综合物探方法在隧道地质超前预报中的应用

何盼情

(西安交通工程学院,西安 710300)

0 引言

道路交通对我国经济发展至关重要,公路、铁路、桥梁的发展推动了隧道工程的建设。我国东西区域跨度大,道路桥梁建设地质条件较为复杂,随着地质工程及建筑技术的发展,道路建设往往选择隧道工程作为应对复杂地质条件的优先方案。但隧道工程建设可能会遭遇塌方、突水、岩爆等地质灾害,对工程建设与人身及财产安全造成极大的威胁。隧道地质超前预测利用探测技术可提前了解道路施工前方的地质状况,及时对隧道施工技术及施工设计进行修正指导,降低不良地质条件带来的灾害风险,提高隧道设计及施工效率。由于隧道施工地质环境及条件较为复杂,传统单一的物探方法难以获得精准的原始地质数据,无法满足隧道地质超前预测的需求[1]。综合物探方法能够解译各项指标体系,提高地质超前预测的精准度及效率。基于此,研究综合物探方法在隧道地质超前预报中的应用,对综合物探法进行技术及案例研究。

1 隧道地质灾害的常见类型及预报方法

我国道路交通覆盖面越来越广,隧道施工难度越来越高,地质环境越来越复杂,山体施工中极易遇到滑坡、泥石流、雨水侵蚀等问题,导致隧道施工出现突水涌水、塌方断层等情况。表1为隧道地质灾害的常见类型、易发地区及注意事项,其多出现在雨水充足、风化严重的山区,对隧道路线施工安全造成极大威胁,降低了工作效率,大大提升了施工设计成本,故需对隧道地质情况进行超前预报及施工设计,避免隧道地质灾害的影响。

为有效防治隧道施工中可能出现的地质灾害,对隧道地质情况进行超前预测,主要方法包括地质调查法、超前地质钻探法、超前导坑预报法、物探预报法等。其中,物探类超前预报法通过探测各介质之间的物性差异进行预报,包括多种方法,每种方法适用的地质范围及探测深度不同,探测精度也有所不同。表2是物探超前预报方法及性能[2],包括TSP法、探地雷达法、瞬变电磁法、TRT法、陆地声呐法、红外探测法等。其中,TSP法、瞬变电磁法、TRT法、红外探测法是精度较低的预报方式,探地雷达法、陆地声呐法是精度较高的预报方式。

表2 物探超前预报方法及性能Tab.2 Method and performance of geophysical prospecting advance prediction

根据表2可知,每种物探超前预报方式具有不同的优势和特点,但单一的物探方式难以应对隧道路线建设中的地质问题,多种物探方式相结合的综合物探法能够提高超前预报精准度,故选择TSP法、探地雷达法及瞬变电磁法进行组合,从探测深度、预测精度、适用范围、探测水平等方面分析其应用优势。从探测深度来看,瞬变电磁法、探地雷达法、TSP法的探测深度层层推进,能够从短、中、长距离上进行综合预报;从探测精度来看,TSP法和瞬变电磁法的探测精度较低,容易出现各项误差,探地雷达法探测精度较高,能够弥补其他两种方法精度不足的缺点;从适用范围来看,TSP法适用于岩溶、断层、破碎带等地质构造,探地雷达法适用于断层、破碎带、岩溶等地质构造,瞬变电磁法适用于岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、不规则水体等地质构造,三种方式相互协同,弥补彼此的缺点[3]。

2 综合物探方法在隧道工程中的应用

为探测隧道地质情况,对综合物探方法进行超前预报技术方案设计,选择TSP技术进行长距离初步探测,包括断层、破碎带等结构的大致位置及形状大小,采用瞬变电磁法进行中距离探测,包括水体检测,明确水量情况,选择探地雷达法近距离地对隧道路线中的不良地质体进行参数检测。从范围、距离、精度等多个角度相互验证,提高地质超前预报的精确性,保证隧道路线设计施工的安全性及高效率[4]。

以某省隧道工程为例,此隧道位于我国西南地区,全长约5300 m,所在地区山体较多,局部地区较陡,隧道处于构造侵蚀的中低山地貌。隧道施工所在区域属于地震活动较为活跃的板块,地震次数频繁且震级较高,各层岩石及斜坡稳定性均受到一定的影响。隧道施工区地表水呈现出较为明显的季节特色,雨季水量较大,干旱季节水量较小。地下水情况和不良地质情况如表3所示,地下水包括基岩裂隙水、断裂构造裂隙水及岩溶水等。水质环境较为复杂,在综合物探地质超前预报中应重点关注地质环境水体情况,不良地质如岩溶、有害气体、滑坡等,着重考虑不良地质条件对隧道施工设计的影响,尤其是瓦斯等有害气体的影响[5]。

表3 隧道地下水与不良地质条件情况Tab.3 Underground water in tunnels and bad geological conditions

采用综合物探法对隧道地质环境进行超前预测。进行现场施工布置,TPS技术采用TPS仪器(由起爆装置、检波器及记录单元共同构成),起爆装置通过炸药等激发地震波,检波器接收地震波相关信号,记录单元记录地震波信号并转化数据;探地雷达法布置选择探地雷达仪器,选定仪器频率及测线长度,进行连续测量或点测;瞬变电磁法采用瞬变电磁仪,通过设定不同测线探测方向与地面夹角进行信号接收。由此得出隧道某段各项预报情况,将其与实际开挖结果进行对比[6],如表4所示。从三种物探方法来看,TPS法在150 m范围内进行检测,A段波速较小,纵波变化相对更明显,存在多反射层等情况,推测出该段岩层较为破碎;B段波速较快上升,反射层较多,推测该段岩层破碎,可能存在裂隙水等水体,夹层较多。探地雷达法对30 m范围内进行检测,A段电磁波信号杂乱无序,分界面较为明显,推测可能存在岩层破碎、节理裂隙发育等情况;B段反射界面较为明显,反射波较为杂乱,推测可能存在局部含水情况。瞬变电磁法对100 m范围内进行检测,A段电阻率异常区域集中, 推测可能出现围岩破碎、节理裂隙发育等情况;B段中高阻异常区域集中,推测可能出现局部富水,裂隙水量较大等情况。根据以上结果进行综合预报,A段隧道围岩破碎,存在节理裂隙发育等情况,实际开挖中确实出现此情况;B段岩层破碎且节理裂隙较为发育,预测可能存在少量水体,实际开挖中的确存在裂隙出水及岩层破碎等情况。

表4 综合物探预测结果及实际开挖情况对比Tab.4 Comparison of geophysical prediction results and actualexcavation conditions

3 结束语

将综合物探方法应用于隧道地质超前预报中,可保证隧道路线设计及施工的安全高效。介绍了隧道地质灾害的常见类型,即水涌水、塌方、岩爆、断层、岩溶发育等,预报方法主要包括TSP法、探地雷达法、瞬变电磁法、TRT法、陆地声呐法、红外探测法等。结合各物探法的特点对隧道工程应用进行分析,将TSP法、探地雷达法及瞬变电磁法相结合,能够从探测深度、预测精度、适用范围等方面互补,从超前预报结果可知,A段隧道围岩破碎,存在节理裂隙发育等情况;B段存在岩层破碎且节理裂隙较为发育,可能存在少量水体。两段超前预报结果与实际情况基本相符。