能全面、準(zhǔn)確地預(yù)報開挖面前方圍巖及地下水變化情況，易造成誤報、漏報現(xiàn)象。因此采用多種超前地質(zhì)預(yù)報相結(jié)合的綜合探測方法能夠大大提高探測精度[1-4]。本文根據(jù)某鐵路隧道的地質(zhì)與水文情況，采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)對復(fù)雜地質(zhì)富水隧道進(jìn)行超前探測，取得了良好的效果。

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法

綜合超前地質(zhì)預(yù)報是一種結(jié)合多種超前地質(zhì)預(yù)報方法，采用將長期預(yù)報、短期預(yù)報、探水、地質(zhì)反饋分析等相結(jié)合的預(yù)報方式。每類技術(shù)有各自的適用范圍、敏感特性和優(yōu)缺點(diǎn)。通過選取多種預(yù)報方法，其預(yù)報物性參數(shù)可以相互補(bǔ)充配合，預(yù)報結(jié)論可以相互印證，從而可以更加全面、準(zhǔn)確地表現(xiàn)出來[5-8]。

2.1 TSP

TSP(Tunnel Seismic Prediction)是應(yīng)用地震波在傳播過程中遇到不均勻地質(zhì)體(存在波阻抗差異)時會發(fā)生反射的原理，結(jié)合隧洞的特點(diǎn)，設(shè)計沿隧洞后方布置震源和傳感器來探測隧洞前方地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的觀測系統(tǒng)。與常規(guī)地面地震勘探關(guān)注介質(zhì)垂直變化不同，TSP更關(guān)注介質(zhì)的水平變化情況。為了從地震記錄中獲得隧洞前方反射波信息，在數(shù)據(jù)處理過程中進(jìn)行上下行波場分離并保留下行波(負(fù)視速度)，處理本質(zhì)上就是壓制來自測線垂向上的信息而保留來自水平方向上的反射信息。通過數(shù)據(jù)處理可以獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學(xué)參數(shù)等成果，以及反射層在探測范圍內(nèi)的2D或3D空間分布，從而了解隧道工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)和位置及規(guī)模[9-11]。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)采用的是時間域脈沖雷達(dá)，將寬頻帶的高頻脈沖電磁波發(fā)射到前方圍巖介質(zhì)中，通過接收反射回來的電信號達(dá)到探測掌子面前方圍巖情況的目的。雷達(dá)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[12,13]。地質(zhì)雷達(dá)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(xì)探測。

2.3 瞬變電磁

瞬變電磁是時間域電磁方法的一種，通過對發(fā)射小線圈加載一個電流脈沖方波，電流脈沖方波在下降的瞬間，根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，沿電流方向?qū)a(chǎn)生一個向隧道圍巖四周傳遞的一次瞬變磁場，圍巖在瞬變磁場的感應(yīng)下將產(chǎn)生渦流，而渦流大小與圍巖的導(dǎo)電能力呈正比關(guān)系。在瞬變磁場消弱以后，感應(yīng)渦流將會有一段過渡衰減過程，該衰減過程會產(chǎn)生二次感應(yīng)磁場。使用探頭或小線圈在隧道開挖掌子面捕捉接收二次感應(yīng)磁場，通過接收到的磁場判斷圍巖介質(zhì)情況[14-16]。

2.4 CFC

CFC(Complex Frequency Conductivity)是復(fù)頻電導(dǎo)率方法的簡稱,是一種超前探水探測系統(tǒng)，它屬于電磁波探水技術(shù)。巖體是具有電導(dǎo)率與電容率的復(fù)頻電導(dǎo)介質(zhì)，含水后復(fù)頻電導(dǎo)率增大，本征阻抗降低。電磁波遇到本征阻抗變化的界面就會發(fā)生反射。使用100 kHz～10 MHz中頻段的電磁波，利用中頻探測時，入射和反射的電磁波在空間和時間上相互干涉，相干的結(jié)果在發(fā)射點(diǎn)與反射面之間形成駐波，有波腹點(diǎn)與波節(jié)點(diǎn)。對于含水界面，反射波具有半波損失，并且波腹點(diǎn)的相干條件是從接收點(diǎn)到反射界面的距離是1/4波長的奇數(shù)倍，波節(jié)點(diǎn)的條件是1/2波長的整數(shù)倍。在波腹點(diǎn)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。相干幅度的大小，反射波的強(qiáng)度，都與含水量相關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)掌子面前方圍巖含水位置與含水量的預(yù)報[17,18]。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況及地質(zhì)分析

某鐵路隧道工區(qū)位于安徽省黃山市休寧縣藍(lán)田鎮(zhèn)南北塢村境內(nèi)，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，隧址區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺一級構(gòu)造單元的江南臺隆，多發(fā)育東西向、北北東向、山字型及多字型等構(gòu)造體系。隧址區(qū)出露的地層主要為第四系殘坡積層粉質(zhì)黏土、細(xì)角礫土，下伏基巖為：震旦系上統(tǒng)皮園村組硅質(zhì)巖、白云質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)炭質(zhì)泥巖，局部夾炭質(zhì)灰?guī)r；震旦系中統(tǒng)休寧組砂巖，夾泥質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等。地下水類型主要為基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水和巖溶水，由于山體切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫，地下水徑流途徑較短，受大氣降雨影響較大，局部淺埋及構(gòu)造帶處地下水直接接受附近地表溪流短距離補(bǔ)給[19,20]。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查成果，區(qū)內(nèi)共有5條斷層、5處節(jié)理密集發(fā)育帶及多處巖性接觸帶，多順溝谷走向或在線路附近穿越溝谷或地表水體，構(gòu)造帶與地表水可能存在一定的水力聯(lián)系，易導(dǎo)水，為可能的涌水通道，在隧道開挖過程中可能易引發(fā)滲水、突涌水現(xiàn)象。依據(jù)專家風(fēng)險評估，該隧道為II級高風(fēng)險隧道。

通過查看該隧道縱斷面設(shè)計圖，該隧道施工段落XDK0+356～XDK0+140主要為弱風(fēng)化砂巖，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，巖體較完整，地下水主要為基巖裂隙水，不發(fā)育。里程XDK0+290現(xiàn)場開挖面揭示為：細(xì)砂巖，灰綠色，弱風(fēng)化，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，薄層—中厚層結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀95°∠66°，泥質(zhì)充填，節(jié)理裂隙較發(fā)育，掌子面未見地下水。

超前地質(zhì)預(yù)報方法中TSP可以進(jìn)行長距離探測，對斷層、破碎巖體段落探測準(zhǔn)確度較高；地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行短期預(yù)報，其方法對圍巖破碎程度更為敏感；瞬變電磁和CFC對圍巖富水性的預(yù)判較為準(zhǔn)確。綜合工區(qū)現(xiàn)場情況，本文針對性地制定綜合預(yù)報方案，選用以上四種方法進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報探測。

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報觀測系統(tǒng)布置

3.2.1 TSP現(xiàn)場布置

儀器設(shè)備使用TETSP-2隧道地震超前探測系統(tǒng)及三分量加速度地震檢波器。數(shù)據(jù)共24道，采樣長度170 ms，采樣率0.083 ms。現(xiàn)場設(shè)置接收孔2個，距離掌子面約55 m，孔深1.5 m，接收孔保持水平，在隧道兩側(cè)對稱位置設(shè)置，用黃泥封孔；現(xiàn)場布置炮孔24個，位于接收孔同一側(cè)邊墻，炮孔1距離接收孔20 m，炮孔24距掌子面1.5 m，炮孔間距1.5 m，孔深1.5 m，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 The arrangement of TSP

3.2.2 地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場布置

儀器設(shè)備使用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-4 000型地質(zhì)雷達(dá)及100 MHz屏蔽天線進(jìn)行探測。根據(jù)現(xiàn)場探測條件，在掌子面布置了測線1條，測線距掌子面底板高度為1.5 m，測線從左至右長為9 m，地質(zhì)雷達(dá)施工做業(yè)示意圖如圖2所示。

3.2.3 瞬變電磁現(xiàn)場布置

儀器設(shè)備使用HPTEM-18等值反磁通瞬變電磁系統(tǒng)，采集設(shè)備發(fā)射電流60 A，發(fā)射頻率12.5 Hz。根據(jù)現(xiàn)場探測條件，從掌子面左側(cè)開始布置測點(diǎn)，至右側(cè)為止共布置8個測點(diǎn)，測點(diǎn)間隔1 m，每個測點(diǎn)向正前方探測掌子面巖層的電性變化情況。隧道頂板、隧道中線、隧道底板共布置3條測線，數(shù)據(jù)采集測點(diǎn)合計24個，瞬變電磁施工布置如圖3所示。

3.2.4 CFC現(xiàn)場布置

儀器設(shè)備使用TD-CFC復(fù)頻電導(dǎo)隧道超前探水系統(tǒng)，CFC采用一組發(fā)射電極、多組接收電極，組合成陣列觀測方式。洞壁兩側(cè)對稱布置；每側(cè)5個接收電極，1個發(fā)射電極；電極間距為10 m；接收電極M1、N1距掌子面10 m，電極埋入深度1.5 m，電極與圍巖通過錨固劑良好耦合，CFC超前探水施工布置如圖4所示。

3.3 探測結(jié)果及分析

上述四種綜合超前地質(zhì)預(yù)報探測里程示意圖如圖5所示。

圖5 綜合超前地質(zhì)預(yù)報示意圖Fig.5 Schematic diagram of comprehensive advanced geological prediction

在里程XDK0+347、XDK0+290分別施工做業(yè)TSP和CFC，探測前方圍巖情況。TSP數(shù)據(jù)通過觀測系統(tǒng)定義→濾波→初至拾取與校正→炮能量均衡→反Q濾波→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層等處理。圖6為TSP深度偏移剖面及反射層提取圖，圖7為TSP波速曲線圖。

圖6 TSP深度偏移剖面及反射層提取Fig.6 The depth migration profile and reflection layer extraction image of TSP

圖7 TSP波速曲線Fig.7 The wave velocity curve of TSP

從圖6 TSP深度偏移剖面及反射層提取圖可以看出,里程XDK0+267～XDK0+187段反射信號較強(qiáng)，存在多組明顯波阻抗界面。從圖7波速曲線圖中可以看出，里程XDK0+267～XDK0+250段和XDK0+237～XDK0+207段縱波速度起伏劇烈，XDK0+267～XDK0+247段及XDK0+227～XDK0+200段橫波速度下降明顯，縱橫波比明顯上升，推測該段落節(jié)理裂隙相對發(fā)育，可能存在節(jié)理密集帶，地下水相對發(fā)育。

CFC數(shù)據(jù)通過記錄選取→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，成果如圖8所示。

圖8 CFC偏移圖像Fig.8 The migration image of CFC

CFC彩色圖像表示偏移成像后相干能量強(qiáng)度圖，其中紅色、黃色、綠色、藍(lán)色條紋表示相干能量強(qiáng)度由強(qiáng)到弱，相干能量越強(qiáng)，反射波越強(qiáng)，含水可能性和含水量越高。從圖8中可以看出，XDK0+225～XDK0+195段以黃綠色為主，反射波稍強(qiáng)，推測該段圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，可能存在節(jié)理裂隙密集帶，地下水較發(fā)育。其中XDK0+225～XDK0+195段相干能量較強(qiáng)，與TSP結(jié)論吻合。XDK0+280～XDK0+225段CFC探測相干能量譜為藍(lán)綠色，推測富水可能性較小。

為準(zhǔn)確得出預(yù)報結(jié)論，分別于里程XDK0+280、XDK0+230施工做業(yè)瞬變電磁和地質(zhì)雷達(dá)。瞬變電磁數(shù)據(jù)通過干擾校正→數(shù)據(jù)預(yù)處理→圓滑處理→反演計算等過程成果如圖9所示。

圖9 瞬變電磁視電阻率Fig.9 Apparent resistivity diagram of transient electromagnetic method

圖9(a)為隧道中線瞬變電磁視電阻率成果圖，圖9(b)為結(jié)合頂板和底板數(shù)據(jù)組成隧道三維視電阻率圖。據(jù)圖9分析，XDK0+280～XDK0+240段視電阻率較高，推測圍巖完整性較好，右邊墻里程XDK0+210至XDK0+190段到左邊墻XDK0+220～XDK0+200段，視電阻率明顯較低，為低阻區(qū)域，疑似富水區(qū)。

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)預(yù)處理→濾波→背景去噪→調(diào)節(jié)增益→滑動平均等處理，測線剖面成果如圖10所示。

圖10 地質(zhì)雷達(dá)測線波形Fig.10 Waveform diagram of GPR

掌子面前方0～3 m，電磁波振幅能量較強(qiáng)且不連續(xù)，推測受開挖擾動所致。掌子面前方3～8 m，電磁波反射能量較弱，同相軸較連續(xù)，推測圍巖較完整。掌子面前方8～22 m，電磁波出現(xiàn)強(qiáng)反射界面，同相軸局部錯斷不連續(xù)，波形雜亂，推測該段圍巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，易富集地下水。掌子面前方22～35 m，電磁波反射能量減弱，未出現(xiàn)明顯反射界面，推測圍巖完整性較好。

3.4 綜合超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)論與實(shí)際揭露情況對比

超前地質(zhì)預(yù)報施工做業(yè)后，對現(xiàn)場開挖實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行跟蹤并記錄，綜合超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)論與隧道實(shí)際開挖情況對比如表1所示。圖11(a)～圖11(c)分別為里程XDK0+280、XDK0+256、XDK0+218實(shí)際揭露地質(zhì)情況圖。

表1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)論與隧道實(shí)際開挖情況對比

圖11 掌子面圍巖情況Fig.11 Surrounding rock condition of tunnel face

4 結(jié) 論

1)綜合超前地質(zhì)預(yù)報實(shí)施探測前需充分了解相關(guān)地質(zhì)區(qū)域概況等信息，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況選取有效的超前預(yù)報方法。并且預(yù)報人員需將地質(zhì)設(shè)計圖等作為參照，對現(xiàn)場開挖面情況時刻保持警覺。

2)TSP數(shù)據(jù)結(jié)果對圍巖破碎程度敏感度較高，縱波速度變化劇烈即出現(xiàn)多段波阻抗界面的區(qū)域往往圍巖破碎不均一，縱橫波比明顯上升時表明含水可能性大大增加，但易引起誤判，所以需要和其他超前預(yù)報方法綜合分析含水性。CFC和瞬變電磁法對富水情況探測較為準(zhǔn)確，相干能量較強(qiáng)和視電阻率較低的區(qū)域易富集地下水，但其探測結(jié)果對圍巖破碎程度指導(dǎo)意義有限。地質(zhì)雷達(dá)能準(zhǔn)確探測前方圍巖破碎程度，但是否含水需其他方法輔助進(jìn)行綜合評價。通過上述綜合超前地質(zhì)預(yù)報解譯，對掌子面前方的基本地質(zhì)條件，包括斷層、巖體破碎情況、地下水情況等可以進(jìn)行精準(zhǔn)的探測。

3)超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果應(yīng)與施工揭示的掌子面情況進(jìn)行分析與對比，這樣有利于及時總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，綜合每個超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的特點(diǎn)，不斷提高預(yù)報水平。

4)由于隧道地質(zhì)條件的復(fù)雜性，每一種超前地質(zhì)預(yù)報方法都有其適用性和局限性，為了提高預(yù)測的精度和準(zhǔn)確率，開展綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)研究是十分必要的。本文通過四種預(yù)報方法，證明綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在某鐵路復(fù)雜地質(zhì)富水隧道探測中取得了較好的效果，研究成果可為類似隧道工程的超前預(yù)報提供參考和借鑒。