隧道超前探测方法技术与应用研究.pdf

第 1 卷 第 4 期 2 0 0 4年 8月 工程 球物理号 赧 CHI NES E J OURNAL OF ENGI NE ERI NG GEOPHYS I CS VOI _1， NO． 4 Au g ．．20 04 文章 编 号 1 6 7 2 7 9 4 O 2 0 0 4 O 4 0 2 9 3 0 6 隧道超前探测方 法技术与应 用研 究 何继善 ，柳建新 1 ． 中南大学信息物理工程学院 ， 长沙4 1 0 0 8 3 2 ． 湖南继善高科技有 限公司 ， 长沙4 1 0 0 1 2 摘 要 “ 隧道超前探测” 是工程地球物理工作者所面l临的一个难题， 该问题是矿产资源开采 特别是煤矿开 采 中的巷道开拓超前预报 问题 的引伸 。因此从原理上讲凡是 能进行隧道掌 子面勘探 的所有的地质 、 地球物 理方法均能用来进行隧道超前探测 。我们对隧道超 前探测技术进行 了多年 的理论与应用研究 ， 提出了超前探 测 的地质雷达与超前水平岩芯钻相结 合的综 合预报法 ， 在许多实际工程应用中取得了较好的效果。本 文简要 介绍 了国内外超前探测的方法与应 用情况 ， 介绍 了近年来针对这 一方法开展 的研 究和取得 的进展 ， 同时结合 应用实例介绍 了所取得的成果。 关 键词 隧道超前探测； 地质雷达； 超前水平岩芯钻； 探测深度； 探测分辨率 中图分 类号 P 6 3 1 文献标 识码 A 收稿 日期 2 0 0 4 0 2 1 3 A S TUDY oF THE TUNNEL ADVANCED DETECTI oN TECHNoLoGY AND I TS APPLI CATI oN He J i - s h a n，LI U J i a n - x i n 1 ．S c h o o l o f I n f o Ph ys i c s a n d Ge o ma t i c s En g i n e e r i n g， Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y， Ch a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ，C h i n a 2 ． H u nan ge o s un H i Te c h no l o gy Co．，LTD，Chan gs ha 41 001 2，Chi n a Ab s t r a c t “ Tu nn e l Ad v a nc e d De t e c t i o n’ ’ i s a di f f i cu l t p r ob l e m t o t h e Eng i n e e r i n g Ge o ph ys i c a l wo r ke r s ． The p r ob l e m a c t u al l y i s t he f u r t he r e xp l i c a t i o n o f t h e a d v a nc e d pr e d i c t i o n i n t u nn e l e x c a v a t i o n o f mi ne r e s ou r c e s m i ni n g e s pe c i a l l y c o a l m i n i n g ． H e nc e，f r o m p r i nc i pl e ，a l l t h e g e o l o gi c a nd g e o ph ys i c a l me t ho d s t ha t c a n b e a d o pt e d t o e xp l or e t u nn e l f a c e a n d a t t he s a me t i me a l s o c a n b e us e d i n t he t un ne 1 a dv a n c e d d e t e c t i on ．W e h a v e be e n s t u dy i n g t h e t u nne 1 a d v a nc e d de t e c t i o n t e c hn ol o g y a nd i t s a p pl i c a t i o n f or s e v e r a l ye a r s，pu t f o r wa r d a n i n t e g r a t e d p r e d i c t i o n me t ho d c o mbi n i n g a dv a n c e d de t e c t i n g ge o l o g i c a l r a d a r wi t h a d v a nc e d ho r i z o nt a l c o r e d r i l l ，a n d o b t a i n e d p r e f e r a b l e e f f e c t i n ma n y p r a c t i c a l p r o j e c t s ．Th e p a p e r b r i e f l y i n t r o du c e s t h e a dv a n c e d d e t e c t i ng me t ho d a n d i t s a pp l i c a t i o n i n h ome a n d a b r o a d． The p a p e r al s o r e c o mme n ds t h e d e v e l o p i ng r e s e ar c h a nd a c qu i r e me n t a i mi ng a t t hi s me t h o d， a t t he s a me t i me，t e l l s t h e a c h i e v e me n t s o bt a i n e d t h r ou gh p r a c t i c a l e x a mpl e s ． Ke y wo r d st u nn e l a d v a n c e d de t e c t i o n；g e o l og i c a l r a d a r；d e t e c t i ng de p t h；d e t e c t i n g r e s ol u t j 0 n 第一作者简介 何继善 ， 男， 1 9 3 4年 9月 出生 ， 中国工程 院院士 ， 中南大学信息物理工程学院教授 ， 长期从事 电法 电磁 法勘探的理论与 应用研究 ． 发表论文 2 6 0余篇 ， 获得国家及省部级奖励 2 0余项。 维普资讯 2 9 4 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Ge o p h y s i c s 第 1卷 1 概 述 随着 国 民经济 的发展 ， 近 年来 我 国加 大 了基 础设 施 的建 设 ， 特别是 随着 西部 开发 的深入 ， 在道 路 公 路 、 铁 路 、 水库 等 的施 工 中往往 要遇 到一些 埋深 大 、 长 度 大 的隧 道 。这 些 隧道 工 程 在 设计 阶 段所 掌握 的地 质 资料 都 是 在地 表 获 得 的 ， 在地 表 覆盖层 较厚 或地 质 条 件 复 杂 的情 况 下 ， 这些 资料 受地 表方法 技术 和成本 的限制往 往 与实 际情 况有 很 大 的 误 差 ， 不 可 能 反 映 一 些 较 细 的 地 质 情 况 。 那 些 宽 度 、 方 向 、 和性 质 随深 度 变化 的 次级 断 层 、 岩溶 、 含水体、 瓦斯体等 由于未能准确掌握其特 性 ， 往 往给施 工 和 维 护带 来 很 多 不便 。在长 隧 道 的开拓 过 程 中 如 果 不 能 超 前 探 测 开拓 方 向 的 断 层 、 水 体 、 瓦斯 等情 况 ， 将 会给施 工 带来 困难 ， 严 重 时甚至会造成灾难性 的后果。如我们所探测的宜 万线某隧道线上 由于存在两条深 大断裂 ， 又存在 一 条 与之相交 的第 三条 断 裂 ， 该 区 又 出露 岩 溶 集 中发育 的寒武 系 中统 的光竹岭 组和寒 武 系上统 的 耗 子沱组 地层 ， 因此 存在很 大 的隐患 ， 在 隧道 的施 工 时就需 要超 前 探测 岩 溶 的发育 情 况 ， 防止 透 水 涌水 事故 。 为 了尽可 能满足 隧道施 工 过程对 掘进前 方地 质情 况 的 了解 要求 ， 避 免灾 难性 事故 的发生 ， 迫切 需 要先 进 的探 测 手段 和 完 整 的技术 ， 及 时 、 快 速 、 准确 地进 行超 前探 测 与 预 报 ， 这就 给 广 大地 质地 球物 理工作 者 提 出 了更 新 更 难 的 要求 。为此 ， 近 年来 国内许多科研单位和大专院校对隧道的超前 探测 技术进 行 了大 量 的理 论 与 应 用研 究 ， 许 多 单 位引进 了国外 的先 进仪 器 和 技 术 ， 但 从 目前 总 体 应 用情 况来 看所 取 得 的效 果 尚不尽 人 意 ， 特 别 是 长距离 的超 前探测效 果更 不理 想 。 2 超前探测方法技术 从原 理上 讲 ， 凡是 能 进 行 隧道 掌 子 面勘 探 的 所 有 的地 质地球 物理 方法 均能 用来进 行隧道 超前 探 测 ， 但 由于受 工 作条 件 的限 制或 全 空 间探 测 解 释 困 难 等 因 素 的 制 约 ， 目前 只 有 低 频 地 质 雷 达 、 T S P Tu n n e l S e i s mi c P r e d i c t i o n 法 、 声 波 探 测 、 超前水 平岩 芯钻 探 、 工 作 面上 的浅 孑 L 钻探 等 方 法 得到了较多 的应用。综合 国内外应用情况， 目前 用得最多、 效果最好 的仍是低频地质雷达 、 超前水 平 岩芯钻 探及 TS P法 。 2 ． 1 低 频地 质雷 达探 测法 低频地 质 雷达探 测是 利用 不 同岩体 的波 阻抗 的不 同和 分界 面对 电磁 波 的反射 原理 对探 测 目标 体进 行成像 ， 该 方 法能 十 分 清 楚地 显 现 探 测 面前 方 一 定范 围内 的岩石 、 空洞 、 水体 等不 均匀 体的分 布情 况和岩性 变化 情况 。该 方法 在进行 隧道 超前 探 测 时为 了保 证一 定 的探测 距离 和探测 精度 可 以 采用低 频天线 和 中频 天线 相 结 合 的方 法 进 行 ， 一 般 采用 1 O O MHz 、 5 0 0 MHz的天 线 。该 方 法 是 一 种 无损探 测 ， 不足之 处在 于超前 探 测 的距 离不 大 ， 特别 是 采用 5 0 0 MHz的天 线 时 ， 探 测 的 距离 往 往 不 超过 1 0 m， 总 的来 说该 方法 进 行 超 前探 测 的距 离一 般 大于 3 0 m， 以 1 5 m 以内效果 最好 。 2 ． 2 超 前水 平岩芯 钻探 “ 物探 先行 ， 钻探 验证 ” ， 超 前水平 岩 芯钻探 是 一 种 传统 而可 靠 的方 法 ， 可 以根 据需 要 探 测 和 了 解 隧道开 挖前 方几 米 、 几 十米 乃 至上 百 米 范 围 内 围岩的工 程地 质情 况 ； 可 以通 过 岩芯 观 察 和 分析 对隧 道开挖 前方 的不 稳定 岩层 和断层破 碎 带进行 准确 定位 ； 可 以直接 采 集 岩 芯 样进 行 各 种 抗 压强 度试 验 以获 取 岩石 的物 理 力学 性 质 参 数 ； 可 以通 过钻孔 及时 释放影 响 隧道掘 进施 工 的瓦斯 和地下 水等 有害气 体和液 体 。 通常工作时 ， 为节约和合理安排经费， 对地质 情 况稳 定 、 岩 性坚 硬 完 整 且变 化 小 的 地段 可 酌 情 减 少超 前水 平 岩 芯钻 探 工 作 量 。在 钻 进 工 程 中 ， 应 尽可 能避免 钻头偏 移 ， 导致 探测结 果 发生误差 。 应 根据 岩石 的坚硬程 度 ， 调整钻 机 的转速 和钻压 ， 坚 硬 的岩石 ， 应采 用 较 低 的钻压 。该 方 法 的不 足 之 处是探 测速 度慢 ， 有时 与隧道 施工 相 冲突 ， 遇 到 水 体和瓦斯 突 出等灾 害地 质层 时甚至 会造 成意 想 不 到的灾难 ， 且其 探 测结果 只是 “ 一孑 L 之见 ” ， 难 以 形成 “ 面 ” 的概念 。 2 ． 3 工作 面上 的浅 孔钻探 浅 孑 L 钻 探是利 用 开挖工 作面上 的炮 眼孑 L 或探 水 孑 L 、 声波探 测孑 L 的钻 进情 况 来 探 测 了解 围岩 地 质情况 。这些 钻 孔 深 一般 为 几 米 至几 十米 ， 在 钻 进 过程 中 ， 通 过 钻进 的 时 间 、 速 度 、 压 力 成分 以及 卡钻、 跳钻等和岩性 、 构造性质及地下水等情况， 掌握 地质 条件 ， 判 断 开挖 工 作 面 前方 围 岩 的地 质 情 况 。该 方法 和超前 水平 岩芯 钻探一 样也 是一 种 传统而可靠 的方 法， 其不足之处是速度慢 ， 无岩 芯 ， 只能 凭 经验 判 断 岩性 ， 人 为 因 素 大 ， 因此 只 能 维普资讯 第 4 期 何继善等 隧道超前探 测方 法技术 与应用研究 2 9 5 作 为一 种辅 助方 法 。 2 ． 4声波 探测 声 波探测 是利 用不 同岩石 体 有不 同 的物理 力 学性 质 ， 因而声 波传播 速度 亦有 不 同 ， 因此 可根 据岩石 体 的声波传播速度判断围岩的工程力学 情 况 ， 当岩 石 体 的 波 速 越 高 ， 则 岩 体越 完 整 坚 硬 ， 岩 体质量 越好 。由于该法 施工 麻烦 ， 而且 效果 有限 ， 因此实 际应用 中一 般较 少采 用 。 2 ． 5地震 波测量 地 震波测 量 是利用 微型爆 破 引发 的地 震 波在 岩体 中向 四周传 播 ， 当波 在 隧道 掘 进前 方 遇 到 一 界面时， 部分波将从界面回到接收传感器 ， 通过专 门设备 的数 据运 算 和 处理 ， 即 可预 报掘 进 前 方 的 地 质情 况 ， 但 该方 法施工 困难 ， 一般 只能用 于地 表 勘 探 。 2 ． 6 T S P法 TS P法和其 它反 射地 震 波方 法 一 样 ， 采 用 了 回声测量 原理 。地 震 波 在 指定 的震 源 点 通 常 在 隧道 的左 边墙 或右边 墙 ， 大约 2 4个炮 点布成 一条 直线 用 小量 炸 药激 发 产 生 。地 震波 在 岩 石 中 以 球 面波 形 式 传 播 。 当 地 震 波 遇 到 岩 石 物 性 界 面 即波 阻抗 差异 界 面 ， 例 如 断层 、 岩石 破 碎 带 和岩 性变化等 时 ， 一部分地震信号反射 回来， 一部分 地震信号透射进入前方介质 。反射的地震信号将 被高灵敏度的地震检波器接收。反射信号的传播 时 间和反 射界 面 的距 离成 正 比 ， 通 过 专 用 软件 及 相关 解释技 术能 提供一 种较 为直 观测量 结果 。该 方法 成本 较高 ， 可用 于长期 预报 。 p。 图 1 半无限介 质中的球体 Fi g ．1 Th e s ph e r e i n ha l f i nf i n i t e d i e l e c t r i c 3 探测深度与探测分辨率的分析 为了分析探测深度与探测分辨率的关 系， 我 们 可 以简单地将 地球 物理探 测方 法大 致分 为场 的 分布 类方 法 简称“ 场 类方 法” 和“ 波类 方法 ” 两大 类。为了使分析的问题更简单我们以在常规地面 探 测 为例进 行分 析 ， 事 实 上 在 隧道 中 的探 测情 况 更为复 杂 特 别是 对场类 方 法 ， 分 辨率将 会 更低 。 3 ． 1 场类 方法 的探测 分 辨率 对 于场类 方 法 的探 测 分 辨率 ， 我们 以半 无 限 介 质 中的球体 为例 进行 分析 设在电阻率为 的半无 限均匀介质中， 有一 个 直径 为 D、 电 阻率 为 p 、 顶 部 埋 深 为 h的导 体 球 。为推导此模型的视 电阻率异常表达式 ， 建立 如 图 1 所 示 的坐标 系统 轴 为 AB 方 向 ， 坐 标 原 点位于球心在地表的投影 。根据计算可以得到视 电阻率相 对异 常 。 对 于 良导 体 p - 0 ， 则 有 a m a x f 一 l O O ％ 一一2 。 l 2 一 ‘ 3 对于高 阻体 p 一C x 3 ， 则 有 am a x f一 l O O％ o一 。 l 2 一 c 。 K 为 球体 顶 埋 深 与 球 体 直 径 的 比 为相 对 深 度 。根据上式可以计算相对极大异常与相对埋藏 深 度 的关 系 ， 表 1给 出 了当最 大 异 常 相 对精 度 为 不 同值 时 即异常达 到 该值才认 为其是 可靠 的 的 最 大可 探测深 度 H 。 表 1 球 体 相 对 异 常 精 厦 与 最 大 测 株 厦关 系 Ta bl e 1 Rel a t i on s hi p b e t we en t he r e l at i v e a bn or mal pr e c i s i on a nd t h e ma xi ma l de t e c t i n g de p t h 异常精度／ 1 0 5 4 3 2 1 0 ． 5 0 ． 1 度 o ． s ⋯ ．z s z ． ． s z z ． z 呲 s 。 低 度 o ． s o ． s 洲 ． ． s z ． s z z ． z ． s 。 从表 1 可以看 出， 即使我们将精度要求降低 到 1 ， 对于 低 阻 体 的探 测 深 度 也 不 到球 体 直径 的 2 ． 5倍 。换 句话说 ， 对 于一 个直 径 为 1 0 m 的球 体 ， 如果埋 深 超过 2 0 m 的话 ， 用 场 类 方 法 就 很 难 探 测得 到 了。 从 表 1还可 以看 到 ， 提 高场 类 方 法 勘探 深 度 的关键 在于 提高 勘 探精 度 ， 也 就是 要 提 高 相对 观 测精 度 。 维普资讯 2 9 6 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Ge o p h y s i c s 第 1 卷 3 ． 2 波 类方法 的探 测分 辨率 前 面介 绍 的 目前在 隧道 探测 中所使 用 的地球 物理方法大多是波类方法 ， 波类方法的典型代表 就 是地震 法 和探地 雷达 法 。下面 简要介 绍这 两种 方法 的探测深度和分辨率的关系。 0 1 000 2000 m ／ s 图 2 地震 法探测分辨率示意 图 Fi g． 2 Se i s m i c de t e c t i n g r e s ol ut i on s ke t c h ma p 1 00 0 N 士 1 O0 _山 】 0 m ／ m s 图 3 地质雷达法探测分辨率示意图 Fi g． 3 GPR r e s ol u t i on s ke t c h ma p 图 2 、 图 3分别 给 出了地震 法 纵 坐 标 为激 震 频率 和地质雷达法 纵坐标为天线频率 探测分 辨率示 意 图 。 从 图 2中可以看出， 采用激震频率为 1 0 0 0 Hz 激震时， 当岩体波速为每秒 1 0 0 0 m 时， 其分辨率 可以达到 l m， 而当岩体波速为每秒 2 0 0 0 m时， 其 分辨率 就 只有 2 m 了 ， 因此 提 高 地 震 法 探 测 分 辨 率 的关 键是提 高激震 频率 。 从 图 3中可 以看 出 ， 进 行地 质 雷 达 工 作 采用 频率为 1 0 0 MHz 天线时 ， 对于岩体电磁波穿透速 度 为每秒 1 1 0 k m 时 ， 其 分 辨 率 可 以达 到 l m， 而当岩体速为每秒米 2 1 0 k m 时， 其分辨率就 只有 2 m 了， 因此提高地质雷达探测分辨率 的关 键是采 用 高频 天线 ， 但 由于趋 肤效 应 的原 因 ， 采 用 高频天线其探测深度就会相对减小 。 根据上述分析笔者认为提高波的传播类方法 分辨率的有效办法是提高工作频率 ， 加大有效发 射功 率 ， 采 用多 波多参 数工 作方 式 。 4 应用实例 如前所述 ， 虽然可以用来进行超前探测 的地 球 物理方 法有 多 种 ， 但 目前 国 内用 得 最 多 的还 是 低 频地质 雷达法 和 超前 岩 芯 水 平钻 ， 造成 这 种 情 况 的原 因一是 低频 地质雷 达法 确实 能解 决超前 探 测 的一些 具体 的 地 质 问题 ； 二是 该 方 法工 作 效 率 高 ， 对隧 道施工 的影 响不 大 ； 此 外该 方法 能给 出一 个 三维 的探 测 图像 ， 信 息 丰 富 。其 不 足之 处 除 了 探测 距离 较小 外 ， 不 同 的解 释 人 员 因 为对 解 释 技 术 和对 当地地 质构 造 的掌 握 不 一 ， 可 能会 造 成 不 一 致 的解 释结 果 ， 特 别 是对 异 常 的定性 解 释 更 是 如此 ， 我国某科研单位在福建某隧道进行超前探 测时甚至给委托方造成了地质雷达不能用来进行 超 前探测 的错觉 。 图 4 某隧道雷达超前预报图像 Fi g ．4 The i ma ge o f r a da r a dv an c e d pr e d i c t i o n i n o ne t un ne l 图 4是笔 者在 湖南 某 隧道 用 S I R一2型 地 质 雷 达主 机配低频 天线 施工 时获 得 的超前 预报 成果 图 ， 从 成果 图 中可 以看 出 在施 工 面前 方 1 6 ～ 1 7 m 处 明显存在 一处 异常 ， 经过 现场地 质 分析 ， 结合地 面勘探 资料 我们 认为 该处应 该存 在一 条含 水破碎 带 ， 结 合 当地 水 文地 质 资 料 我们 认 为 该 含 水 破碎 带所 含水压 力不 大 ， 加 上破 碎带前 后 岩层稳 定 ， 因 此建议在施工到破碎带附近时可用工作面上的浅 孔 钻探 释放破 碎带 中赋 存 的水 。实际施 工情 况验 证了探测结果 ， 当开拓到 l 5 ． 8 m时碰到 了超前探 测 的破碎 带 ， 且 其水 压水 量均 与预报 结果 吻合 ， 说 明了地质 雷达进 行超 前探 测 的可行性 。 图 5 、 图 6是应 用 TS P 一2 0 3型 隧道超 前地 质 预报 系统在 湖南 某高 速公路 隧道 进行 的超 前预报 维普资讯 维普资讯 2 9 8 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Ge o p h y s i c s 第 1 卷 应 用试 验 ， 虽 然不 同 的方 法在 不 同 的地 区均 取 得 了一定的效果， 但不 同的方法均有其局限性 ， 不可 能 有 “ 放 之 四 海 而 皆 准 ”的 方 法 。近 年 来 引 进 TS P一2 0 3隧道超 前地 质 预 报 系统 及 开发 的探 测 解译 技术 虽然 在许 多实 际应用 中取得 了较 好 的效 果 ， 但 也在 某些 隧道 超前探 测 中 出现 过误报 ， 因此 对其超前预报的准确性也不可盲 目夸大。 综合前面的分析 ， 考虑到工作效率和经费限 制 ， 我们认为在 当前隧道超前探测工作 中最好采 用 TS P 一2 0 3 进行长期预报 、 低频地质雷达加超 前水 平岩 心钻 探进 行 近 期 预报 的综 合 预报 法 ， 多 波 多参数 地震 法配合 高频震 源 也应该 能解 决一 些 实 际预报 问题 。 参 考文献 [ 1 ]张国 ，赵文，林梅．地下坑道开挖前方结构面超前 探 测．工 程地质学报 ， 1 9 9 7 ， 5 2 1 6 9 ． [ 2 ]冯玉静 ，王邦成 ，李 玉保 ， 等．点 电源法在煤 矿巷 道 超前探测中的应用及效 果．河北煤炭 ， l 9 9 8 4 9 ． [ 3 ]李玉 保．矿井 电法 超前 探测 技 术．煤 炭科 学 技 术 ， 2 O O2， 3 O 2 ． [ 4 3路石、利用 冲击钻孔进行掌子 面前 的超前探测．铁道 建筑 ， 1 9 9 6 1 2 ． [ 5 ]程久龙 ，王玉和，于师建 ， 等．巷道 掘进 中电 阻率法 超前探测 原 理 与 应 用．煤 田地 质 与 勘探 ，2 0 0 0 ， 2 8 4 6 0． [ 6 ]曾昭璜．隧道地 震反射法 超前预报．地球 物理学报 ， 1 9 9 4，37 2 2 68 ． [ 7 ]徐卫亚 ， 王思敬．关于三峡永久船闸高边坡快速施工 地质超 前 预 报 的 几 个 问 题．工 程 地 质 学 报 ， 1 9 9 4 ， 2 3 27 、 [ 8 ]白恒恒 ， 辛 民高．浅谈 长梁 山隧道 F s 断 层的地 质超 前预报．铁道工程学报 ， 2 0 0 0 ， 6 5 1 8 7 ． [ 9 ]李忠．TS P 一2 0 2 探测 系统 在新保 纳隧道地质 超前预 报 中的应用研究．地质与勘探 ， 2 0 0 2 ， 3 8 1 8 6 ． [ 1 O ]傅梁均 ，郭长青．地质 超前预报 和动态施 工 在隧洞 施工 中的应用．浙江水利水 电专科学校学报 ， 2 0 0 2 ， 1 4 3 1 6． 维普资讯