复杂隧洞地质缺陷超前探测的综合物探方法.pdf

第2 5卷 第5期 2 0 0 8年 1 0月 长 江科 学 院 院 报 J o u r n a l o f Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 ． 2 5 No ． 5 Oc t ．2 0 0 8 文章编 号 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 0 8 0 5 0 1 9 5 0 4 复杂隧洞地质缺陷超前探测的综合物探方法 周黎明 。 刘江平 ， 刘天佑 ， 肖国强 ， 李运栋。 1 ． 中国地质大学 地球物理与空间信息学院， 武汉4 3 0 0 7 4 ； 2 ． 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室， 武汉4 3 0 0 1 0 ； 3 ． 长江勘测规划设计研究 院， 武汉4 3 0 0 1 0 摘要 在复杂隧洞中存在的含水断裂带 、 含水岩溶带是导致隧洞塌方、 涌水、 特大突水事故的直接原因。预报含水 不良地质体的结构特征和含水性是隧洞地质灾害超前预报工作的重要 内容。采用反射地震法和电磁法结合的综 合预报技术作为解决上述问题的方法。在分析不同预报方法特点的基础上， 选取 T S P 2 0 3系统和地质雷达法作为 两类方法的代表， 介绍了它们的工作原理、 数据处理方法和资料解释准则。并结合某隧洞地质缺陷超前探测的工 程实例， 得出了预报结果与开挖情况基本吻合的结论， 验证了综合物探方法的可行性和准确性， 为重大隧洞工程提 供更加准确和科学的预报方法 。 关键词 复杂隧洞； 地质缺陷； 超前探测； 地质雷达 ； T S P 2 0 3 中图分类号 P 6 4 2 文献标识 码 A 随着我国水利水 电工程建设规模 的巨型化和工 程建设条件的复杂化 ， 作为电站 隐蔽工程 的辅助隧 洞、 输水隧洞和大规模地下厂房洞室等大量出现。复 杂隧洞作为一个深埋于地下的线状隐蔽工程 ， 其工程 岩体的工程地质 、 水文地质条件复杂多变。在勘察阶 段无法准确无误地查 明可能发生地质灾害的不 良地 质体的位置、 规模和性质。在施工阶段经常会遇到由 断裂带、 破碎带 、 岩溶 、 暗河等不 良地质体导致 的塌 方、 涌水 、 突水 、 冒顶等地质灾害。尤其在复杂的岩溶 地区， 含水岩溶发育复杂多变 、 大小不一、 形态各异 ， 有些岩溶与暗河相通 ， 隧洞施工中如果处理不当， 会 引发重大地质灾害事故 1 ． 2 J 。因此 ， 复杂隧洞施工地 质灾害超前预报工作的重点和难点主要集 中在探测 地质缺陷的结构特征和含水性问题上。 当前 ， 隧洞地质灾害超前预报 以在详细地质分 析基础上进行 的物探超前 预报方法为主 ， 以超前钻 孔法 、 超前平导法为辅进行补充 、 印证。物探超前预 报方法主要包括 以水平声波剖面 HS P 法 、 陆地声 纳法、 地震波反射“ 负视速度” 法 和隧道地震超前 预 报系统 T S P 为主的反射地震法 和以高密度 电法 、 地质雷达法和瞬变电磁法 为主的电磁法两大类[ 3 l 。 探测地质缺陷的含水性和结构特征仅靠单一的一种 超前地质预报方法往往具有一定的局 限性 ， 不能同 时探测 、 预报与力学性 质和含水性质均有关的地质 缺陷体。比如利用反射地震法只能反映掌子面前方 不 良地质体的岩性 、 结构特征 ， 而利用电磁法只能反 映破碎含水带的含水性 ， 而不能反映含水带 的几何 形态_ 4 ’ 5 j 。因此 ， 在复 杂隧洞施工 中欲对地质 缺陷 取得较好的预报效果 ， 应在详细的地质分析基础上 开展综合物探方法研究_ 6 j 。 T S P 2 0 3系统和地质雷达法分别作为反射地震 法 和 电磁 法 中 的 一 种 重 要 方 法 ， 有 如 下 特 点 T S P 2 0 3系统预报距 离在 1 0 0 ～1 5 0 I T I ， 主要进行长 距离范围内的几何构造轮廓预报 ； 地质雷达法预报 距离在 3 0 I T I 左右 ， 主要探测掌子面前方不 良地质体 的分 界 面， 对 含水 构造 敏感 。在 复杂 隧洞施 工 中， 将 TS P 2 0 3系统 和地质 雷达法相 结合 ， 在一次 TS P 2 0 3的长距 离预报后 ， 结合 预报结果进行 3 ～5 次的有重点的地质雷达短距离探测 ， 既可以很好地 配合隧洞施工工作 ， 减少对施工进度的影响， 又可以 准确、 全面地探测掌子 面前方可能 出现的含水地质 缺陷， 保障施工安全顺利进行。 1 TS P 2 0 3系统原理 T S P 2 0 3 系统属于多波多分量高分辨率地震反 射法 。其基本原理是利用地震波在不均匀地质体中 产生 的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周 围临 近区域地质状况 。TS P 2 0 3系统通过在掘进面后方 收稿 日期 2 0 0 8 - 0 7 - 0 8 基金项 目 国家 自然科学基金 5 0 6 3 9 0 9 0 ； 长江科学院 2 0 0 8年中央级公益性科 研院所基本科研 业务专项资 助项 目 YWF 2 0 0 8 1 6 ； 水利部 岩 土力学 与工程重点实验室 2 0 0 7年度开放研究基 金 G0 71 2 ； 水利部水工程安全与病害防治工程技术研究 中心 2 0 0 7年度开 放研究基金资助项 目 S O 7 0 8 作者 简介 周 黎明 1 9 7 7 一 ， 男 ，吉林 辉南人 ， 工程 师， 博士 研究生 ， 主要从 事应用 地球 物理与 岩石力 学等方 面的研 究工 作 ， 电话 0 2 7 8 2 8 2 9 8 8 7 电子信箱 b ri a n 5 3 9 6 1 2 6 ． c o m。 长江科学院院报 2 0 0 8生 一 定距离内的钻孔 中施 以微型爆破来发射信号， 爆 破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传 播 ， 其 中一部分 向隧道前方传播 ， 经隧道前方的界面 反射回来， 反射信号经接收传感器转换成电信号并 放大。从起爆到发射信号被接收的这段时间是与反 射面的距离成比例的。通过反射时间与地震波传播 速度的换算就可以 将反射面的位置、 与隧道轴线的夹角 以及与隧道掘进面 的距 离 确定 下 来 ， 同时还可以将隧道 中存在的岩性变化 带的位置探测 出来 如图 1 _ 8 j 。 图 1 T S P系统原理 图 F i g ． 1 S k e t c h o f TS P me t h o d 1 ． 1 TS P 2 O 3的数据处理 采集 的 T S P数据 ， 通 过 T S P wi n软件 进行 处 理。Ts P wi n软件处 理流 程包括 1 1个 主要步 骤 ， 即 数据设置一带通滤波一初至拾取一拾取处理一 炮能量均衡一 Q估计一反射波提取一P S波分离一 速度分析一深度偏 移一提取反射层 。通过速度分 析， 可以将反射信号的传播时间转换为距离 深度 。 处理结果 ， 可以用与隧道轴 的交角及 隧道工作面的 距离来确定反射层所对应的地质界面的空间位置， 并根据反射波的组合特征及其动力学特征解释地质 体的力学性质。 通过 T S P w in 软件处理， 可以获得 P波、 S H波、 S V波的时间剖面、 深度偏 移剖面、 提取 的反射层、 岩石物理力学参数、 各反射层能量大小等成果， 以及 反射层在探测范 围内的 2 D或 3 D空间分布。 1 ． 2 1 、S P 2 0 3 的解译准则 T S P 2 0 3系 统 处 理 成 果 的 解 译 遵 循 下 述 准 则 ] 1 反射振幅越高， 反射系数和波阻抗的差别越 大， 当出现较高的反射振幅、 较大的反射系数和较小 的弹性阻抗， 表示反射界面的岩石密度和波速较高 ； 2 波形中间出现正反射振幅 红色 表明正的 反射系数， 也就是刚性岩层， 负反射振幅 蓝色 表明 负的反射系数， 指 向软弱岩层； 3 因为 S波不在水 中传播 ， 纵波在水 中传播 过程中能量损耗 而减少 ， 所 以若 S波反 射较 P波 强 ， 表明岩层富含水 ； 4 、 ／， 。 ／ v 增加或泊松比突然增大， 常常由于 流体的存在而引起 ； 5 若 v 下降 ， 则表明裂隙或孔 隙度增加 。 2 地质 雷达法基本原理 地质雷达 G P R 是利用超高频窄脉冲电磁波反 射探测含水介质分界面的一种勘探方法。其工作原 理是发射天线 T 向隧道掌子面前方发射电磁波信 号， 在电磁波向掌子面前方传播的过程中， 当遇到电 性差异的目 标体 如含水层、 破碎带或岩溶等 时， 电 磁波便发生反射 ， 由接收天线 R 接收反射波， 见 图 2 E 1 0 ] 。电磁波在介质界面产生反射就是 因为两侧介 质与含水性有关的介电常数不同， 差异越大反射信号 越强烈， 反之反射信号越弱。因此， 在不同电性的地 质体的分界面上， 都会产生回波， 特别是在含水的破 碎 带、 溶 洞 的 位 置 上【 。 在对地质雷 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 、 地表面 反射界面 82 02 图 2 G P lR原理图 F i g ． 2 S k e t c h o f GP R me t lx x i 振幅和双程走时等参数，便可推断掌子面前方充水 的地质体、 含水的断层、 岩性界面等地质缺陷的存在。 2 ． 1 地质雷达的数据处理 探地雷达所测得的原始记录资料， 首先要经过计 算机进行编辑、 滤波、 振幅调整、 时间剖面输出等一系 列处理 ， 然后根据波速进行时间 一深度的换算得到解 译的图像剖面。处理步骤具体如下 一维滤波去直流 漂移一静校正移动开始时间一根据能量衰减调整增 益一二维滤波抽 取平均道一一维 巴特沃斯带通滤 波[ 1 2 l 。 经过以上处理得到反映地层剖面的不 同岩性和 结构面分界线的雷达时间剖面图像。 2 ． 2 地质雷达 图像解释 地质雷达图像剖面是地质雷达 资料解 释的基 础， 只要掌子面前方介质中存在电性差异， 就可以在 雷达剖面图中找到相应的反射波与之对应。雷达剖 面图的识别主要是确定具有相 同特征的反射波组的 同相轴。通常来说 ， 构造断裂带在雷达剖面图上的 波形反映一般是与断裂带走势相 同的一条 曲线 ， 软 弱夹层和岩溶洞穴的波形反映一般是 由许多细小的 抛物线组成的一块较大 区域 ， 与周 围的波形存 在明 显的差异。实践证 明， 地质雷达对掌子面前方含水 的溶洞、 断裂带等异常反映较好， 但预报范围将会相 对缩短。因为电磁波能量会被水大量吸收， 探测距 离相对缩短 。电磁波在地层中传播时的能量消耗也 第5期 周黎明 等 复杂隧洞地质缺陷超前探测的综合物探方法 1 9 7 很大， 也会对探测距离有一定 的影响 。雷达 图像 的 判读除了在雷达剖 面图上发 现明显 的信号异 常之 外 ， 还要注意观察掌子面施工现场的地质情况 ， 结合 地质方面的知识加以综合判断。 3 工程应用 3 ． 1 工 程概 况 综合物探方法应用以某隧洞的施工地质超前预 报工作 为例 。该 隧 洞 线 路 里 程 D K 4 0 30 4 8至 DK 4 0 6 7 6 9 ， 全长 3 7 2 1 m； 进 口标高5 4 9 ． 9 9 m， 出 口标高5 0 2 ． 7 3 m， 呈单面坡排水 ， 洞身最大埋深 5 3 0 m， 无辅助坑道 。该隧道按地质结构、 水动力类型划 分为缓倾箱型背斜一背斜山地 台原 补给、 断层槽 谷汇聚 、 越轴径流 、 翼部管道流排泄型。 主要工程地质问题包括 在隧洞出口附近发育有 两条支管道穿越隧道， 发育深度在隧道洞身附近， 在 隧道开挖时可能引起岩溶地下水 回流 ， 形成特大型突 水突泥； 地下水丰富， 涌水量大 ， 补给来源充足 ， 富水 性好 ； 侏罗系珍珠冲组和三叠系上统须家河组为含煤 系地层 ， 须进行地下水侵蚀性监测； 嘉陵江二段 、 四段 地层局部可能含膏盐 ， 应进行地下水侵蚀性监测。 3 ． 2 T S P 2 0 3探 测结 果 根据该隧洞工程施工进展情况， 结合前期勘察设 计资料和隧道围岩地质条件 ， 采用 T S P 2 0 3系统在隧 道的 D K 4 0 63 7 9位置安装 接收器， 掌子面位 置为 D K 4 0 6 3 2 6 ， 设计为 2 4 炮 ， 2个接收器同时接收。 探测结果经数据处理后得到深度偏移剖 面 图 3 和二维反射层提取结果 图4 。根据参数计算可以 图 3 深度偏移图 Fi g ． 3 Di a g r a m o f d e p t h mi gra t i o n 准确推断掌子面前 方 1 4 7 m 范 围 内， 围岩纵渡平均速度 为 2 9 0 8 m／ s ， 密度 为2 ． 3 9 ～2 ． 4 6 g／ c m3 ，纵横波波速 比 为 1 ． 3 6～ 1 ． 5 4 。 并 从 图 3可 以 看 出， 围岩稳 定性 总 体 较好 ， 但 在局部 出现的软岩层及节 理裂隙较发育的地 段 ， 围岩稳定 性会 有 所 变 差。 在 [ I 4 O 6 2 8 8 至 D I 4 0 6 2 5 2段 ， 围 岩强度 变弱 ， 节 理 裂隙发 育， 此段 灰 岩泥质 含量增 多， 含软弱 夹层 ， 推 测 在 D K 4 0 6 4 - 2 5 2附 近可能存在含水构 造。 3 ． 3地质 雷达探 测结果 T S P 2 0 3系 统 的 探 测 结 果 推 测 在 D K4 0 6 2 5 2附 近 可 能 存 在 含 水 构 造 。根 据 此 推 论 选 择 位 置 为 D K 4 0 62 4 2处 的 掌子 面上布置了 1 纵 1横 2条 测线 如图 5所示 。 地 质 雷 达 探 测结果如图 6和图 7所示。掌子面左 侧往 前方3 ． 5 m到 掌 子 面 右 侧 往 前 方 2 ． 5 m左 右 ， 雷 达波波 幅异常， 推 测 为 一 斜 向发 育 ’ 『 ’一 擀 ⋯ 手 图 4 反射层提取图 F i g ． 4 Dia g r am o f r e fl e c t o r e x t r a c t i o n 图 5 测线布置图 F i g ． 5 Dia g r am o f s u r v e y l i n e a r r a n 4 g ma e n t 距离／ m 0 2 4 6 点 {毯 聪 图 6 H1 测线雷达剖面图 Fig ． 6 GP R Ma p o f s u r v e y l i n e H1 距N／ m 0 2 4 0 20 4 0 60 8 0 目1 0 0 厘 1 2 0 血 1 4 0 1 6O 1 8 O 2 0 0 2 20 2 40 图 7 Z 1 测线雷达剖 面图 的 裂 隙 ， 宽 度 较 7 G 。P R M a p O f s u Ⅳ e y h n e z 小 ， 可能有水渗出； 掌子面右侧 5 --8 m左右前方2 ． 5 加 如 枷 ∞ ㈣ ㈤ ㈨ ⋯ 0 柏 ∞ ∞ ∞ 加 如 ∞ ∞ ∞ 加 ∞ 乱 。。 如 伽 鲫 ㈣ ㈣ 1 9 8 长江科 学院院报 2 0 0 8生 -- 7 m可能发育局部溶蚀破碎体 ， 推测为含水或有 溶泥。掌子面前 方3 ． 5 ～5 ． 5 m可能发育局部溶蚀 破碎体 ， 规模较小 ， 推测为软夹层或裂隙发育面 ， 裂 隙面可能有水流出； 掌子面右侧右上至下前方2 ． 5 ～ 5 m 出现波幅异常 ， 推测为一斜 向发育的裂隙， 可能 有水渗 出。其它范 围内围岩较完整 。 在 1 、 S P 2 0 3系统预报结果基础上进行 的地质雷 达测试探测到了含水破碎带的位置和分布情况。与 在同一掌子 面上进行 的超前水平 钻孔 结果基本符 合 。随后 ， 隧洞的开挖也验证 了综合物探方法预报 结果的准确性和可靠性。 4 结 论 在详细的地质分析基础之上 ， 针对复杂隧洞地 质缺陷的几何形态和含水性开展 T S P 2 0 3 系统和地 质雷达法的综合物探方法探测， 既可 以很好的配合 隧洞施工工作， 减少对施工进度的影响， 又可以准 确 、 全面地探测掌子面前方可能出现的不 良地质体 ， 为施工安全顺利进行提供保障。 参考文献 [ 1 ] 宋先海 ， 顾汉明， 肖柏勋．我国隧道地质超前预报技术 述评[ J ] ． 地球物理学进展， 2 0 0 6 ， 2 1 2 6 0 5 6 1 3 ． [ 2 ] 李术才， 李树忱 ， 张庆松， 等．岩溶裂隙水与不良地质 情况超前预报研究[ J ] ．岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 2 2 1 7 2 2 5 ． [ 3 ] 周黎 明 ， 尹健 民， 侯炳绅 ， 等 ．弹性 波反射 法在地 质超 前预报中的应用研究[ J ] ．长江科学院院报， 2 0 0 8 ， 2 5 1 6 1 ～6 5 ． [ 4 ] 赵永贵．国内外隧道超前预报技术评价与推介 [ J ] ．地 球物理学进展， 2 0 0 7 ， 2 2 4 1 3 4 41 3 5 2 ． 5 j Z H AO Yo n g g u i ， J I AN G Hu i ， Z H A O X i a o p e n g ．T u n n e l S e i s mi c To mo g r a p h y Me t h o d f o r Ge o l o g i c a l P r e d i c t i o n a n d I t s A p p l i c a t i o n [ J ] ． A p p l i e d G e o p h y s i c s ， 2 0 0 6 ， 3 2 6 9～ 7 4 ． [ 6 ] 干昆蓉， 蒋肃．对隧道施工地质超前预报工作的反 思与探讨[ J ] ． 铁道工程学报， 2 0 0 7 ， 1 0 8 9 91 3 ． [ 7 ] 曲海峰， 刘志刚， 朱合华．隧道信息化施工中综合地质 预报技术[ J ] ．岩石力学与工程 学报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 6 1 2 4 6 1 2 5 1 ． [ 8 ] 史柏 生 ．TS P 2 0 3地 质 超 前 预 报 系统 简 介 及 其应 用 [ J ] ．铁道工程学报 ， 2 0 0 4 ， 8 4 4 2 73 0 ． [ 9 ] 周黎明， 刘天佑 ， 刘江平， 等．复杂铁路隧道施工地质 超前预报中 T S P探测技术应用研究 [ J ] ．铁道工程学 报 ， 2 0 0 8 ， 1 1 2 1 3 7 4 1 ． [ 1 0 ]李大心．探地雷达方法与应用[ M] ．北京 地质出版 社 ， 1 9 9 4 ． [ 1 1 ]吴俊 ， 毛海 和， 应松 ， 等 ． 地 质 雷达在 公路 隧道 短 期地质超前预报中的应用[ J ] ．岩土力学， 2 0 0 3 ， 2 4 增 1 1 5 41 5 7． [ 1 2 ]余志雄， 薛桂玉 ， 周创兵．复信号分析技术及其在地质 雷达数字处理中的应用 [ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 4 5 7 9 8 8 0 2 ． 编辑 周晓雁 Ap p l i c a t i o n o f I n t e g r a t e d Ge o ph y s i c a l M e t h o d o f Ad v a n c e d De t e c t i o n f o r Co m p l e x Tu n ne l Ge o l o g i c a l De f e c t Z HOU Li mi n g ’ 。 LI U J i a n g p i n g ， LI U Ti a n y o u ， XI AO Gu o - q i a n g 2； LI Yu n - d o n g 1 ． I n s t i t u t e o f Ge o p h y s i c s Ge o ma t i c s ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s ，Wu h a n 4 3 0 0 7 4，Ch i n a ； 2． Ke y L a b o r a t o r y o f Ge o t e c h n i c a l M e c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g o f t h e Mi n i s t r y o f W a t e r Re s o u r c e s ， Ya n g t z e S c i e n t i f i c Re s e a r c h I n s t i t u t e ，W u h a n 4 3 0 0 1 0，Ch i n a ； 3 ． C h a n g j i a n g I n s t i t u l e o f S u r v e y ， P l a n n i n g ， De s i g n a n d Re s e a r c h ， Wu h a n 4 3 0 0 1 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e d i r e c t r e a son l e a d i n g t O t h e a c c i d e n t s o f c o l l a p s e ， b l o w a n d s u d d e n i n f l o w i s t h e f r a c t u r e a n d c a r s t z o n e wi t h wa t e r i n t h e c o mp l e x t u n n e 1 ．Th e i mp o r t a n t c o n t e n t o f a d v a n c e d p r e d i c t i o n wo r k i s t o p r e d i c t t h e s t r u c t ure a n d wa t e r f e a t u r e s o f t h e b a d l y g e o l o g i c b o d y wi t h wa t e r ．Th e i n t e g r a t e d me t h o d o f c o mb i n i n g t h e r e f l e e t i n g s e i s mi c me t h o d wi t h e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d t o s o l v e t h o s e p r o b l e ms i s a d o p t e d．On t h e b a s i s o f a n a l y s i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c o f p r e d i c t i o n me t h o d s ， we c h o s e t h e TS P 2 0 3 a n d g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d ar me t h o d s ， d e s c r i b e t h e wo r k i n g t h e o r y ， d a t a p r o c e s s i n g a n d i n f o r ma t i o n i n t e r p r e t a t i o n ， a n d o b t a i n t h e p r e d i c t e d r e s u l t s w h i c h a r e i n b a s i c a g r e e me n t wi t h t h e e x c a v a t i o n s t a t u s o f t u n n e l wo r k s ．Th e i n t e g r a t e d g e o p h y s i c a l me t h od p r o v i d e s t h e mo r e s c i e n t i f i c a n d a c c u r a t e me t h o d f o r i mp o r t a n t t u n n e l e n g i n e e r i n g p r o j e c t ． Ke y wo r d s c o mp l e x t u n n e l ； g eol o g i c a l d e f e c t ； a d v a n c e d d e t e c t i o n； g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r ； TS P 2 0 3