岩溶隧道超前地质预报技术探讨

周通平

（中铁二十三局集团第四工程有限公司，四川成都610091）

摘要：隧道地质条件非常复杂，施工中常遇有不确定的地质因素，容易造成各种突发事故，应用超前地质预报技术，可以防止和减少突发事故的出现，确保施工质量和安全。本文针对岩溶隧道超前地质预报技术进行了探讨，其中主要分析了地质雷达法的应用。

关键词：岩溶隧道；超前地质预报；技术；地质雷达法

前言

随着经济水平以及科学技术的增强，地铁包括隧道等一系列地下工程也得到了相应的进步，由于隧道的地质条件非常复杂，所以，在施工过程中应用超前地质预报技术非常重要。

1超前地质预报的目的

（1）复查隧道地质情况，以便更好的指导隧道施工。

（2）降低地质灾害发生的机率和危害程度。

（3）为优化工程设计提供依据。

（4）保障施工安全，预防质量事故和安全事故的发生。

（5）为编制竣工文件、绘制竣工图提供依据和相关资料。

2超前地质预报技术的方法

目前，人们普遍都很关注隧道超前地质预报问题，其预报技术和方法也非常多，各种方式都具有其自身的特征，怎样得到更加准确合理的预报结果，关键是要按照地质条件和环境使用相应的预报方法。岩溶隧道超前地质预报是以地质调查法为基础，采用钻探法、物探法相结合的综合超前地质预报方法。

2.1地质调查法

地质调查法是一种传统的、实用和基本的超前地质预报方法，具有综合和指导其它预报方法的作用。此种方法操作非常简单，对施工不会造成很大影响和干扰，可是其适用范围非常有限，一般多用在埋深浅并且地质条件简单的隧道，准确性非常高。如果隧道构造非常复杂或者属于深埋性，那么这个方法操作难度非常大，只能进行定性分析，所得结果准确性有所欠缺。

2.2物探法

（1）地震波反射法（TSP）

TSP技术是通过事先在隧道里使用小量炸药，把其用作震源，当震源传出的地震波遇到节理面和地层界面时，会有相应的反射波存在，而有关界面产状以及其性质关系到反射波的传播方向、波形、速度、延迟时间等。通过数据采集系统收集和处理，然后实施计算，最后形成能够体现地质体或者界面状况的平面图、隧道剖面图以及地震记录图。

（2）地质雷达法

地质雷达法指的是通过应用连续扫描电磁波反射曲线叠加法，经过在隧道掌子面前方电磁波的反射和传播，利用所测反射脉冲波实施反射面和隧道掌子面间的距离计算。由于电磁波对水十分敏感，所以在断裂带，特别是破碎带或者含水带，地质雷达识别能力非常高。但这种方法也有一定的不足存在，其探测距离相对非常短，并且极易遭受隧道内机电设备和金属的影响、干扰，最终影响到探测的精度。本文主要针对地质雷达法的应用进行深入的讨论。

（3）红外探测法

红外探测法主要适用于定性判断探测点前方有无水体存在及其方位，不能定量给出水量大小等参数，每25m一次，一次范围为30m，两次重叠长度应在5m以上。

2.3钻探法

（1）加深炮孔

加深炮孔是利用风钻或凿岩台车等在隧道开挖面钻小而浅的孔获取地质信息的一种方法，各种隧道的地质探测均适用，特别适用于岩溶发育区。加深炮孔不得在爆破残眼中实施，其孔径宜与爆破孔相同，孔深较爆破孔加深3m以上。孔数、孔位应根据开挖断面大小和地质复杂程度确定，在复杂地段根据具体情况适当增加加深炮孔的孔数。

（2）超前钻孔

超前钻孔就是要通过钻孔来探明开挖面前方有无不良地质和特殊岩土及其发育情况，有无断层破碎带及其发育规模，有无发生突水、突泥的可能，以及其它特殊目的探测。根据探测目的，尽可能采用冲击钻，必要时采用回转取芯钻。地质情况的判别要根据钻进的速度、卡钻情况、钻杆震动情况、回转取芯的岩芯、冲击钻产生的岩粉、冲击器工作时的声响等来判断。

3超前地质预报中应该注意的问题

3.1物探的前提

由于岩溶隧道中出现的不良地质体，例如溶蚀裂隙带、溶洞和富水岩溶管道等，和周围介质存在明显的介电常数差异，进而在雷达剖面上形成明显的雷达异常反射信号。通过分析异常信号特征，实现对隧道掌子面前方不良地质体性质的判释。

3.2适用的条件

尽管地质雷达法广泛应用于岩溶隧道超前地质预报中，但其并不是在任何情况下都能适用并取得好的探测效果，其关键的两个电性参数为介质的相对介电常数和电导率。岩溶隧道超前探测中，围岩的含水情况对介质的介电常数和电导率影响较大。所以，一般情况下，在电导率较小的灰岩隧道掌子面上探测，地质雷达法能获得更远的探测距离，从而优于其它短距离超前预报方法。反之，地质雷达探测距离受限，效率不高。

3.3测线布置和数据采集模式

原则上，隧道掌子面地质雷达测线的布置采用“#”或“丰”字形。然而，当隧道采用台阶法开挖或预留核心土开挖时，测线的布置受隧道空间位置和现场条件的限制，变得相对艰难。即使如此，地质雷达探测应在掌子面至少布置2条水平测线，增大探测范围和验证雷达异常。必要的时候，应在隧道两侧边墙部位适当距离范围内增加测线。

隧道掌子面较平整时，多采用连续扫描的测量方式。当掌子面平整度较差时，多通过点测方式（测点间距应控制在10～20cm）进行数据采集。综合考虑雷达探测效果、可实施性和安全等因素，数据采集宜采用点测和连续扫描测量相结合的方式进行。

3.4参数的选择

隧道掌子面地质雷达探测中，为获得较大的探测深度（距离），一般使用中心频率为100MHz或低于100MHz的天线。现场具体工作中，常使用中心频率100MHz的屏蔽天线。

时窗的选择，一般可根据电磁波探测目标体的最大距离双程走时的1.2～1.3倍确定。目前，业内人士多采用600～700ns的时窗设置。然而，在含水量较丰富的掌子面探测时，电磁波有效反射信号多在200ns以内，时窗设置为600～700ns则不适宜。所以，为保证探测效果，让大部分电磁波有效信号显示在采集界面窗口中，时窗的设置要根据现场情况调试而确定，不要受“固定思维模式”的影响，为了出具长距离的技术报告而忽略了雷达数据的有效性和可靠性。

3.5资料的后处理

完整的地质雷达数据处理流程较多。然而，实际操作过程中，数据处理流程并不是一成不变的。正如之前所述，雷达测线受隧道空间位置和现场条件限制，往往测线长度较短，单洞双线铁路隧道跨度不过十几米，辅助坑道则只有几米，测量剖面获取的雷达信号相对较少。固定的处理流程，可能会造成雷达剖面有效信息的过多丢失，不便于资料解译。所以，数据处理过程中应尽量保持原始数据原貌特征。

4典型实例和图像特征分析

4.1完整岩体雷达图像

掌子面较完整的灰岩，岩体均一性较好，介电常数差异很小。电磁波在岩体中传播时，能量衰减缓慢，雷达反射波强度很弱，没有明显的反射界面。雷达图像中反射波形特征表现为：波形均匀且低幅高频，仅在局部存在稍强反射亮点，如图所示。

4.2溶蚀裂隙带雷达图像

溶蚀裂隙中或为空气、泥质等方式填充，岩体均一性差，介电常数差异较大。电磁波传播中遇到溶蚀裂隙带时，能量衰减较快，特别是高频部分，增强了雷达反射波振幅且具有很大的变化，波形均一性差，同相轴断断续续不连续。电磁波在溶蚀裂隙带内产生的反射、绕射和散射等，使得雷达反射信号波形非常杂乱，并且同相轴连续性很差，反射波频率成分复杂。如图，其中虚线区域表示溶蚀裂隙发育区。

4.3溶洞雷达图像

溶洞的雷达图像特征跟溶洞形态、规模有关。在空溶洞的地质模型上电磁波衰减相对较缓，溶洞边界处常形成强烈的高频反射波，且伴随双曲线形态的反射波组出现。由于在溶洞体内几乎没有反射信号，溶洞的前界面位置容易确定，但溶洞的后界面不易识别。下面第一张图中，电磁波在掌子面前方约370ns处形成连续的强烈反射界面，溶洞的前界面容易识别，但溶洞的后界面不易确定。综合上述图像特征，判释为空溶洞（溶缝）。下面第二张图中，电磁波在掌子面前方约210ns处形成2个强烈的双曲线形反射界面，双曲线顶端开口平缓，显示溶洞规模较大。类似前面所述图像特征，判释为大型空溶洞或溶洞群。如图。其中虚线表

4.4富水岩溶管道雷达图像

灰岩地层中岩溶发育强烈时，岩溶的发育已成规模，隧道开挖过程中，可能遇到已形成的较为大型的岩溶暗河和管道等。由于围岩中富含水，电性差异大，电磁波衰减快，雷达反射波形成强烈的低频反射。如下图所示，电磁波在掌子面前方约300ns之后的反射波波形宽阔，振幅强烈，表现为强烈的低频反射振荡信号（虚线区域所示），判释为岩溶管道富水区域。

5超前地质预报注意事项

（1）施工过程中应遵循动态调整原则，根据具体掌子面的开挖地质情况和超前地质预报成果，及时调整超前地质预报方法和技术。

（2）施工中应根据超前地质预报的结果，进行综合分析研究，制定相应的工程预案。

（3）由于岩溶隧道部分地段穿越可溶岩地层，隧道开挖后，仰拱施作前应对隧道基底隐伏岩溶进行探测，并根据探测结果采取合理可行的处理措施。

6结论

（1）超前地质预报中，适当决定数据的采集方式和设置时窗，优化数据后处理过程，能最大程度发挥地质雷达的有效性。

（2）溶蚀裂隙带的雷达图像特征主要为波形均一性差，同相轴断断续续，振幅增强且变化大。溶洞的雷达图像特征主要为溶洞边界处常形成强烈的高频反射波，且伴随双曲线形态的反射波组。富水岩溶管道的雷达图像特征主要为低频强烈反射，信号衰减快。进行雷达图像中波形、频率、振幅和信号能量衰减等特点的对比分析。

7结语

隧道岩溶问题是隧道施工过程中的突出问题。在隧道工程中利用超前地质预报技术，利用各种手段和技术预报隧道掌子面前方地质状况，能够保障顺利完成隧道的施工和安全，在一定程度上还能够防止影响和破坏周围的生态环境。

参考文献：

[1]李书强．岩溶隧道综合超前地质预报技术应用[J]．铁道建筑技术，2014（04）

[2]钟凌云．地质雷达法在广西岩溶地质探测中的效果分析及探讨[J]．铁道建筑技术，2013（01）

[3]胡绍东．综合超前预报方法在岩溶区随道不良地质体探测中的应用[J]．公路工程，2014（5）