物探在隧道工程中的综合运用及其互补性分析

常帅斌

随着科学技术的不断进步，物探技术的发展日趋成熟，应用领域不断拓宽，而且物探技术方法门类众多，其原理和使用的仪器设备也各有不同。将物探技术应用于隧道工程，可使其在工程设计、施工、运营不同阶段、不同空间、不同目的实现提前预测、过程精测及工后监测之作用，保证结构物施工安全和运营安全。

1 隧道工程中物探手段的选择

在隧道工程中物探技术常用探测方法有以下几种:1)电法勘探;2)地震勘探;3)弹性波测试;4)物探测井;5)地质雷达技术等。综合物探就是以这些物探方法为基础，把两种或两种以上的物探方法有效地组合起来，达到共同完成或解决某一地质或工程问题的目的。本文重点对隧道常用的综合物探手段，如基础地质法、电法、高精度磁法、可控源音频大地电磁法、TSP、地质雷达、红外探水等原理、仪器及应用范围分析，以期取得最佳的地质效果和社会、经济效益，满足工程建设的需要。

2 物探手段的特点及其互补性分析

2.1 基础地质法

1)收集整理工程区域地质资料，结合地质调查进行资料分析，研究区域地质背景，从而判断本段软弱带的优势断裂发育方向、规模及可能的地质灾害;

2)仔细分析前期地质资料，并进行现场复核和勘察，在地表准确鉴别不良地质体的性质、位置、岩体质量，精确调查和测量不良地质体空间展布参数;

3)洞内地质素描工作，根据隧道掌子面开挖进度随时开展基础地质工作，地质素描资料通过整理后以地质展示图、剖面图的形式，为地质超前预报物探测试及分析提供基础资料或预报警报。

2.2 卫星遥感影像

收集卫星遥感影像，根据近期卫星遥感影像可以相对清晰解释圈定主要线性构造或隐伏断裂的地表位置。

2.3 高精度磁法

基本原理是利用岩石的不同磁性特征解决地质问题的地球物理勘查方法。不同的岩石其磁性存在差异，同一岩性受构造作用后其磁性与完整岩石也会出现一定的变化，这是高精度磁测用于圈定基性岩脉和构造破碎带的地球物理基础。具体工作模式即在地面使用高精度磁力仪对工作剖面逐点进行观测，对原始读数进行改正、滤波等处理后，分析、研究磁场异常，进而推断解释岩性的分界线或断裂破碎带。

2.4 可控源音频大地电磁法(CSAMT)

可控源音频大地电磁法(简称CSAMT)，其工作原理是:地下岩石在人工场源激发下，在电流流过时会产生电位差，由于不同频率的电磁场在地层中的传播深度不同，频率越低穿透越深，所反映深度与频率构成一个数学关系，且不同电导率的岩石在电流流过时所产生的电位和磁场不同，通过地表仪器测量电场(Ex)与磁场(By)的水平分量求取地下介质的卡尼亚电阻率。通过卡尼亚电阻率值差异即可发现和解决地质问题。隧道工程是利用构造破碎带与基岩的电性差异圈定构造破碎带，因为岩石破碎后其导电性与完整基岩相比有明显增大，其电性差异是明显的，另构造破碎带中若充水则电性差异将更明显。

2.5 TSP

TSP主要采用回声测量原理。地震波在指定的震源点(在隧道的右/左边墙，大约24个炮点布成一条直线)用小量炸药激发产生。地震波在岩石中以球面波形式传播。当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的三分量传感器接收。反射信号的强弱与反射界面两侧的岩性有很大关系，反射界面两侧的岩性差异越大，反射回来的信号越强，预报的范围也就更大，一般根据围岩情况可预测掌子面前方100 m～150 m的范围。

2.6 地质雷达探测

地质雷达(GPR)其工作原理为电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射信号，经目标体反射或透射，被接收天线接收HJ。根据精度的不同，其预测范围为掌子面前方5 m～30 m。

2.7 红外探水

岩层由于分子振动和晶体格振动，每时每刻都在向外辐射电磁波，并形成红外辐射场。红外探测技术就是通过红外探测前方一定范围内的红外辐射场的变化，即通过探测仪显示出红外辐射温度的变化。当探测前方不存在隐伏的地质异常体时，红外辐射场就是一常值。当探测前方一定范围内存在隐伏的地质异常体时，地质异常体产生的辐射场就要叠加在正常辐射场上，从而使得正常辐射场发生畸变。因此根据红外辐射场曲线的变化规律，就可以全空间、全方位探查地质异常体。在隧道掘进现场，当掌子面前方存在含水构造时，含水构造产生的异常红外辐射场会叠加到围岩的正常辐射场上，仪器显示屏上的曲线出现数据突变。而当掌子面前方没有含水构造时，所测定的红外辐射场为正常场值，数据曲线近似为一条直线。

3 工程实例

3.1 工程概况及物探手段的选择

某隧道在实际施工过程中，隧道多次出现小型软弱或断层带，在一号断层连续两次出现涌泥现象，每次涌泥量达2万m3;二号断层出现较大突水，突水量达12 000 m3/d，持续时间约20 d。针对本隧道特点及出现的地质问题，对该隧道进行了补充综合地质物探勘查，重点对涌泥和突水勘查其形成原因及一、二号断层间未贯通地段进行预测。在该工程中，补充进行了地面综合地质物探工作，并通过洞内综合物探手段进行验证，地面主要选择采用了地面水文地质、工程地质专项调查，高精度磁法剖面测量、可控源音频大地电磁法等综合地质物探方法进行勘测。洞内采用TSP、地质雷达、红外探水等物探手段和水平钻孔物理手段进行验证。

3.2 实际应用

3.2.1 收集资料分析

通过对已有地质资料(1∶200 000幅区域地质调查报告;1∶50 000幅区域地质调查报告)、卫星遥感影像图及地质调查，得出基本结论:本区规模较大的线性影像主要为NEE向(60°～70°)、NNW向(330°～340°)两组，其次有近S-N向、近E-W向两组。区内主体岩性为早白垩世浅肉红色晶洞中(细)粒碱长花岗岩，地表基岩露头表现的断裂构造形迹主要为节理裂隙和沿裂隙充填的岩脉。

3.2.2 高精度磁法

高精度磁测网布设除覆盖隧址中线的测线之外，其余测线均大致垂直于主要构造线，两组测线方位分别为0°和70°。高精度磁测使用GSM-19T质子磁力仪，探头高度选用1.8 m。观测磁场总量，经基点、日变改正、高度改正计算各观测点磁异常(ΔT)。

3.2.3 可控源音频大地电磁法(CSAMT)

CSAMT测线以隧址中线为主，另在涌泥点、突水点各布1条垂直测线，在隧址中线与梁山水库之间布设两条平行测线。CSAMT数据采集使用美国ZONGE公司生产的GDP-32Ⅱ型多功能电法接收机和GGT-10发射机系统。测量过程中采用多次叠加的技术确保数据质量。

3.3 效果验证

3.3.1 综合地质物探成果

1)未开挖段不良地质段分析。根据地质调查—物探勘查成果综合归纳，节理(密集带)裂隙与岩脉组合结合磁异常与低阻异常配套分析，勘查区内隧址中线共存在12处构造薄弱带。2)涌泥段分析。一号断层涌泥段以强风化花岗斑岩岩土体为主，主要为灰白色～土黄色砂质粘性土、含碎石粘性土间夹部分球状风化残留体，风化壳巨厚，可达±300 m。区内地表水丰富，地下水含水层发育，地表水长期下渗和地下水富集汇聚致使强风化岩土体处于水饱和或过饱和状态，隧道工程掘进打穿构造薄弱带(强、弱风化带界线)，在上部富水岩土体重力作用和地下水动力作用下，形成涌泥突水。3)突水段分析。二号断层隧道突水主要来源于隧址右侧和沿线两侧的地下水补给，主要导水构造可能是与隧址中线交角较大的北西向构造裂隙，北东向构造与北西向构造交切复合部位及其附近区域是主要突水隐患所在。

3.3.2 洞内物探验证情况

在综合地质物探基础上，在实际施工过程中，通过TSP超前地质预报、地质雷达、红外探水、全段超前钻孔和每开挖循环数码相机拍摄等手段进行验证，验证结果总体吻合，充分说明地表综合地质物探索在宏观掌握隧道地质情况与洞内微观实施综合地质预报的前瞻性和互补性，对隧道施工过程中采取科学的工程措施和应急预案提供了有利的依据，减少或避免了隧道风险。

4 结语

隧道施工由于其固有复杂性和特殊性及物探方法的局限性、多解性，因此地质超前预报不应拘泥于一种或几种预报方法，而要根据物探仪器的不同特点进行互补分析，避免单一物探手段的多解性，地质预报的对象为地质体，只有在对基础地质有深刻认识的基础上，根据隧道整体的工程地质特点，采用地表和洞内综合物探相结合、综合物探和物理钻探相验证和对仪器分析成果进行综合判断才可以得到比较可靠的结论。

［1］ GB/T 14158-93，区域水文地质工程地质环境地质综合勘查规范(1∶50 000)［S］.

［2］ DZ/T 0071-1993，地面高精度磁测技术规程［S］.

［3］ DZ/T 0217-2006，电偶源频率电磁测深法技术规程［S］.

［4］ 电法勘探原理与方法［M］.北京:地质出版社，2003.

［5］ 邱 懿.综合地质超前预报技术在某隧道工程中的应用［J］.四川建筑，2009(10):50-51.