陆地声纳法作隧道地质预报的应用效果

陆地声纳法作隧道地质预报的应用效果前言陆地声纳法是为作隧道不良地质预报于1988年设计，经2次立项评审后列为铁道部科研项目，于1991年基本成功而推出，1992～95年为国家自然科学基金资助课题。经理论研究、正演研究、现场考试验证，4次评审和院、部鉴定会，被列为铁道部地质预报课题成果和推广的两种主要方法之一，1996年获铁道部科学研究院一等奖，课题因在南昆线的实际预报效果和对几座隧道的施工指导获南昆铁路一等奖。后来又在浅层探查中发挥了其特长。当年研制的专用仪器是我国第一代虚拟型物探仪器，2003年发展成第4代---LDS-1陆地声纳仪并已投产。此方法用锤击震源，在掌子面上布置工作，不必固定检波器，可以探查断层及破碎带、大节理、岩脉、陡倾角岩体分界线，以及岩溶、洞穴等。它自1991年投入现场试验，预报距离100m左右，每次预报现场工作占时30-45分钟（从人员进场到撤离）。陆地声纳法的原理及特点此方法是“陆上极小偏移距超宽带弹性波超短余震接收系统单点连续剖面法”的简称。是地震反射法的变种，吸收了水声法、探地雷达、超声波法的某些特点而形成了一个杂交的品种。它的要点和特点是：2.1在隧道掌子面上设测量剖面，剖面上每30cm左右设一测点，用锤击方式激发弹性波，在激震点旁设检波器接收被测物体的反射波，检波器用黄油与岩面耦合。然后将各测点的时间曲线拼成时间剖面，根据同相轴和频谱解释圈定断层、大节理、岩层分界面、岩脉、涌水层、溶洞等不良地质体（图1），为确定反射体的空间位置，通常布置水平和铅垂的两条测线;2.2本方法用锤激震源以及检波器和仪器结合，可激发和接收从10Hz～4000Hz的波（图2），然后可通过分窗口带通滤波提取不同频段的反射波，高频段的反射波可反映薄层和大节理等和小溶洞，低频段的反射波可反映较大的断层、较厚的岩脉、岩层和大溶洞，通过不同频段反射的图象对比，可以分辨不同的不良地质体；2.3作为极小偏移距（震-检距）的方法，反射波是续至波，故可避开直达波、声波、面波的干扰，而且不仅可探查断层等近似平面型的物体，还可探查溶洞等有限大小地质体；由于全信息的采集，还可根据频谱测出断层影响破碎带的范围。2.4由于在激震点旁接收，激震能量效率高，用锤击激发可探到150m以上远（为预报准确，一般预报80-100m），每次采集在现场只占用30-45分钟；2.5通过硬件和软件的配合，使接收到的每一反射体的反射波仅有1个周期。这样，就提高了分辨率，可以反映1m大小的物体，甚至可以对可能导致坍方、掉块的大节理、破碎带和0.5m大小的溶洞有明显的反映；2.6强调地质与物探的结合。物探工作开始前充分掌握必需的地质资料，工作过程中地质手段与物探密切结合，资料分析时综合地质与地球物理信息，最后给出地质结论。图1陆地声纳在掌子面上作前方地质预报示意图Fig.1SketchofgeologicalforecastingoffrontofworkingfacebyLandsonar图2检波器的特性曲线Fig.2Specificitycurveofthegeophone图3在掌子面上作数据现场采集工作照及仪器照片Fig,3PhotoofLandsonarinstrumentandwokcollectingdataonworkingface3预报实例［例1］XXX隧道“关门断层”预探XXX隧道穿过多条断层及其影响破碎带，“关门断层”是其中之一。因其规模较大，以山顶地面断层出露的村庄命名为“关门”断层。隧道埋深较大，两个钻孔均未能确定断层产状，其具体位置及规模未搞清。随隧道掘进作了5次探查：第一次探查在DK86+520掌子面上进行，第二次在+524掌子面上进行，各设水平及铅垂向测线一条，陆地声纳法现场采集每次用时40分钟左右。预报在掌子面前方40m内未见主干断层及破碎带，但有几条较大节理或小断层（见图4的B、C和X几条同相轴），应引起注意。隧道掘进时在大节理或小断层处均发生拱部坍方，变更设计降低了围岩级别。第三、四次探查在DK86+534和+551进行，在掌子面上分别设了长4m的水平测线和长2m的铅垂向测线各一条，每次现场采集用时约40分钟。这次预报给出了主干断层在隧道中出露的里程和产状、厚度，并查出了宽约20m的断层影响破碎带的出露位置。图4标记P的右边，反射波中高频成分明显增多（图中直观即可发现），这是因为破碎带中岩体节理密度明显加大，岩块块体小，对高频波散射严重所致，这是破碎带的典型特征之一。探查预报结果经开挖证实（见图4），预报的大节理，小断层及“关门断层”在隧道中出露的里程与开挖相差1m左右，但对“关门断层”的断层泥厚度预报比开挖实际厚度厚了1.5～2m。图4XXX隧道DK86+534掌子面预报前方资料及开挖后实际情况对比（图中黑色为正半周，以下各图同）Fig.4Time-profileofLandsonarforforecastingoffrontofworkingfaceinYuntaishantunnelandcontractingbetweenLendsonarresultandrealityB,C---greatjointX—smallfaultP—dividinglineoffracturezone[例2]XXX隧道断层破碎带的掌子面前方预报XXX隧道是北京—八达岭高速公路的一座双车道隧道，穿过花岗岩。在平导和正洞接近地质勘查资料注明的断层前，用“陆地声纳法”作了探查。每次探查均作了水平测线（正洞长11m左右，平导长5m左右）和铅垂向测线（长3m左右）各1条，每次用时约45分钟。图5是其中一份陆地声纳探查资料及预报图，从图可清晰见到两个断层面的反射同相轴f1、f2，以及靠近掌子面及多条断层连续性不很好的一些同相轴，它们反映了多条小断裂——这是岩体中断层影响破碎带的反映（节理和小断层较密集）。从图还可看到，紧靠掌子面还有连续的反射波同相轴图象，它是断层面还是因开挖爆破在掌子面岩体中产生的松弛带或爆破破坏带？难以分清。这告诉我们，不能在接近某些断裂、岩体已发生变化时再去探查，而应在其前方十几、几十米以外去探查，以达到预报的目的，并可以较有把握地测到包括破碎带范围在内的断层带。图5XXX隧道K3+444掌子面探查前方断层破碎带预报图Fig.5ResultaboutforecastingfaultandfracturezoneoffrontofworkingfaceinTanyugoutunnel[例3]XXX隧道左洞断层及风化呈泥状岩脉的掌子面前方探查XXX隧道穿过风化流纹岩，穿过几条断层，并有细晶岩脉穿插，岩脉均风化成泥状。特别是距出口约80m一段穿过F3、F4、F5三条断层，岩脉较宽、岩质较坏，曾经为是否更改原设计及施工方案引起过争议。用陆地声纳法在左洞弧形导坑作的探查，十分清楚地反映了断层及岩脉，为确定施工方法和施工组织提供了重要依据。开挖证实预报准确。图6是预报以及开挖后素描的地质平面图比较。预报距离约90m。图6XXX隧道出口段陆地声纳法预报及开挖后素描对比Fig.6ContrastingbetweenforecastingbyLandsonarandrealityinZhapbaoshantunnel［例4］XXX隧道出口端断层、溶洞等不良地质预报XXX隧道为单线长隧道，出口端还有150m将贯通。但洞门段掘进了10余米就遇到被切割成大块的破碎石灰岩的坍垮而停止掘进，出口端的进口段掌子面为砂页岩互层，向前掘进将遇到什么情况不明。而在此次工作前一周，勘测设计单位的补充地质报告认定：这一段不存在断层和岩溶，并确定出口洞门段再掘进10m左右岩质将变好。在隧道DK781+750掌子面上用“陆地声纳法”向进口方向探查，设了一条长6m的水平测线,现场采集用时30分钟，发现了断层（见图7的F1、F2基本呈直线状的同相轴）及溶洞(见图7的R1、R2双曲线状同相轴这典型的洞穴图象)；掘进到DK781+770,在掌子面上进行了第二次探查，设了长6m的水平测线和长3m的铅垂向测线各1条，现场采集用时45分钟。两次探查的重合段时间剖面图完全一致。图7XXX隧道DK781+770掌子面预报前方资料及开挖后实际情况对比Fig.7ForecastingfaultsandkarstcavesoffrontofworkingfacebyLandsonarinLvchangtunnelR1—greatcaveR2—caveunderbottomoftunnelF1,F2—faultZ—workingfaceontheotherendoftunnel预报指出：在DK781+778～+780有一小断层（见图7F1反映断层泥两个面的同相轴），并根据断层倾向方向的上盘为砂岩推断可能有地下水；在+810向出口方向有较大断层（见图7F2处的几条同相轴），+816～+823有大溶洞（图4R1处有半支双曲线同相轴，表明溶洞较大，8m长的测线未能将双曲线同相轴测全；图中还能看到溶洞的远端面的反射同相轴），再向出口方向为破碎岩体、岩溶发育。作者还在地面对方圆1km范围内的岩层、断裂和岩溶的发育情况作了调查，以掌握地质规律。施工单位据预报结果重新安排了施工组织，特别在接近F2和R1的开挖时采取了必要的措施。开挖证实了预报结果。此次预报最大距离为130m,图7为其中一组陆地声纳剖面及现场预报资料和开挖后观察对比。［例5］南昆铁路XXX隧道出口端岩溶地质预报XXX隧道穿过三叠系灰岩，有多段岩溶发育地段，开挖时曾发生过溶洞泥坍方。在此隧道的近出口段的1.2km范围用“陆地声纳法”作了探查预报，每次预报掌子面前方90m。从DK538+651向出口方向的大部分段均未发现溶洞（后经开挖证实），在DK539+510掌子面上图8XXX隧道DK539+770掌子面作前方不良地质预报资料及开挖反馈对比F1、F2—断层F3断层加小溶洞（开挖后观察边墙有溶蚀严重的断裂面）F4—小断层有直径约0.5米的小溶洞（开挖后观察边墙有断层、有溶蚀）Fig,8ForecastingfaultsandkarstcavesoffrontofworkingfacebyLandsonarinYnazhaitunnelF1,F2—faultF3,F4—fautltandsmallcave向进口方向则发现不少小的溶洞和灰岩中的溶蚀反映。在DK539+510掌子面上，布置了水平测线和铅垂向测线各一条，向进口方向作了预报探查，采集用时近40分钟。发现了断层和岩溶，以后在+494.5掌子面作了第二次探查，它与+510的资料对比，图像的反映完全一致，图8中可见在F3、F4处的反映小溶洞的双曲线同相轴，4m长的测线测到了宽约3m的完整的双曲线同相轴，表明这些溶洞都很小，直径仅0.5～1m。探查距离150m左右，预报距离90m左右。开挖后观察结果与预报结果基本吻合。由于预报中没有严重的不良地质，施工时不需作重要调整，施工单位在预报范围开挖通过后一段时间再在隧道内观察丈量的实际地质情况的，故在隧道中的小溶洞开挖爆破出渣后即无法查明，仅能记录侧墙的断裂及溶蚀情况。反馈资料表明：预报的+451前后的小断层及0.5m左右直径的小溶洞与开挖里程差5m（其原因是为赶交结论报告未作距离偏移校正），其余预报皆与开挖完全相符。图8是其中一张预报剖面图像及预报与开挖反馈的对比图。［例6］宜万铁路XXX隧道岩溶溶槽的地质预报一些隧道中的岩溶是以溶槽、溶缝和岩溶裂隙水的形式出现的，溶缝是较大的裂缝，溶槽有时则为宽达1、2m,甚至达4、5m的溶蚀裂缝。它们与溶洞的形态不同，预报难度更大，难点在于区分小的裂缝和宽度较大和大的溶缝，需要从同相轴中根据反射波的相位、反射强度等，并分析较宽溶缝两个反射面反射的不同、并要从地质角度深入考察和分析溶缝的规律来作定性解释，。XXX隧道出口段即是这种情况。图9是在横洞0+080掌子面预报和开挖实测结果。可以看到，预报的120余米范围内的12条溶缝和3处破碎岩体均与开挖相符，最大里程差约为2m.图9XXX隧道出口横洞+080作溶缝预报及及开挖反馈对比Fig.9ForecastingcarstcrecksoffrontofworkingfacebyLandsonarinBazilingtunnel［例7］XXX隧道进口溶洞和暗河的预报XXX隧道有不止一条暗河穿过威胁施工和人身安全，其附近宜万铁路某隧道已因突涌水发生大事故。在以往缺少预报暗河经验的情况下，遵循由已知到未知的物探工作原则，先寻找已知的条件。隧道进口右洞在作预报时，掌子面右侧恰爆破揭露了暗河，暗河在掌子面前方约１０m。图１０是在YK326+188掌子面上水平测线的陆地声纳时间剖面。图中粉红色标示了暗河的前壁（反射波负半周——兰色在前）和后壁（正半周——红色在前），它们中间是空气除了暗河上下岩体中一些反射面不连续反射外，总体图象比较“干净”。图10XXX隧道右洞YK326+188掌子面水平测线时间剖面Fig.10Time-profileofLandsonarforforecastingonfaceinYK326+188ofQiyueshanrighttunnel这些已知情况下的实测的“正演”资料，可以作为其它剖面的解释依据。在XXX隧道进口左洞ZK326+140掌子面预报时，发现了前方50～110m的暗河及110m外的中小溶洞。图11为实测的水平测线和铅垂向测线的时间剖面图。图中可见到在22～32ms反映暗河前壁的反射同相轴，在它与反映后壁的同相轴间小的反射比前壁之前的反射少的多，也弱得多。与图10暗河的反映一致。计算得前壁里程为＋190～＋202（距掌子面50～60m）.后壁的同相轴较模糊，估计在110m以外。从铅垂向剖面（图11右）可见，前壁同相轴倾斜。计算它应在仰拱底附近。54-72ms（约在110m～130m外）还有3个溶洞的反射，其直径约1m,它们基本上接近暗河后壁。在隧道施工时在ZK326+256掘进爆破揭开了暗河的顶部,可见到暗河后壁约在+260～+270,其后壁附近有3个直径1m左右的小支洞,图12是+256右墙角揭露的照片.图11XXX隧道右洞YK326+140掌子面陆地声纳时间剖面Fig.11Time-profileofLandsonarforforecastingonfaceinZK326+140ofQiyueshanlefttunnel4需注意的问题及进展4.1必须紧密结合地质及地质工作，这是正确的定性解释的关键；4.2对陆地声纳资料的处理应当和定性定量解释同步进行，资料分析中要注意频谱、相位、振幅相邻同相轴的对比；有必要引入横波的激发和反射系统,由于此方法的采集系统对质点的振动方向性灵敏度很高，设计这种系统是有可能的；4.3解决现场实测各层岩体波速问题目前的反射类方法，可以实测第1个反射面之前的岩体波速，而当以后各反射面不平行掌子面（与测线不垂直），则难以测准其它各层岩体波速。作者设计了一种实测波速的办法：通过在掌子面上两条或更多交叉剖面，在已知波速的情况下可以计算出反射面的空间位置，但波速是要测取的。在隧道边墙上设剖面，或在距掌子面远端激震，近掌子面的几个测点置检波器接收掌子面前方反射面的反射波；或采用极小偏移距（震-检距）的方法作几个测点，接收掌子面前方反射面的反射波。这样，各测点的反射时是实测的。第1个反射面之前的岩体波速V1是实测的，然后假定V2,通过掌子面上的的剖面可以计算出第2个反射面的空间位置。以此计算位置和设的波速，可以计算出第2反射面到边墙测点的反射时。此值与实测值的差值可确定原设的波速是高还是低；然后再假定V2-2、V2-3……用逼近法或设多个等差级数的V2-n计算一系列反射时后与边墙测点的实测值比较，差值最小者即最接近实际波速。然后再计算V3、V4……4.4注意综合物探综合物探是提高物探探查能力和质量的重要手段，地质预报是在3维空间情况下的物探工作，更应注意综合物探。探查地下水不是弹性波法的强项，而电法（直流电法、电磁法、激发极化法）则在探水方面有优势。作者在研究陆地声纳法探水的同时，更注电磁法，目前用远红外、探地雷达为配合手段，并与李貅合作试验研究瞬变电磁法。在部分地质预报报工点的实实测及预报报结果和开开挖观察反反馈对比一一览表（一一）序号实测预报工点施测掌子面似t0时间剖面图在现场的预报预报里程与开挖有差值原因开挖观察反馈评价1XXX隧道1##揭煤点，19911.7DK86+1229.5隧底揭煤里程DK86+1889.5隧底揭煤里程DK86+1991未作相位校正揭煤点为DK86+1889（底）++193（顶）预报准确2XXX隧道关门门断层1991．1001.DK86++5202.+5334+551主干断层在600米以外②40米以内有4个较大大反射面：：a－+537b、x－+546～+5548c－+554①证实上述预报②b、x、c为小断层d－+5667有大节节理③+572之后高高频成分增增多，进入入破碎带④+587～+5590为主干断断层，倾向向进口，倾倾角750±40米以内未见主干断断层40米内有4条小断层：a－+537b、x－+546～+5548c－+554②a、b、c、d,有4条大节节理，x为小断层层③+572以远进进入断层影影响破碎带带④+587～+5594为主干断断层，陡倾倾角波速选用有一定定误差①40米以内未见主干断断层②有如下断裂面：：+537～+5539大节节理+542～+5543大节理+542～～+5500小断层（开挖时坍顶）+553大节理理，开挖时时坍顶，围围岩分类降降一级+567有大节节理③+574进入断断层影响破破碎带④+587～+5589为主干断断层断层泥泥，倾向进进口，倾角角750～800预报正确但未区区分小断层层和大节理理预报正确，主干干断层预报报略厚预报距离约600米3北京八达公路XXXX隧道道平导19955.4K3+414..5f2断层在K3+4411～+408出露，宽5-6米②断层影响破碎带带达+396前后①f2断层在K3+4411～+408出露，宽5-6米②断层影响破碎带带达+396前后开挖与预报一致致预报准确4XXX隧道出口1994.1--2DK781+8855①+806～+8855为岩体破破碎、岩溶溶发育段②+806～+8824为断层破破碎带+817附近有有溶洞③+840隧底下下有溶洞①+855～+7797为破碎岩岩体，岩溶溶发育②+810～+8823为断层破破碎带，岩岩溶发育③+840向进口口方向隧底底下有溶洞洞为安全，对破碎碎岩体边界界预报保守守一些①+807～+8819出现断层层②+810～+8819发育直径径5米岩溶洞+828～+8822为风化破破碎页岩+832～+8855为岩溶发发育、破碎碎石灰岩区区预报准确在搞不清地质情情况而停工工时根据预预报资料恢恢复掘进，安安排施工预报距离约900米在部分地质预报报工点的实实测及预报报结果和开开挖观察反反馈对比一一览表（二二）序号实测预报工点施测掌子面似t0时间剖面图在现场的预报预报里程与开挖有差值原因开挖观察反馈评价5XXX隧道出口口1994.1--2DK781+8855.①+806～+8855为岩体破破碎、岩溶溶发育段②+806～+8824为断层破破碎带+817附近有有溶洞③+840隧底下下有溶洞①+855～+7797为破碎岩岩体，岩溶溶发育②+810～+8823为断层破破碎带，岩岩溶发育③+840向进口口方向隧底底下有溶洞洞为安全，对破碎碎岩体边界界预报保守守一些①+807～+8819出现断层层②+810～+8819发育直径径5米岩溶洞+828～+8822为风化破破碎页岩+832～+8855为岩溶发发育、破碎碎石灰岩区区预报准确在搞不清地质情情况而停工工时根据预预报资料恢恢复掘进，安安排施工预报距离约900米6XXX隧道进口口1994.7DK538+6651向出口方向900米内无溶洞洞和断层向出口方向900米内无溶洞洞和断层向出口方向900米内无溶洞洞和断层预报准确预报距离90米米7XXX隧道出口口段工区之之一1994.7DK539+5560向出口方向到另另一掌子面面54米内无溶洞洞和断层向出口方向544米内无溶洞洞和断层向出口方向544米内无溶洞洞和断层预报准确8XXX隧道出口口段工区之之二1994.7DK539+7703向出口方向到另另一掌子面面41米内无溶洞洞和断层向出口方向411米内无溶洞洞和断层向出口方向411米内无溶洞洞和断层预报准确9XXX隧道出口口段工区之之三1994.7DK539+5510+494.5①+497～+5500有宽3米断层，伴伴有小溶洞洞②+478～+4479有小断层层（F2），倾向向出口，倾倾角约750③+4688～+471有小断层层（F3）并伴有有小溶洞④+444～+4446有小断层层伴有0..6m直径的小小溶洞⑤+433～+4435有断层⑥+405前后有有一断层（F5）①+499左右有有断层与溶溶融的层面面相交，伴伴小