各种物探方法在隧道超前地质预报中的应用

李大伟

中铁津桥工程检测有限公司 吉林 长春 130000

贵南跌路连接的贵州省和广西壮族自治区多为喀斯特地貌，地质条件复杂，隧道施工难度很大。喀斯特地貌（英语：karstlandform），是地下水和地表水对可溶性岩石（大多为石灰岩）进行溶蚀作用等所形成的地表和地下形态的总称，又称岩溶地貌。在这种地质情况下，隧道施工的难度很大，需要事先掌握掌子面前方地质状况。下面介绍一下三种物探方法的工作原理和预报流程以及在贵南铁路地质预报中的实际应用。

1 地质雷达法

1.1 工作原理

地质雷达法是利用超高频窄脉冲电磁波探测隧道掌子面前方地质体分布的一种物探方法，其工作原理是雷达的发射天线向隧道掌子面前方发射电磁波信号（频率为106-109Hz），在电磁波向掌子面前方传播的过程中，当遇到电性差异较大的介质（如溶洞、裂隙、地下水等）时，电磁波会发生反射，由接收天线接收反射波并将数据传输到电脑中，用专业的处理软件对地质雷达数据进行处理和分析的基础上，根据雷达波形、电磁场强度、振幅和双程走时等参数便可推断掌子面前方的地质构造，为隧道的安全施工提供保障和技术支持。

1.2 预报流程

用地质雷达法进行隧道超前预报时，直接将雷达天线贴于掌子面上，采用人工连续缓慢移动天线发射、接收电磁波进行数据采集。大多数掌子面附近由于施工工艺复杂，人员机械数量多，一般工作面很狭小，这种探测方法比较适合掌子面空间狭小的工作条件。根据掌子面的现场实际情况，在探测过程中一般可采用两横或一横两竖的布线方式。当然，还要根据掌子面现场情况灵活布置测线，其原则就是使测线尽可能靠近掌子面的中心位置，测线长度满足要求且完整，数据量满足检测要求，后期的数据分析处理才会更准确更客观。 预报距离根据围岩的实际情况和围岩等级一般能够达到掌子面前方 15-30m 左右。下面我们用一次地质雷达预报实例来介绍一下地质雷达法在贵南铁路的实际应用[1]。

1.3 应用实例

本次预报的隧道为新安村三号隧道出口，掌子面里程为DK31+133.8,采用瑞典 MALA 公司 PROEX 型地质雷达进行，采用雷达天线中心频率为 100MHz（如图1所示）。

图1 地质雷达深度剖面图

1、本次预报长度为30m，范围为DK31+133.8-DK31+103.8。

2、从地质雷达资料分析，得出如下结论：

该段岩体破碎，夹泥，节理裂隙发育，溶蚀裂隙发育，泥质填充，地下水发育，须重点关注。

3、溶蚀裂隙发育，泥质填充，施工过程中须及时采用加深炮孔进一步探测掌子面前方的围岩及水量的变化情况，以及溶蚀裂隙的发育情况（特别是物探异常附近）；注意降水量的变化影响，及时支护，防止掉块、坍塌以及突水突泥。

4、由于掌子面前方的地质条件复杂，介质分布不均匀，电磁波的传播速度差异大，而地质雷达系统在后期数据处理时却只能按照统一的传播速度来处理，因此目标体的深度值会产生一定的误差[2]。

2 地震波反射法（TSP）

2.1 工作原理

地震波反射法超前预报是利用地震反射波和绕射波原理，对隧道掌子面前方的地质条件进行探测。由引爆炸药产生的地震波向掌子面前方传播的过程中，遇到岩体中相对大的声阻抗界面会产生反射波，遇到相对小的声阻抗界面会产生绕射波，统称为地震回波，利用放置在隧道边墙内的TSP接收器采集隧道围岩中界面的地震回波，通过专业处理软件提取回波的界面位置、空间分布、回波极性和回波能量等信息，并结合隧道其他地质资料综合分析，对隧道进行超前预报。

2.2 预报流程

现场需要在隧道两侧各布置24个炮孔并安装适量炸药，两侧各安装一个接收器，将炮孔内的炸药逐个引爆，用引爆炸药产生地震波向掌子面前方传播，再用接收器接收隧道围岩中界面的地震回波，把数据传输到电脑中，通过专业处理系统对数据进行处理。下面我们用一次TSP法预报实例来介绍一下地震波反射法在贵南铁路的实际应用[3]。

2.3 应用实例

本次预报的隧道为新安村三号隧道出口，掌子面里程为DK31+147.8，采用TSP203PLUS隧道地质超前预报系统进行。(图2)系统频谱分析图、(图3）前方物性及异常特征2D图以及本次预报结论和施工建议。

图2 TSP203系统频谱分析图

图3 TSP203系统前方物性及异常特征图

本次预报长度为120m，范围为DK31+147.8-DK31+027.8。

1、DK31+147.8 - DK31+131，长度16.8m。

从TSP法反射层位及物理力学参数成果图来看，该段岩体延续目前掌子面围岩情况，岩体较完整，局部破碎，节理裂隙发育，溶蚀裂隙发育，地下水较发育。

2、DK31+131 - DK31+062，长度69m。

从 TSP 法反射层位及物理力学参数成果图上来看，该段纵横波速度下降，密度下降，该段岩体破碎，节理裂隙发育，溶蚀裂隙发育，地下水发育。须重点关注DK31+123-DK31+111里程段的水量变化情况和DK31+111-DK31+062围岩变化情况。

3、DK31+062 - DK31+027.8，长度34.2m。

从TSP法反射层位及物理力学参数成果图上来看，该段纵波速度上升，密度上升，该段岩体较破碎，局部完整，反射界面多，节理裂隙发育，溶蚀发育，泊松比上升，地下水发育。须关注DK31+043 - DK31+036里程段的围岩变化情况。

设计资料显示DK31+145 - DK31+125里程段隧道上方有2个填充型溶洞，DK31+125 - DK31+085里程段进入新安村一号逆断层，DK31+070尖山营暗河与线路相交，处于山凹低洼区域，施工过程中须及时采用加深炮孔和超前地质钻孔进一步探测掌子面前方围岩情况及水量变化情况（特别是物探异常段落附近）[4]。

本次预报段落岩体破碎，完整性差，富水性强，岩溶发育，隧道开挖易掉块、坍塌，还可能突水、突泥，施工时及时支护，严格按照设计施作钻探，注意施工安全。

3 瞬变电磁法

3.1 工作原理

瞬变电磁法工作原理是在隧道掌子面上布置一个发送回线，在回线上供一个脉冲电流，电流会在掌子面前方空间建立一个稳定的磁场，使前方地质体产生涡流，将电流断开，该电流产生的磁场会立刻消失，在一次磁场的剧烈变化下，该涡流不会立即消失，会有一个衰减的过程，这个过程又产生一个衰减的二次磁场向掌子面传播，由接收回线接收二次磁场，接收到的二次磁场的变化取决于地质体的电性分布情况。如果前方地质体导电性不好时，掌子面前方地质体产生的涡流会快速衰减；当其导电性良好时，电流断开瞬间，在导体内部将产生涡流来维持一次场的消失，所观测到的过渡过程衰变速度将变慢，从而判断围岩的导电性，对围岩进行分析，进而对掌子面前方的地质情况进行预报[5]。

3.2 预报流程

现场预报时掌子面处布置1个发射线框，掌子面布置一条测线，测线上每1m1个测点，通过移动接收线圈，形成1条实测剖面。

施工技术措施：采用重叠回线组合装置布置一个边长1.5m的激发和接收正方形线圈，激发线圈匝数为4匝，接收线圈匝数为40匝。供电电流档为50A，采样率16µS，供电脉宽10ms。每个测点至少采用30次叠加方式提高信噪比，确保了原始数据的稳定性和可靠性。下面我们用一次瞬变电磁法预报实例来介绍一下瞬变电磁法在贵南铁路的实际应用。

3.3 应用实例

本次预报的隧道为新安村三号隧道出口，掌子面里程为DK31+162.8，采用YCS400（A）矿用瞬变电磁仪进行.下面是预报成果图和预报结论以及施工建议（图4所示）。

图4 瞬变电磁预报成果图

本次预报掌子面里程为DK31+162.8，预报里程范围为DK31+162.8 - DK31+062.8段，预报方向由大里程至小里程方向。具体分析如下：

1、DK31+162.8 - DK31+117.8，长度45m。

根据瞬变电磁法电阻率成果图上分析，该段未发现明显的低阻区，现场掌子面少量股状出水，推测该段地下水较发育。

2、 DK31+117.8 - DK31+062.8，长度55m。

根据瞬变电磁法电阻率成果图上分析，该段存在一个联通低阻区，推测裂隙带发育，岩溶较发育，地下水发育，呈股状出水。

设计在DK31+125存在新安村一号逆断层和DK31+070附近存在尖山营暗河，建议按设计按照设计施作超前水平钻和加深炮孔（特别是物探异常段落），了解掌子面前方水量的变化情况，做好防排水措施，根据现场情况，控制开挖尺寸，注意施工安全[6]。

4 结论

三种不同的物探方法都有其特有的适用范围和作用。TSP法的有效预报距离在100-200 m，而地质雷达法主要探测前方15-30 m 的地质情况，TSP法比地质雷达法的探测距离要长的多，但是对构造体的分辨率和准确度都不如地质雷达效果好，所以TSP法适合隧道大范围的常规预报，贵南铁路全线隧道都施做TSP法。地质雷达法分辨率高，探测岩溶效果好，所以在围岩较差，岩溶发育区加做地质雷达法。瞬变电磁法探测掌子面前方含水体的范围效果很好，所以在贵南铁路隧道富水段加做瞬变电磁法。现在行业内物探法预报准确度还有待提高，在现场地质条件同样的情况下，各种物探法预报掌子面前方的地质情况与真实前方地质情况的对比有助于提高技术水平，各种物探方法取长补短，结合运用，能更好的发挥各自作用，大大的提高预报准确度，为隧道的安全施工提供保障。