１８ 铁道勘察 ２０１７年第５期 文章编号：１６７２—７４７９（２０１７）０５—００１８—０４ 综合物探方法在隧道超前地质预报中的应用 陈德君 王树栋 王光权 （中铁二院工程集团有限责任公司，ｌ￣ｌＪｌｌ成都６１００３１） Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ａｄｖａｎｃｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ Ｃｈｅｎ Ｄｅｊｕｎ Ｗａｎｇ Ｓｈｕｄｏｎｇ Ｗａｎｇ Ｇｕａｎｇｑｕａｎ 摘要在隧道超前预报中，受成本、效率、工期等因素的制约，传统钻探法的应用存在很多局限。 分析采用综合物探技术进行超前预报的必要性，介绍隧道超前预报中常用的物探方法及其典型成果，提 出采用多种物探技术相结合的综合物探预报方法及其最佳组合模式。结合工程实例，验证了综合物探 技术在隧道超前预报中的优越性。 关键词 综合物探技术中图分类号：Ｐ６３１ 超前预报 文献标识码：Ｂ 在隧道工程建设中，超前地质预报作为优化工程 设计、规避施工风险的一种重要手段已被纳入隧道设 计和施工工序中。目前，隧道超前地质预报的主要方 法有地质调查法、超前钻探法、物探法和超前导坑预报 １ 采用综合物探方法的必要性 在隧道超前预报过程中，常用的物探方法主要有 地震波反射法、地质雷达法、红外探水法、瞬变电磁法 法。受成本、效率、工期等因素的制约，传统的超前钻 探和超前导坑法通常作为一种补充验证方法在特殊地 段予以实施。隧道内地层构造存在天然的物性差异， 使得采用物探方法进行超前地质预报成为可能。在不 影响施工的情况下，采用多种物探手段，可以对隧道工 作面前方一定范围内的地质情况做有针对性的预测预 报，具有占用施工时间少、一次预报距离长、成本低等 等，由于物探方法本身存在的局限性和多解性，各种方 法各有侧重和优劣（见表１）。采用综合物探预报技 术，可以对不同方法得出的预报结论进行综合分析，相 互印证，同时与勘察成果相结合，可以较为准确地反映 工作面前方的地质情况，提高预报准确率。 表１ 常用物探方法应用效果对比 优点，作为一种基础性、普查性的方法，在隧道超前地 质预报过程中得到广泛应用，取得了良好的效果。 在分析隧道施工中不同岩性和地质体地球物理特 征的基础上，介绍隧道超前预报中常用的物探方法，通 过对现有物探方法的分析和研究，总结各种方法的适 用条件和优劣，提出采用综合物探技术预报的必要性 以及各种方法的最佳组合模式，并结合工程实例，探讨 如何采用综合物探技术提高隧道超前地质预报准确 率，以便更好地指导施工。 收稿日期：２０１７—０７—０６ 第一作者简介：陈德君（１９６４一），男，１９８８年毕业于西南交通大学工程 地质专业，高级工程师。 ２ 常用物探预报技术及其典型应用成果 ２．１地震波反射法 地震波反射法又称ＴＳＰ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｈｅａｄ）法，是目前隧道超前地质预报中应用最广泛、最 成熟的物探方法之一。该方法占用施工时间相对较 综合物探方法在隧道超前地质预报巾的应用：陈德君王树栋 壬光权 １９ 短，预报距离可达１２０～ｌ５０ ｍ，适用于各种不良地质 体的预报，特别是对断层破碎带和岩溶等面状、体状地 质体预报效果较好。 （１）断层预报 断层是工程中最常见的地质构造。通常情况下， 断层内岩体破碎、裂隙发育、含水，与两侧岩体存在明 显的波阻抗差异。地震波在通过断层界面时会存在明 ｛ ——．脚 …一 塞曲 显的强反射信号，形成一组明显的反射层，反映到岩石 物性参数上为波速和动静态杨氏模量明显下降，在断 层内含水的情况下，其泊松比会明显上升，其典型成果 如图ｌ所示。 ■ ■ ■● －．－－－－－ －－－一・ －－－－・ 一憾 ●■ ： ． 目■ ｛ｏ！ ｉ． 毫ｓｏｍ４…～… ＝ 村 ： 一 图２溶洞ＴＳＰ典型成果 （１）断层预报 ＃ ■ 断层内通常发育有破碎岩体、节理裂隙带、水等， 介质极不均匀，电性差异大，因而在雷达图像上一般会 形成较强的反射界面或能量团，反射面周围振幅显著 ．－－ｆ 一 ・ｍ－ …，・Ｉ 增强，能量团分布不均匀，同相轴错断，能量衰减较快， 规律性差，特别是高频部分衰减快，在深部甚至模糊不 ……ｆ：————————————————一－¨．．¨ 一 ｌ ’ 清，其典型雷达特征见图３。 图１ 断层ＴＳＰ典型成果 （２）岩溶或采空区预报 ■■ ■■ ■疆 濂 一 ＿■ Ⅻ● ～ ■ 岩溶探测是超前地质预报的重点和难点，其典型 形态为中空或含充填物的不规则几何体。地震波通过 溶洞时，在溶洞边界形成强反射界面。同时，在溶洞所 在范围内，其动静态杨氏模量降低，波速减小，特别是 当溶洞内充填水时，由于横波在通过流体时产生衰减， 表现为横波波速明显降低，而泊松比升高．其典型成果 见图２。 图３断层破碎带特征 （２）岩溶预报 地质雷达图像特征取决于溶｝同的形状、大小以及 充填物的性质，通常表现为由许多双曲线组成的强反 射能量团。当溶洞为中空时，由于空气的介电常数约 为ｌ，远小于围岩的介电常数，电磁波穿过溶洞时，在 ２．２地质雷达法 地质雷达法（Ｇｒｏｕｎｄ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｒａｄａｒ）是利用电 磁波在隧道开挖工作面前方岩体中的传播及反射，根 据传播速度和反射脉冲波走时进行超前地质预报的一 种物探方法。电磁波在各类岩土介质中传播时，由于 岩土体的完整性、含水性和电性特征的差异，导致雷达 电磁波的波形、波幅、周期和包络线形态等有较大差 别，形成不同的雷达图像特征，每次预报距离在２０～ ３０ ｍ左右。地质雷达主要用于岩溶探测，亦可用于断 雷达图像上表现为沿洞壁分布的一个强反射带；当溶 洞内充填物为水时，由于水的介电常数远大于围岩介 电常数，电磁波在通过此区域时会产生强反射，在雷达 图像上表现为覆盖整个溶洞范围的强反射能量团（见 图４）。 ２．３ 瞬变电磁法 瞬变电磁法属于时间域电磁法。它遵循电磁感应 层破碎带、软弱夹层等不均匀地质体的探测。 ２ ０ ８ ６ ４ ２ ２０ 铁道勘察 ２０１７年第５期 的预报方法和物探组合模式（见表２）。用宏观预报指 导微观预报，长距离预报指导中短距离预报，微观预报 验证宏观预报，中短距离预报验证长距离预报（见图 ６），可以充分利用不同物探方法的优势，规避劣势，大 幅提高预报精度和准确率，指导隧道安全施工。 表２物探方法组合模式 图４岩溶洞穴雷达剖面 原理，其机理是导电介质在阶跃变化的电磁场激发下 而产生的涡流场效应。瞬变场的强度及延迟时间与地 质目标体的电性、规模及产状等参数相关，根据瞬变场 的特征，就可以判断前方围岩的性质，根据剖面测量 勘察期间大地电磁成果 ＴＳＰ超前地质预报 结果可推断出不良地质体赋存位置及规模等。典型视 电阻率剖面见图５。 。瞬变电磁法 些堕重鲨 堑 探水、 ＡＭ ０ 笪些 掣录分 １ 毛距离预报＞１（Ｉ （】ｍ 工作面地质素描 ３０，ｎ ≤中程ｊ 页报＜１００ｍ ￣ｔ＜３ｏ 图６综合地质预报配套模式示意 一Ｉ２０一ｌ Ｊ－８０—６０－４０－２０ ０ ２０ ４０ ６０ Ｊ ｌＯ０ ｌ２０ 图５视电阻率剖面 ４ 综合物探预报方法应用实例 成兰铁路跃龙门隧道穿越龙门山中央断裂带．隧 道全长２０ ０４４．０ Ｉｎ，最大埋深１ ４４５．５ Ｉｎ，为双洞单线隧 道，地质活动频繁，地质构造极为复杂。以该隧道１号 斜井为例，该斜井起止里程为）（．１１Ｋ０＋７７０～ＸＪ１ＫＯ＋ ２．４ ＢＥＡＭ法 ＢＥＡＭ法（Ｂｏｒｅ—Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｈｅａｄ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）是当今国际上较新的一种电法类超前地质 预报的方法，由德国ＧＥＯＨＹＤＲＡＵＬＩＣ ＤＡＴＡ公司推 出，是一种聚焦电流频率域的激发极化方法。通过实 ０００，地层以灰岩为主，岩溶中等发育，隧道洞身低于 雎水河面，地层渗透性好。采用了ＴＳＰ法、地质雷达 法、瞬变电磁法相结合的综合物探预报方法。 ４．１ ＴＳＰ法 时测量工作面前方岩体的视电阻率及ＰＦＥ值变化并 进行综合分析，可以较准确地预报工作面前方约２０ ｍ 范围内的围岩地质情况（特别是含水情况）。 预报工作面里程为ＸＪ１ Ｋ０＋７２１，预报成果见图７， ３综合物探预报方法组合模式 由于单一物探方法存在应用局限性和多解性，更 多情况下依赖于技术人员的工作经验和判译水平，对 于复杂地质体的预报效果难以保证，影响了预报准 确率。 需要对现有物探方法的适用条件和应用效果进行 其中推测ＸＪ１ Ｋ０＋７００～＋６８８段节理裂隙、溶蚀裂隙发 育，围岩稳定性较差，含水（特别是雨季），施工中易产 生塌方、拱部掉块、涌水等地质灾害。 ４．２瞬变电磁法 预报工作面里程为ＸＪ１Ｋ０＋７４２，根据视电阻率剖 面（见图８），ｘＪ１Ｋ０＋６９７～＋６６７段存在低阻异常区， 研究，总结各种方法的适用条件和优缺点，根据不同的 地质情况、预报目的、预报距离和精度，合理选择不同 异常区中心位于隧道断面通过位置的偏右侧，推测该 段围岩破碎，富水。 综合物探方法住隧道超前地质预报中的应用：陈德君王村栋王光权 ２１ 里ｌＥ 瑚 ｍ ，柚 ．ｈａ ■ 抽棚棚棚螂棚硼瑚蚺●１ｎ柚硼舶 ）（Ｊｌ Ｋ０＋７００时采用了地质雷达方法进行预报，进一步 ＝ 二＝二 ．推测ＸＪ１Ｋ０＋６９７～＋６８９段围岩破碎，节理裂隙或溶蚀 裂隙发育，存在溶腔、溶槽等，含水（见图９）。 ．。厂—＝ —————————一 ｒｔ＝卜 Ｌ．．．』一 ． —－＿ｊ Ｉ—— 卜—］一 ． Ｉ （ａ）测线１ （ｈ）测线２ 抽。 图９地质雷达剖面 通过以上３种物探方法，长距离预报指导短距离 ｌ ｆ ’ １，。 ●《 ■ ’ ■：一哆 预报，短距离预报验证长距离预报，各种方法均能相互 印证，互相补充。结合前期勘察地质资料，综合分析认 定该斜井ｘＪｌＫ０＋６９７～＋６８９段岩性为灰岩，围岩破 碎，岩溶弱一中等发育，局部存在溶腔、溶槽等，含水 （特别注意雨季水量变化），围岩稳定性差，施工时应 加强支护并作好防排水措施。 后经开挖验证，在ｘＪ！Ｋ０＋６９６处进洞方向上台阶 图７ ＴＳＰ预报成果 右侧拱脚处和ＸＪ１ Ｋ０＋６９２下台阶左右两侧出现大量 涌水（见图１０），围岩破碎，裂隙发育，局部出现溶缝、 溶槽，与预报结论高度吻合。由于预报及时准确，施工 单位采取了相应的防排水措施，确保了施工安全。 ５ 结束语 （１）采用综合物探方法，各种方法互相印证，通过 综合分析，可以对隧道工作面前方围岩体的工程地质 图８视电阻率剖面 和水文地质特性以及不良地质体的位置和规模，进行 比较准确的探测和预报。 ４．３地质雷达法 根据ＴＳＰ法和瞬变电磁法结论，在隧道开挖至 （２）根据不同的地质情况、预报目的、预报距离和 精度，可以选择不同的预报方法和物探组合模式，不仅 图１０现场开挖照片 ２２ 铁道勘察 ２０１７年第５期 文章编号：１６７２—７４７９（２０１７）０５—００２２—０３ 瞬态瑞雷波法对顶进桥土体注浆 固化效果的验证研究 王延涛 李祚向。 陈怡民 程增晴 （１．中铁工程设汁咨询集团有限公司，北京 １０００５５；２．中铁物探公司，河北廊坊０６５０００） Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｊａｃｋｉｎｇ Ｂｒｉｄｇｅ Ｓｏｉｌ Ｇｒｏｕｔｉｎｇ Ｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎ Ｅｆｆｅｃｔ ｂｙ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｒａｙｌｅｉｇｈ Ｗａｖｅ Ｍｅｔｈｏｄ Ｗａｎｇ Ｙａｎｔａｏ‘Ｌｉ Ｚｕｏｘｉａｎｇ Ｃｈｅｎ Ｙｉｍｉｎ Ｃｈｅｎｇ Ｚｅｎｇｑｉｎｇ 摘要采用瑞雷面波法对某顶进桥土体固化效果进行检测，注浆固化前后速度对比分析及 ， 与 地基系数相关分析表明，瞬态瑞雷面波法能够客观验证注浆固化的效果，检测方法可行、可靠。 关键词顸进桥海相地层注浆固化瑞雷波 密实度地基系数 中图分类号：Ｐ６３１．４ 文献标识码：Ｂ 度、强度低）、蠕变性、触变性等工程地质特性，顶进桥 施工易产生前方土体大坍塌及“扎头”，有必要对顶进 天津市塘沽区北海路在塘沽车站新港编组场咽喉 区以框架地道桥的形式穿越进港二线铁路。顶进桥所 在地层为第二海相淤泥层（地下水位以下），呈软塑一 流塑状，具“三高一低”（高含水量、高压缩性、高灵敏 收稿日期：２０１７—０６—２８ 第一作者简介：王延涛（１９７４一）。男，１９９７年毕业于成都理工学院水文 地质与工程地质专业，工学硕：￡，高级工程师。 前方土体进行适当的预加固，以提高土体的承载力和 稳定性。因此，注浆固化效果检测与评价尤为重要。 瑞雷波法适用于评价路基基床质量和地基整治加 固效果¨ｊ，利用该方法对该顶进桥土体注浆固化效果 可以充分发挥不同物探方法的优势，还可以优化预报 设计，节约成本。 （３）物探方法具有间接性和多解性，在实际应用 过程中，对于物探重点异常地段，应辅之以适当的钻探 州水力发电・２００６，２０（６）：１３—１７ ［ ］ 肖书安，吴世林・复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术［Ｊ］・ ０４１（２：１５９１６５）合，２０．物探技术在岩溶隧道中的应用…．长沙铁 道学院学报（社会科学版）２０１２．１３（１）：２１２—２１５ ，进行验证，以便更精确地确定地质体的位置和规模。 （４）预报过程中要做好开挖信息的收集整理工 作，不断将预报结论与开挖情况进行对比，通过对比分 ［４］张俊勇．综合物探技术在地质勘查中的分析应用…．建筑与发 展，２０１１（９）：２１—２２ ［ ］王建能，胡文富．物探技术在铁路工程中的应用［Ｊ］－科技传播・ 析，建立预报结果和开挖结果对照表，结合实际开挖揭 示的地质情况建立围岩变化统计表，定期分析，寻找规 律，研究各种预报方式在不同地质条件下的针对性、适 应性和准确率，动态调整预报方法和手段，尽可能建立 起某些特定地区不良地质体和物性参数的关联对比 ［６］￣ｕＩｕｔｏ），王树栋１、ｓＰ系统在隧道超前地质预报中问题及其改善处理…． ，现代隧道技术２０ｌ３，５ｏ（３）：ｌ２９—１３ ［７］谭天元，张伟，隧洞超前地质预报中的新技术一ＢＥＡＭ法【ＪＪ．贵 州水力发电，２００８，２２（１）：２６—３１ ［ ］ 肖宏跃，雷宛，杨威・地质雷达特征图像与典型地质现象的对啦关 正，以提高整体预报效果。 ：图，警譬兰＝套 ，并在实际工作中不断进行修 学 （ 莘 ’。 ２ 。； ’ １．２＿ｌ２ 。；… 。 篱 道中的应用…．Ｋ 参 考 文 献 ［１Ｏ］周柏林，ＴＳＰ隧道地质超前探测中反射波主频的探讨［Ｊ］．铁道勘