综合物探法在灰岩隧洞超前地质预报中的应用

刘 洋，李俊杰

(浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，浙江 杭州 310002)

杭州市第二水源千岛湖配水工程从淳安县境内取水，通过千岛湖进水口、输水隧洞、分水口等工程措施，输送千岛湖原水，沿途分配水量至沿线的建德、桐庐、富阳部分区域，并在杭州市闲林水库分配水量至杭州市主城区、萧山区和余杭东苕溪以东地区等3个方向，实现水位、水量控制，提高杭州及沿线城乡供水水质和保证率。杭州市区形成千岛湖、钱塘江、东苕溪联合供水、互为备用的多水源供水格局，并为实现分质供水打下基础。其中杭州市第二水源输水通道(江南线)设计将闲林水库优质原水通过陆域管道、过江管道段以及山岭段隧洞输送至杭州滨江区、萧山区以及大江东产业聚集区，输水线路设计供水能力200万m3/d，为省重点水利工程。

江南线山岭段隧洞沿线地形地貌以中低山—丘陵为主，地表起伏较大，隧洞沿途穿越的地层繁多复杂，表部覆盖层以第四系残坡积、洪坡积及冲洪积含碎块石粉质粘土、含泥砂砾卵石等为主；下伏基岩以志留系、泥盆系及石炭系地层为主，岩性以石英砂岩、长石石英中细粒砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩及生物屑灰岩等为主。其中石龙山隧洞段穿越地层岩性以生物屑灰岩及白云岩为主，厚层状-块状。表部岩体节理裂隙发育，岩体较破碎，地表局部可见岩溶洼地、落水洞、溶隙溶沟等岩溶形态发育。沿线地层复杂多变，构造较为强烈，地层产状不稳定，洞线局部区段掘进过程可能遭遇溶蚀发育、岩性接触带以及破碎带等不良地质，开展超前地质预报工作可事先了解掌子面前方不良地质的分布情况，为隧洞安全施工提供重要指导。

超前地质预报方法分为直接法与物探法2类，其中超前钻探[1- 3]与导洞开挖[4- 5]都属于直接预报法，其优点在于成果直观准确，但对施工工期影响大。物探方法[3- 6]是根据隧洞岩体速度、电导率、密度、介电性等差异为前提，采集掌子面前方物探异常信息，进而推测隧洞前方地质情况的高效探测技术，其中TSP与地质雷达是隧洞超前地质预报领域应用最广泛的方法之一，本文将瑞士最新一代TSP303以及美国最新研发SIR4000地质雷达用于石龙山隧洞某岩溶发育区段超前地质预报，成功探测了溶蚀带的分布，为隧洞安全施工提供了准确参考。

1 物探法原理及观测系统布置情况

TSP是地震反射波探测方法的1种，其特点在于采用小量炸药在隧洞壁激发地震波，地震波在空间域以球面波形式扩散，当遇到岩体完整性存在显著差异的界面时，一部分地震波将被反射回来，并被1～4个宽频带、高灵敏度的三分量地震传感器所接收。通过对地震反射数据做带通滤波、速度拾取、拉冬变换、波场分离及偏移成像等方法处理后，可得到隧洞前方岩体的纵横波波速分布情况，进而推测掌子面前方岩体完整性特征。TSP观测系统如图1所示，接收器置于隧洞壁两侧，距掌子面>56m，孔深2m，角度微上倾；24个炮孔置于一侧边墙，约高出隧洞底板1m，孔深1.5m，角度微向下倾斜；接收孔距离掌子面最远的24号炮孔20m，26个钻孔尽量控制在同一平面内。

图1 TSP观测系统

地质雷达是工程物探常用技术手段之一，具有高效率、高分辨率的特点，其采用偶极子天线发射并接收来自掌子面前方的电磁反射信息，根据采集波形的振幅、相位及频率等特性推测岩体完整性情况。雷达测线一般位于掌子面中下部，为提高数据信噪比，采用基于128次叠加的单点探测方式，从左至右逐一探测，对于岩溶发育隧洞，可适当将测线向左右两侧边墙延伸。

2 典型预报成果分析

石龙山隧洞桩号K10+248—K10+048区段TSP探测成果如图2所示，TSP炮孔布置洞段岩性为灰色灰岩，局部含铁锰质，局部存在弱溶蚀，岩体完整性较好。如图2所示，桩号K10+248—K10+048范围内岩体纵波速度为5471～6635m/s，横波速度为3337～3817m/s，纵横波波速比为1.48～1.92，泊松比为0.08～0.31，密度为2.88～3.06g/cm3，静态杨氏模量为78～119GPa，动态杨氏模量为80～104GPa。除纵横波速比与泊松比偏高对应岩体含水量较大，其余参数偏低均预示岩体完整性较差，就灰岩隧洞探测而言此区段各TSP物理力学指标总体一般较好，其中K10+229—K10+213、K10+198—K10+181及K10+100—K10+048区段纵波或横波波速、密度及各物理力学指标多呈现极小值，推测岩体局部存在溶蚀或节理裂隙发育，施工过程岩体局部可能出现滴渗水。实际开挖表明隧洞岩体总体较完整，在TSP异常区域揭露少量溶蚀，验证了TSP预报的有效性。此外，隧洞掘进至桩号K10+051附近隧洞左边墙角揭露一小型溶蚀通道(如图3黑框标注所示)，有地下水渗出，但此桩号附近TSP异常仅表现为横波波速偏低，故灰岩隧洞TSP预报时对横波速度偏低但纵波速度正常的区段也应予以重视。

图2 桩号K10+248～K10+048区段TSP预报成果

图3 桩号K10+051附近隧洞左边墙角小型溶蚀通道

桩号K10+051～K10+021区段地质雷达探测成果如图4所示，雷达信号反射能量局部较强，频率以中频为主，同相轴局部弯曲错断，推测雷达探测区段岩性仍为块状灰岩，岩体完整性一般，推测图4中黑色框标注的区域溶蚀裂隙或溶蚀空腔较发育，富含地下水。此外，桩号K10+028—K10+021区段存在平行倾斜带状且振幅较强的反射信号(图4黑色线划出)，但其频率较高，隧洞实际开挖表明此区段未见明显溶蚀区域，石龙山隧洞大量雷达预报经验表明完整性较好的灰岩掌子面探测时，雷达剖面常出现此类干扰信号，推测为电磁波在隧洞巷道中产生的绕射波。

图4 桩号K10+051附近地质雷达探测成果

3 结论

TSP与地质雷达相结合的综合物探方法适用于灰岩隧洞溶蚀发育段超前预报，TSP纵波或横波波速偏低的区段以及地质雷达剖面反射波振幅强，同相轴呈双曲线状并伴随少量多次反射特征的区域溶洞或溶蚀带发育的可能性大；灰岩隧洞段地质雷达探测易产生倾斜带状同相轴强反射，其与溶蚀异常差异在于后者伴随一定程度的多次反射。