汉宜铁路隧道岩溶探查

汉宜铁路隧道岩溶探查 焦东旺 摘 要：主要分析了隧道在采用新奥法施工过程中，将超前地质预报纳入施工工序，并对隧底及洞周岩溶探查内容及程序作了详细介绍。 关键词： 隧道 岩溶 探查

1 引言：岩溶探查的目的及意义 武汉至宜昌铁路是沪汉蓉大通道的重要组成部分，设计时速200km/h。设计隧道共计7座共计2.1km，均为可溶岩隧道埋深均小于50m，受中南地区气候湿润及地下水活动频繁等因素影响，溶蚀沟槽、大型溶洞、溶腔等岩溶强烈发育，造成隧道岩溶地质条件较为复杂。查明隧底及洞周岩溶对于确保施工及运营期安全、避免产生灾害性后果具有关键的意义。 2 预测、预报方法 隧道围岩是复杂多变的，不良地质构造会导致隧道坍塌、沉陷、涌水、有害气体突出等事故发生，隧道周围一定范围内的岩溶洞穴会给后期运营留下隐患，为保证施工安全和施工质量，应将综合超前地质预测、预报纳入正常施工工序，做到有疑必探、先探后掘、确保施工安全。 因地质构造具有复杂多变性，单一地质预报手段不能取得满意效果，只有采用多种方法进行综合探测，及时采集、分析、处理数据，验证、反馈、修正，取长补短，相互补充和印证，这样才能准确地指导施工。 目前国内常用的物理勘探方法有地质雷达探测（简称GPR）、地震波法（简称TSP）、瑞雷波法（水平声波剖面法简称HSP）等。 钻探设备主要有超前水平钻机，竖向工程钻机，风动凿岩机等。 汉宜铁路隧道主要采用的预报方法有： 2.1、地质雷达 地质雷达应用于超前地质预报、隧底岩溶探查和洞周岩溶探查。 （1）设备及原理 设备选用：采用美国地球物理探测公司（GSSI）生产的SIR3000地质雷达仪（见图1），它用电磁波为地质勘察服务，为勘察方法起到了革命性的推动作用。

图1 地质雷达SIR 3000及100MHz天线 探测原理：地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)也称作探地雷达，是一种电磁探测技术，它利用地下介质对广谱电磁波(107～109Hz)的不同响应来确定浅层地层的划分、岩溶、空洞、不均匀体，通过观测位移电流的变化来实现其探测目的。 发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下，电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射，接收天线收到反射波信号并将其数字化，然后由电脑以反射波波形的形式记录下来。对所采集的数据进行相应的处理后，通过分析这些携有地下介质电信息的电磁波，可根据其旅行时间、幅度和波形，判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。探地雷达是在对反射波形特性分析的基础上来判断地下目标体的，所以其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等。其中，目标体与介质间的电性差异越大，二者的界面就越清晰，表现在雷达剖面图上就是同相轴不连续。可以说，目标体与周围介质之间的电性差异是探地雷达探测的基本条件。 仪器将发射天线和接收天线集于一体，具有快速、无损、连续检测、实时显示等特点，但在掌子面有水的情况下不宜使用。 （2）探测流程： ①检查和记录隧道掌子面的围岩情况； ②完成雷达主机和天线以及专用采集笔记本电脑的连接和调试； ③准备进入采集模式，尽量避免各种电磁的干扰和串扰； ④根据采集方式，确定天线的运动方式，进行数据采集。 （3）外业布置 ①采用连续测量方式。 ②定位标尺间距不大于10m。 ③隧底探查测线原则上沿隧道延伸方向，按隧道轴线、左右线路中心线布置3条测线。 ④洞周探查原则上沿隧道延伸方向布置3条测线，拱顶一条、左右起拱线各一条。 ⑤施测时应清理现场，尽量使隧底平整、干燥，施工车辆、金属材料和设备应尽可能撤离测线（距离测线大于30m）。 ⑥对于施测现场无法撤离的金属物、障碍物，在施测时应做好详细的记录（金属物或障碍物种类、位置、规模）。 （4）资料分析与处理 采用美国雷达专用处理软件和山东大学自行开发的二次处理软件，根据雷达波波形、相位、频率和能量等参数可以基本准确的预报探测前方中小型溶洞、断层破碎带和地下水。 探地雷达是用发射天线向岩体发射有一定宽度的高频电磁波，岩体中的介质因介电常数ε的不同而反射雷达波被接收天线接收。介电常数差是雷达工作的基础。空气的介电常数为1，岩石的介电常数为4～20，水的介电常数为81，水的电导率远高于灰岩、砂岩等岩石，因而探地雷达对水有特别的敏感性。 ａ.雷达波对水和含水率高的介质的反射强烈，反射波强度大； ｂ.雷达波从其它介质到含水层界面的反射波相位与入射波相反； ｃ.雷达波通过含水体后，高频成分被吸收，反射波的优势频率降低； ｄ.雷达波遇中小型溶洞有明显的“双曲线”反映。 资料分析的同时要做好各项记录： ①雷达记录清晰，反射波形、同相轴明显，不合格的记录应重测。 ②对合格记录根据记录的情况进行必要的处理如：编辑、滤波、增益、褶积和消除背景干扰等。 ③对每座隧道独立确定电磁波介电常数，并对记录进行转换。 ④对于外界的干扰源（金属物、障碍物）在剖面图上详细标注。 ⑤对于施工中揭示的地质病害、超欠挖情况在剖面图上详细标注。 ⑥处理深度大于10m。 ⑦在雷达剖面中标出探测对象的反射波组，确定异常体的深度、规模和大致形态，并推断充填情况。 2.2、地震映像 地震映像应用于超前预报和隧底岩溶探查。 （1）设备及原理 设备选用：采用瑞士Amberg测量技术公司最新生产的TSP203型(Tunnel Seismic Prediction)超前地质预报系统设备。与TSP202相比，TSP203在硬件设计和软件设计等方面都作了较大改进，其软件编程除了考虑与WINDOWS视窗的兼容之外，还特别强调了软件的智能化和评估结果输出的灵活性。

图2 TSP203系统组件简图 探测原理：像所有振动测量方法一样,TSP测量方法也需要振动发射源和接受装置。TSP测量系统是通过在掘进面后方一定距离内的钻孔内施以微型爆破来发射声波信号的，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，当波在隧道前方遇到异面时，将有一部分波从界面处反射回来，界面两侧岩石的强度差别越大，反射回来的信号也越强。放射信号经过一段时间后到达接受传感器，被转换成电信号并进行放大。从起爆到反射信号被传感器接收的这段时间是与反射面的距离成比例的，通过反射的时间与地震波传播速度的换算就可以将反射界面的位置、与隧道轴线的交角以及与隧道掘进面的距离确定下来；同样使用TSP也可以将隧道上方或下方存在的岩性变化带的位置方便地探测出来。

图3 TSP超前预报测量原理 图4 TSP203系统组件标准测量图示 为达到探测隧道前方和周围地质情况的目的，在TSP测量系统中使用了三对高敏加速度传感器，三对加速度传感器通过一根金属杆连接在一起，分别以平行和垂直隧道轴线的方向定位在专门的传感器钻孔内，传感器的这种布置方式能保证接收有各种不同角度反射回来的反射信号，使用三对水平和垂直布置的传感器还能有效地减少干扰信号的影响。 由传感器采集到的振动信号经过模数转换器转换后存储在一台小型计算机上，整个测量过程也是通过这台计算机来完成的。测量工作结束后将存储在小型计算机上的地震信号作进一步的分析处理之用。TSP测量系统配备有专门的分析软件，分析软件的主要任务之一是对测量信号进行各种数值滤波、选择放大等，以获得清晰的反射图像。分析软件的另一功能是将反射波图像所提供的信息与隧道的空间坐标结合起来，通过一系列的数学运算求出反射事件本身的空间位置以及与隧道的相对位置。这些数学运算的结果和解释正是TSP地质超前预报的最终结果。 （2）探测流程： 钻孔布置——施工钻孔——数据采集——数据分析——报告提交。 ①测线测点布置 TSP203超前地质预报是利用振动波的反射来进行探测的。振动波由在特定位置人为制造的小型爆破产生，一般是沿隧道一侧洞壁布置24个爆破点，爆破点平行于隧道底面呈直线排列，孔距1.5m,孔深1.5m，炮孔垂直于边墙向下倾斜10～15°，以利于灌水堵孔。距最后的爆破点15～20m处设接收器点（在一侧或双侧），接收器安装孔的孔深2m，内置接收传感器。

图5 观测系统与隧道关系平面示意图 ②探测方法 在测量过程中，逐次引爆爆破点的炸药（约30-150g，根据围岩不同适时调整）,制造出小型地震波，地震波遇到节理面、地层层面、破碎带界面和溶洞、暗河等不良地质界面时，将产生反射波，反射波的强度及传送时间反映了相关界面的性质、产状、据接受点的距离。接受传感器将接受到的反射波数据传输给记录仪电脑储存起来，利用

接收器孔2 1.5m 1.5m 2.5m 1.5m

掌子面 52米

接收器孔1 15米 炮孔S1 S2 S3 S23 S24

隧道轴TA 处理软件对储存的数据进行处理，形成反映隧道相关界面的隧道影像点图，由分析人员进行解释，得到前方的地质情况。 （3）外业布置 ①点距小于或等于1m，采样间隔小于0.5ms，记录长度应大于100ms。 ②定位点距不大于10m。 ③隧底探查测线原则上与地质雷达测线重合。 ④施测时应清理现场，尽量使隧底平整、干燥。 ⑤对于施测现场无法撤离的障碍物、震动干扰源，在施测时应做好详细的记录（障碍物和干扰源种类、位置、规模）。 （4）资料分析与处理 采集的TSP数据，通过TSPwin软件进行处理，获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面和反射层提取以及岩石物性参数等一系列成果。在成果解释中，以P波资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释。解释中，遵循以下准则： a.正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。 b.若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。 c.Vp/Vs增加或δ突然增大，常常由于流体的存在而引起。 d.若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。 根据分析结果对掌子面前方岩体进行分段描述，包括岩性的变化、含水情况、是否存在不良地质体等，并做好以下几点： ①记录清晰，反射波形、同相轴明显，不合格的记录应重测。 ②对合格记录根据记录的情况进行必要的处理如：编辑、滤波、增益等。 ③对于外界的障碍物和干扰源在剖面图上详细标注。 ④对于施工中揭示的地质病害、超欠挖情况在剖面图上详细标注。 ⑤处理深度大于10m。 ⑥在剖面中标出探测对象的反射波组，确定异常体的深度、规模和大致形态，并推断充填情况。 2.3、钻探