综合物探技术在隧道基底岩溶探测中的应用

刘　杰，杜　翠，程远水( 1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　100081; 2．高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京　100081)



综合物探技术在隧道基底岩溶探测中的应用

刘杰1，2，杜翠1，2，程远水1，2
( 1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081; 2．高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081)

摘要:岩溶塌陷是铁路建设中经常遇到的地质灾害，具有隐蔽性、突发性等特点，是隧道工程主要安全隐患之一。本文采用探地雷达和地震映像相结合的综合物探技术，对准格尔—朔州铁路六郎山隧道底部进行岩溶探测。首先应用探地雷达技术对整个隧道底部进行全面探测，初步识别隧道底部岩溶的分布范围、岩溶类型、岩溶发育程度等异常情况，再利用地震映像技术对异常区域进行验证，从而最终确定岩溶的分布。两种方法相互验证，减少了误判，效果良好。

关键词:隧道基底岩溶探地雷达地震映像综合探测

岩溶是水对可溶岩的化学溶解作用与机械破坏作用以及由这些作用所引起的各种地质现象与形态的总称［1］。岩溶因具有隐蔽性、突发性、危害大等特点，是隧道工程中主要的安全隐患。每年由岩溶塌陷引起的安全事故数量多，损失巨大，严重影响隧道建设以及隧道运营安全［2］，因此，查明在建隧道岩溶的分布，并及时进行加固处理十分必要。目前，岩溶探测主要有钻探和物探两种方法。钻探属于破损检测，其结果比较准确，但是探测速度缓慢，费用高，只能单点检测，检测结果不全面，容易遗漏;物探方法具有探测速度快，精度高，无损、费用低廉等特点，被广泛应用于岩土工程中。常用的岩溶物探方法有浅层地震法［3］、电阻率测深法［4-5］、探地雷达法［6-10］等。本文采用探地雷达和地震映像相结合的综合物探方法对山西准朔铁路六狼山隧道底部岩溶进行探测，验证检测效果。

1　工程概况

六狼山隧道位于管涔山脉中段东侧边缘，地势西高东低，海拔在1 260～1 810 m，最大埋深549 m。中部属中、低山，该区以强烈剥蚀、切割地质作用为主。大部分区域有奥陶系碳酸岩系地层出露，地形起伏较大。

隧道地下水类型主要为孔隙潜水、岩溶水、基岩裂隙水和构造水。其中，孔隙潜水分布于隧道区东部、南部，主要赋存于第四系土石界面及沟谷碎石类土层中，受气候影响较大;裂隙岩溶水主要分布于奥陶系和寒武系碳酸岩地区。含水层岩性主要为白云岩和灰岩。区域岩溶水补给面积大，而浅层排泄量小，裂隙、溶隙、溶孔较为发育。

隧道区域存在两条较大的断层，即FY1逆断层和FY2大倾角正断层。该区域属于太行山—吕梁山—阴山控制区域的第三隆起带，古岩溶较为发育。在初期地质勘察报告中存在十几处低电阻异常区，推测为岩溶发育区，但在隧道开挖过程中，没有揭露到。为了防止岩溶位于隧道底部，危及隧道安全运营，在隧道贯通以后对隧道底部进行一次岩溶调查。采用的方法为探地雷达和地震映像相结合的综合物探方法，并配合少量的钻探进行验证。

2　探测方法

2. 1探地雷达

探地雷达通过天线向地下发射高频率、宽频带的短脉冲电磁波，电磁波在地下介质传播过程中，在不同电性介质的交界面，电磁波发生反射和透射。反射电磁波被接收。通过计算电磁波在介质中的双程走时、振幅大小、频谱、相位以及衰减等信息，来判断地下异常体的大小、埋深和性质。

2. 2地震映像

地震映像是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的。是以相同的偏移距逐步移动测点接收地震信号，对隐伏地层或目标体进行连续扫描，利用多种地震波信息来探测地下介质变化的浅层地震勘探方法。该方法以小偏移距、小点距密集采集人工激发的弹性波中的面波、反射波等地震波信息。可以利用多种地震波作为有效波来进行探测，也可以根据探测目的要求，仅采用一种特定的地震波作为有效波。依据地震映像资料在运动学和动力学方面的变化特征，分析地下介质的非连续性和各向异性变化，从而推断岩溶、溶洞、空洞的形态、规模及空间分布，圈定岩溶发育带。

3　数据采集

3. 1探地雷达数据采集

为获取较好的岩溶探测效果，本次隧道基底岩溶探测选用美国GSSI公司生产的10-B型探地雷达，配置100 MHz加强型天线。为保障一定探测深度，采样时间为500 ns，采样点数为1 024点，7点自动增益，全通型滤波器。为保证岩溶探测位置的准确性，在数据采集过程中，每5 m桩号打单标，整100 m桩号打双标，整1 000 m桩号打三标。在整个数据采集过程中探测速度保持匀速且≤5 km/h。

3. 2地震映像数据采集

地震映像探测仪器是美国ES-3000简约式浅层地震仪，配置30 kHz，100 kHz两种检波器，锤击震源。经现场噪音调查试验，确定地震映像采集参数为:采样间隔25 μs，采样点数8 192，偏移距(炮检距) 5 m，道间距0. 5 m。

4　数据处理

数据处理是综合物探方法的重要环节。在数据采集过程中，不仅采集到地下有效的异常信号，也采集到周围环境干扰信号，以及由于仪器设备自身原因所产生的水平干扰信号，因此，必须对采集到的原始数据进行必要的处理，压制干扰信号，突出有效信号，提高原数据的信噪比，有利于异常结构的诊断和判识。

探地雷达数据处理步骤主要包括零点校正、漂移去除、增益处理、滤波处理、频率补偿、反褶积、小波变换等。

地震映像数据处理分为两个阶段:①将记录数据处理成图像，从图像上进行巡视，确定标志层与异常，分析异常处的相位特征、频率特征等;②用专用软件包对所确定的异常进行处理。数据处理通过地震道信号预处理、静校正、振幅补偿和空间滤波形成地震映像资料，再根据影像资料结合工程地质特征进行地基状态评估。

在地震映像时间剖面上，那些具有低速、散射、频率变化、能量衰减明显等特征，且呈现低频振荡的异常区域，推断有岩溶、溶洞、空洞、软弱层等不良地质体存在;在地震映像时间剖面上呈现多相位、波组不连续、同相轴错断、断面波等特征，且能量、速度不明显降低的异常区域，推断有破碎、断裂构造。

5　探测结果

通过对探地雷达数据的处理，在雷达剖面上可以明显地发现，在本次探测的区段中岩溶情况较为发育。根据岩溶在雷达剖面上的表现形式把测区内的岩溶分为断层破碎带岩溶、溶洞充填型岩溶、裂隙型岩溶等。

图1 DK22 + 950—DK22 + 990探地雷达剖面

断层破碎带岩溶。图1为该隧道DK22 + 950—DK22 + 990探地雷达剖面。从整个雷达剖面上可以看出:在0～45 ns范围内，存在一组水平连续的反射波，这是隧底至仰拱充填混凝土部分反射特征;在DK22 + 955—DK22 + 985，60～170 ns存在一个倾角较大的反射界面，该界面把两侧的水平同相轴截断并错开，从结构上推断该反射界面为断层面;在倾斜反射界面下方，反射波同相轴不连续，反射能量强、反射零乱，推测为断层错动产生的破碎体，反射能量强表明破碎体含水较多。结构体岩性为碳酸岩，因此推测该处为断层破碎带导致的岩溶体。

为验证探地雷达检测的效果和确定岩溶规模，分别采用地震映像和钻探取芯法对该区域进行了探测。图2为DK22 + 940—DK23 + 015地震映像剖面和DK22 + 970处岩芯照片。在地震映像剖面上，DK22 + 950—DK22 + 985范围内，5 ms时间下方，地震波近似呈弧形反射，在弧形反射下方，地震波组不连续、零乱，并伴有多次震荡，推测该处地层极为破碎。DK22 + 970处的岩芯情况与探地雷达和地震映像探测的结果相当吻合。

溶洞充填型岩溶。对于没有充填的溶洞，由于溶洞与围岩的相对介电常数存在较大的差异，溶洞在雷达剖面上很容易识别出来;但是如果溶洞受到外来的物体充填，洞体与围岩的相对介电常数差异变小，反射能量降低，在雷达剖面上界限不明显，很难分辨。对此可以从溶洞周边围岩反射同相轴变化以及溶洞内充填物的反射特征来确定。图3为DK32 + 985—DK33 + 025探地雷达剖面。由图可见:在0～70 ns雷达反射波平直连续无异常;在70 ns下方，在DK32 + 990—DK33 + 025两侧反射信号同相轴畸变呈弧形;内部反射信号同相轴不连续、零乱，波组变宽、频率降低、反射能量增强，表明内部岩体破碎且含水量较大。推测该处为溶洞充填型岩溶。

图2 DK22 + 940—DK23 + 015地震映像剖面及DK22 + 970处岩芯照片

图3 DK32 + 985—DK33 + 025探地雷达剖面

图4为DK32 + 995—DK33 + 050地震映像剖面和DK33 + 010处岩芯照片。从图4 ( a)可以看出，在DK32 + 995—DK33 + 050范围内，15 ms以下地震波能量衰减较慢，震荡十分强烈，表明该处岩石特别松散破碎。从图4( b) DK33 + 010处钻芯照片可以看出，在4～8 m深度范围内围岩十分破碎，在8～10 m深度范围内均为含水率较大的黏土充填，与探地雷达和地震映像结果基本吻合。

图4 DK32 + 995—DK33 + 050地震映像剖面及DK33 + 010处岩芯照片

裂隙型岩溶。图5为DK23 + 170—DK23 + 220探地雷达剖面，从图5可以清晰地看到几组从右上方向左下方倾斜的平行反射信号( A，B，C，D)。根据地质资料，推断这几组平行反射为岩层面(或节理面)的反射。此外，在图5中还存在几组倾角较大的由左上角向右下角倾斜的反射信号( a，b，c，d)，这几组反射信号与前述的A，B，C，D反射信号斜交，形成几组相互切割的“X”形反射界面。由“X”形反射信号的振幅较大，能量较强，推测含水较多;再根据雷达剖面反射信号的形态，推测该处为裂隙型岩溶。

图5 DK23 + 170—DK23 + 220探地雷达剖面

6　结论

1)通过探地雷达和地震映像综合检测，该区域无大型岩溶，但中小型岩溶较发育，岩溶类型较多，其发育规模和大小受断裂构造的控制。

2)探地雷达和地震映像对隧道底部岩溶均有较好的响应。对于浅层岩溶，探地雷达有更高的分辨能力;对于深层岩溶，地震映像有更强的穿透力。

3)由于地球物理探测方法自身具有多解性，单一的物探方法都难于准确判断出岩溶病害，因此采用两种或两种以上的综合物探方法可以有效克服单一物探方法自身的局限性，能够较为准确地确定岩溶病害的位置、性质和规模等。

4)综合物探方法是一种无损检测方法。不同的物探方法可以相互验证，减少误判，可以为工程建设节省大量时间和财力，是岩溶探测的发展趋势。

参考文献

［1］铁道部第二勘测设计院．岩溶地质工程［M］．北京:中国铁道出版社，1984．

［2］蒋小珍，雷明堂，顾微芳，等．线性工程路基岩溶土洞(塌陷)监测技术与方法综述［J］．中国岩溶，2008，27( 2) : 172-176．

［3］卢浩．岩溶地区铁路既有线路的路基病害探测研究［J］．铁道运营技术，2010，16( 4) : 19-21．

［4］李增明，贾国章．高密度电阻率法在岩溶探测上的应用［J］．新疆有色金属，2010，33( 5) : 16-18．

［5］杨天春，周勇，李好，等．应用物探方法探测高速公路路基岩溶［J］．工程勘察，2010，38( 4) : 80-82．

［6］吴博，王佐强，赵雪峰．地震映像在浅部隐伏岩溶探测中的应用及分析［J］．西部探矿工程，2013，25( 3) : 151-152．

［7］李大虎．探地雷达在探测墩下隐伏岩溶中的应用［J］．重庆工学院学报(自然科学版)，2009，23( 2) : 50-54．

［8］崔阿李，刘康和．探地雷达技术在岩溶探测中的应用［J］．地球科学与环境学报，2008，30( 2) : 197-199．

［9］李光旭，顾汉明，詹凤林，等．地质雷达结合地震映像法在铁路隧道底部隐伏岩溶探测中的应用［J］．工程地球物理学报，2009( 6) : 783-786．

［10］刘云祯．工程物探新技术［M］．北京:地质出版社，2006．

(责任审编葛全红)

Application of comprehensive geophysical exploration technologies for probing karst under tunnel invert

LIU Jie1，2，DU Cui1，2，CHENG Yuanshui1，2
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，Beijing 100081，China)

Abstract:Karst collapse is one of the common geological hazards in railway construction，which has the characteristics of concealment and emergency and is one of the major security risks for the tunnel project．T his paper adopted comprehensive geophysical exploration technology by combing the ground penetrating radar( GPR) and the seismic image，and made karst exploration at the bottom of Liulangshan tunnel in Zhungeer-Shuozhou railway．Overall exploration of whole tunnel bottom was implemented by GPR，which could initially identify such abnormal conditions as the distribution range，the karst type and the karst development degree at the bottom of the tunnel，the abnormal regions were verified by seismic image technology，and the karst distribution was determined finally．T wo methods are validated by each other，reducing the false positives，and the good effect is achieved．

Key words:T unnel basement; Karst; Ground penetrating radar( GPR) ; Seismic image; Comprehensive exploration

文章编号:1003-1995( 2016) 01-0038-05

中图分类号:P631．4+4

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．08

作者简介:刘杰( 1971—)，男，副研究员，博士。

基金项目:中国铁道科学研究院基金项目( 2015YJ036)

收稿日期:2015-11-10;修回日期: 2015-12-20