隧道岩溶区浅层地震及地质雷达综合预报应用研究

田志飞，贾杰南，赵毅博

(1.贵州大学 资源与环境工程学院，贵阳 550025； 2.南水北调中线工程建设管理局 河南分局，郑州 450000)

0 引 言

岩溶地区地质构造复杂，在岩溶地区进行隧道开挖常常会遇到浅埋竖向岩溶冒顶、溶蚀节理密集带频繁掉块、竖向溶缝或溶槽坍塌、隐伏溶洞顶板或填充物塌方、地下含水层揭穿涌水等地质风险。因此，有必要在隧道施工过程中进行超前地质预报，从而更好地规避施工风险、排除隐患。目前，在国内外长大隧道施工中，以地质分析和物探分析相结合、长距离和短距离预报相结合、地震方法与电磁方法相结合等多种方法综合超前探测已经得到广泛应用[1,2]。其中，岩溶隧道施工超前地质探测以地质调查法、TSP地震反射波法、地质雷达法相结合的综合预报法最为常用。本文通过对TSP、地质雷达在探测岩溶发育情况时获取的实测数据进行分析，旨在总结提取异常区物探成果参数，结合模糊综合评价法进行隧道岩溶不良地质体存在风险等级评价，进而为动态调整或重新划分围岩级别提供参考依据，以保障隧道施工的安全。

1 浅层地震和地质雷达探测技术

1.1 工作原理

1.1.1 浅层地震TSP原理

隧道浅层地震简称TSP，TSP隧道地质预报系统采用的是反射地震勘探方法[3,4]。TSP工作原理见图1。

图1 TSP法超前预报工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of advance prediction method of TSP method

TSP法是利用地震波在不均匀介质中传播时在波阻抗差异界面(如断层带、溶洞区和裂隙密集带等)形成反射波，根据反射波特性了解掌子面掘进方向开挖洞体的围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状况的一种方法。

1.1.2 地质雷达原理

地质雷达是用电磁波来确定地下介质分布的一种方法[5]。电磁波遇到不同反射界面(如地层分界面、溶洞、富水带等)，其传播路径随通过介质的不同而变化，过程中会产生反射、折射、散射、绕射及吸收等现象。根据天线接收到的反射脉冲波的振幅、相位、波长、频率和走时等特征进行分析，便能够大致推测界面或异常区的空间位置及分布变化情况。其工作原理见图2。

图2 雷达超前预报工作原理示意图Fig.2 Schematic diagram of radar advance prediction

1.2 数据采集及处理

1.2.1 浅层地震TSP

TSP数据采集前设置采集参数(传感器分量、采样间隔、记录长度)以及噪声检查，采集过程中准确记录数据并检查地震道特征控制数据质量。TSP野外采集的原始数据，最后通过预处理、波场分离、增益、偏移等数据处理方法，获取界面走向、空间位置、围岩波速以及围岩的地质力学参数等信息[6]。处理的最终成果包括反射波分析成果显示图、深度偏移剖面图以及岩石物理力学参数等。

1.2.2 地质雷达

地质雷达探测隧道时由于受掌子面大小及其表面凹凸不平的限制，常选用点测模式测量，点距10 cm。天线采用100 MHz屏蔽低频组合天线，发射率50 kHz。采样点数1 024个，时窗1 000 ns，叠加64次，低通-无限响应滤波器300，高通-无限响应滤波器25，扫描速度16(扫描/秒)。图像处理包括背景去除、时间零点、叠加、增益、FIR和IIR滤波等几个步骤[7]，最终得到各扫描线的波形图和堆积图，并据此进行隧道轮廓线周边及前方围岩的地质判释。

2 隧道实例波形分析

2.1 工程概况

隧道地处贵州高原西部高原山地区，受侵蚀-溶蚀影响，地形条件较为复杂。出口位于斜坡地带，坡体植被发育，属溶蚀-剥蚀低中山地貌，附近最高海拔在2 013.00～2 253.10 m之间，相对最大高差240.10 m。

隧道区地质构造较复杂，属杨子准地台→黔北台隆→六盘水断陷→威宁北西向构造变形区，以北西向褶皱断裂为主。隧道横穿一断层及向斜构造。向斜轴部走向122°，向斜北东翼地层产状为243°∠58°，南西翼地层产状为23°∠50°。

隧道区上覆土层为第四系残坡积层(Qel+dl)粉质黏土、黏土，下伏地层从老至新依次为三叠系中统关岭组一段(T2g1)粉砂质泥岩、灰岩，三叠系中统关岭组二段(T2g2)灰岩夹泥质灰岩，三叠系中统关岭组三段(T2g3)白云岩，三叠系中统法郎组(T2f)灰岩，三叠系上统(T3)砂岩，侏罗系下统(J1)泥岩，侏罗系中统(J2)泥岩及砂岩夹泥岩。

2.2 波形特征分析

2.2.1 TSP探测溶洞图像特征

根据工程地质勘察设计资料，隧道中部轴线ZK32+430～ZK32+250一带右侧存在地表岩溶洼地及落水洞，洼地区域丰水期地表水体汇集下渗水量大，地下也存在溶洞发育情况，隧道开挖至此段位置可能遇溶洞，极易发生涌水涌泥、塌方等险情。因此，采用TSP隧道地震波超前预报对该段岩溶区进行长距离重点预报。预报范围为ZK32+402～ZK32+280。探测结果分析见图3、图4。

图3 TSP探测深度P波偏移剖面图Fig.3 TSP probing depth P wave migration profile

图4 TSP探测成果图Fig.4 TSP detection chart

据TSP探测分析结果，ZK32+370～ZK32+360、ZK32+318～ZK32+296段P波深度偏移图显示正负反射均强，反射界面较稀疏，且为负反射。P波波速明显降低(Vp由3 821 m/s降为3 535 m/s)且波速均一，纵横波波速比下降，泊松比大幅下降，杨氏模量大幅上升[8]。另外，ZK32+370、ZK32+318附近有强反射界面，其后反射减弱，由此推断可能为溶洞前缘，ZK32+360、ZK32+296处有反射界面出现，物性参数有突变波动，可能为溶洞后缘。综上分析，初步推断这两段围岩为强风化灰岩，有较大规模溶洞发育(溶洞纵深6～8 m，横宽6～10 m，洞内无填充)或顺层夹泥严重。

ZK32+382～ZK32+370段、ZK32+346～ZK32+336段、ZK32+328～ZK32+318段均出现强烈正负反射界面，反射界面密集，P波波速整体下降、变小，且泊松比与动态杨氏模量起伏大，推测有岩体溶蚀破碎带或较小规模溶洞发育，围岩稍含溶隙水，出水状态多呈渗透点滴状。

2.2.2 地质雷达探测溶洞图像特征

通过TSP长距离预报，得出ZK32+402～ZK32+280段岩体物探异常。为进一步确认，在隧道开挖接近该段异常区时，分别在掌子面及隧底采用地质雷达进行短距离精确预报。

掌子面探测采用点测模式，其物探异常区的地质雷达图像和波形特征见图5。

由雷达点测剖面图以及单点数据图可以看出，掌子面前方雷达波反射能量团分布不均匀，雷达波形相似性较差，波形反射变化波动剧烈，出现不连续的反射段。其中2～7 m段、11～15 m段、20～30 m段图像右侧区域为强反射段，随后的雷达反射迅速减弱，并在一定长度内保持弱反射，呈现“强～弱～强”特征[9]。图5中红线包裹区域低频信号密集，同相轴断续，部分区域相位相差约半个波长，区域内高频信号稍有分布，电磁能量随波形衰减较快，推测红线区域内有溶洞发育(纵深2～4 m，横宽3～6 m)，且无填充物充填。

隧底探测采用线测模式，其探测出溶洞发育的地质雷达图像和波形特征见图6。

图6 溶洞典型双曲线形态及溶洞发育轮廓示意图Fig.6 typical hyperbola shape of karst cave and development outline sketch map of karst cave

图6中可以清晰看到，雷达图像由许多双曲线强反射波组成。由于溶洞的顶板常常类似于拱形，雷达发射的电磁波到达顶板各个部位后反射回来到接收的时间不同，有较为明显的时差，所以雷达反射出来的图像表现为双曲线型。双曲线的弧顶即为岩溶发育部位，其中心点的深度表示溶洞的深度，曲率的大小则反映了溶洞的横向规模，曲率越小曲线越平缓，则溶洞规模越大(在雷达天线分辨率之内)[10]。图6中大致绘出溶洞发育轮廓，溶洞内无填充。

工程中，线测模式下溶洞的地质雷达波形大多呈现典型的弧形绕射波形。而在点测模式下得到的点测剖面图中振幅常常呈现“强～弱～强”的反射特征。在隧道超前预报工作中常选用点测模式测量。据此，可根据地质雷达图像的强振幅、反相、主频以及其他特征来识别溶洞发育情况。

3 岩溶评价及围岩分级

3.1 参数提取与划分

本文基于工程前期勘察设计资料以及TSP地震波速测试和地质雷达探测数据，结合铁路隧道超前地质预报技术规程[11]，综合分析，提取可用于评价岩体质量的主要关键物探参数。总结隧道岩溶区重点预报段落超前预报测试图像特点，整理归纳得到的定性物探参数见表1。

将物探图像进行后处理，提取反演成果图数据，得到定量的反射界面及其对应的岩体视物性物探参数，见表2。

表1 物探参数定性信息表Table 1 qualitative information sheet of geophysical prospecting parameters

表2 物探参数定量信息表Table 2 quantitative information sheet of geophysical parameters

结合勘察设计地质资料和物探探测对岩溶区不良地质情况的响应特点，提取适用可靠的地质和物探参数指标，并根据各个指标对溶洞发育情况的影响进行归类。可将溶洞预报目标划分为3个级别：发育、可能发育、不发育。选取设计地质信息、掌子面地质观察、TSP异常情况、纵波波速值、地质雷达波形特点、反射振幅特征等6类因素作为溶洞综合分析预报的参考因子[12]。溶洞预报物探参数特征见表3。

表3 溶洞综合预报物探参数特征Table 3 geophysical parameters of comprehensive prediction of karst caves

3.2 岩溶评价及分级

对于岩溶发育的隧道，超前地质预报旨在探清前方一定范围内岩溶、结构面、地下水发育情况，并在特殊情况下提出预警，达到指导安全施工的目的。因此，对岩溶不良地质体存在的可能性及风险性还需作出分析评价。本文采用模糊综合评价方法，对溶洞存在的风险性进行综合评价[13]。

模糊综合评价法是对受到确定和不确定因素约束的事物运用模糊数学的概念做出一个总体的评价[14]。模糊综合评价法大体可分为4个步骤：①选取评价参数和分类评判集合；②建立模糊关系矩阵；③计算各因素权重值；④模糊矩阵复合运算。

根据地质资料及物探探测情况，选取可量化物探评价参数Ui构建物探集合U=Ui={U1，U2，U3…}，将溶洞存在的风险性分为3级，取V为分级标准的集合，V=Vi={V1，V2，V3…}。由此，可建立岩溶发育区(A)、岩溶中等发育区(B)、岩溶不发育区(C)的溶洞存在风险的评价因素集合和分级标准集合。其中，物探因子选取TSP纵波波速、纵横波速比起伏值及地质雷达主频带宽。参考铁路隧道设计相关规范标准，选取不同风险等级下对应的物探因子量值建立分级标准[15]。

将权重模糊矩阵Bj和关系模糊矩阵Rj进行复合运算，便可得出综合评价指数。复合运算后，得出隧道岩溶发育、中等发育、不发育区溶洞存在风险综合评价指数。通过以上步骤计算结果可得出的结论是：岩溶发育区溶洞存在风险等级为一级，岩溶中等发育区为一级和二级，岩溶不发育区为三级。隧道各段落物探参数存在明显差异，岩溶发育区和中等发育区溶洞存在的风险等级较高，应重点进行超前预报。

在上述隧道岩溶段开挖实际过程中，采用了本文提出的模糊综合评价法对隧道围岩进行溶洞存在风险评价。根据评价结果，结合施工阶段围岩设计资料动态调整了围岩级别。经过施工开挖过程中地质素描法、地质雷达法现场追踪，并以施工现场实际揭露地质情况进行对比验证，预报结果和实际开挖地质情况基本吻合。施工开挖过程中，时有揭露大小规模不等无填充型溶洞，部分掌子面岩体及溶洞发育情况见图7。

图7 掌子面岩体及溶洞发育照Fig 7 tunnel face and Karst cave development

预报结果和实际地质情况对比情况具体见表4。

表4 预报结果和实际地质情况对比情况表Table 4 Comparison of forecast results and actual geological conditions

由此可见，采用物探法与地质调查法相结合的综合预报法进行隧道超前地质预报，提取TSP、地质雷达物探参数，建立模糊综合评价工作体系，具有较高的可信度，施工过程中可及时规避或降低隧道塌方、冒顶的风险，有效指导隧道的安全施工。

4 结论与建议

1) 本文从隧道工程实际出发，在大量实测数据的基础上，分析了物探异常区的TSP和地质雷达波形特征及规律，得出推断溶洞发育的可靠图像特征依据。TSP物探图像中，纵波波速会大幅下降、杨氏模量和泊松比波动起伏较大，地质雷达振幅图像会呈现明显的“强～弱～强”特征。采用TSP和地质雷达相结合的手段，将两者的物探参数相互配合补充，能够更加确切地判识出围岩的溶洞异常。

2) 提取物探反演成果图的关键物性参数进行定性、定量归纳总结，获取岩溶区和非岩溶区的物探参数特征，并且选取可量化的因子作为岩溶预报分级指标，从而可建立物探参数、岩溶风险等级标准集合。采用模糊综合评价法对岩溶不良地质体风险等级评价，结果表明岩溶区溶洞存在风险等级较高，属于一级风险的隶属度为0.65，应重点关注，切勿冒进施工。

3) 结合隧道开挖设计围岩分级情况及岩溶存在风险等级评价结果，动态调整划分围岩级别，经过实际开挖揭露的地质情况对比验证及追踪，得出的预报结果和实际开挖地质情况整体上基本吻合，证明了采用模糊综合评价法应用于隧道岩溶区TSP及地质雷达超前地质综合预报工作中是可行可取的。结合围岩地质资料及评价结果，可为施工中动态变更围岩级别及调整支护参数提供参考依据。