关键词：隧道工程；综合预报法；长短结合
隧道施工过程中，进行超前地质预报探测时可参考当地的区域地质背景资料和钻孔资料，对可能遇到的地质现象做出大致的判断，为各种物探资料、图像辨识、解释别提供依据；当前期地质、水文及钻探资料不健全时，借助于多种物探方法结合使用，相互印证，也可最大程度地减少多解性，提高辨识、解释的准确性。
1 完整岩体
完整岩体一般介质相对均匀，物性差异很小，地震波、电磁波均没有明显的反射界面,地震波表现为波速相对较高且平稳，没有明显的散射、绕射现象，物理力学参数量值相对较高；雷达图像和波形特征通常表现为：能量团分布均匀或仅在局部存在强反射细亮条纹，电磁波能量衰减缓慢，探测距离远且规律性较强，一般形成低幅反射波组，波形均匀，无杂乱反射,自动增益梯度相对较小；地质钻探过程中无明显的跳钻、卡钻现象，钻速相对平稳，该类岩体的探测和解释精度通常比较高。
2 富水带
根据工程经验，地下水经常存在于岩溶溶洞发育带中、断层破碎带及裂隙带中，储水程度和含水条件主要受构造控制。
瞬变电磁法（TEM）为时间域电磁法，它是利用不接地回线通以脉冲电流向地下发射一次脉冲磁场，使地下低阻介质在此脉冲磁场激励下产生感应涡流，感应涡流产生二次磁场；利用接收仪器及接收线圈观测断电后的二次磁场，通过研究二次磁场的特征及分布，获得地下地质体的分布特征。
图1为XXX隧道DK31+000～DK31+500段岩溶设计资料，根据设计资料，掌子面（里程DK31+162）前方约92m处，即DK31+070附近有暗河发育。图2为XXX隧道瞬变电磁测试成果图，其中掌子面里程为DK31+162。
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图1 XXX隧道DK31+000～DK31+500段岩溶设计资料 图2 瞬变电磁仪测试成果图
根据矿用本安型瞬变电磁仪YCS400(A)测试结果分析，DK31+122～DK31+092掌子面正前方形成细长的联通低阻区，推测围岩中有平行于隧道轴线的裂隙带发育，其中富存裂隙水，与施工单位50m超前水平钻孔中有股状水流出吻合；DK31+072前方形成大规模的与隧道轴线垂直的低阻区，推测有地下暗河发育，与设计图纸中暗河发育状况吻合。
地质雷达是采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。其工作原理为：高频电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接受天线所接收，具有高分辨率、无损性、高效率、抗干扰能力强等特点。检测时采用剖面法，即发射天线和接收天线以固定间距沿测线同步移动的测量方式，高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，结合施工单位提供的设计资料，可确定掌子面前方地质状况。
在自然界常见物质中，水的相对介电常数最大，为81，电导率相对较高，与基岩介质相比存在明显的电性差异，富水带地质雷达图像和波形特征一般表现为：地质雷达波在含水层表面发生强振幅反射，电磁波穿透含水层时将产生一定规律的多次强反射，在富水带内产生绕射、散射现象，并掩盖对富水带内及更深范围岩体的探测，电磁波频率由高频向低频剧烈变化，脉冲周期明显增大，电磁波能量快速衰减，能量团分布不均匀，自动增益梯度很大；因含水层通常分布连续，甚至为地下暗河，发射波同相轴连续性较好，波形相对较均一；从基岩到含水层为高阻抗介质到低阻抗介质的变化，因而反射电磁波与入射电磁波相位相反。图3为典型的富水带地质雷达波反射图像。
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图3 富水带地质雷达图像
3岩溶溶洞
工程地质类比法是根据以往岩溶隧道施工经验总结出判断隧道岩溶发育的可能部位的一种经验方法。岩溶发育可能的主要位置如下：
（1）可溶岩与非可溶岩接触界面；
（2）隧道通过断层、向斜、背斜核部的可溶岩；
（3）可溶岩中节理、溶隙发育位置；
（4）可溶岩中围岩整体突变处；
（5）不同地质年代可溶岩接触界面、岩性分界界面；
（6）掌子面附近出现泥质充填裂隙的可溶岩。
岩溶溶洞一般出现在灰岩地层中，洞穴中可能为空气、岩溶水或固体充填物。
岩溶溶洞的地质雷达图像和波形形态主要取决于洞穴的形状、大小以及充填物的性质，一般表现为由多个双曲线强反射波组成，在洞穴侧壁上一般为高幅、低频、等间距的多次反射波组，特别是充填物为空气或岩溶水时反射波更强，洞穴内部几乎没有反射电磁波，洞穴底界面反射则不太明显；当洞穴内为固体充填物时，洞穴内电磁波能量迅速衰减，高频部分被吸收，反射的多为低频波，自动增益梯度大，而洞穴底部反射波会有所增强。图4为典型的岩溶溶洞地质雷达波反射图像。
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图4 岩溶溶洞地质雷达图像
4断层破碎带及裂隙带
断层是构造运动中广泛发育的构造形态，是一种破坏性地质构造，其内通常发育有破碎带、裂隙带等。
以张性正断层为主的断层破碎带，岩性主要是角砾岩，呈棱角状，块体大小悬殊，排列杂乱，粒间空隙多，多为泥质胶结，隧道开挖到此种类型的破碎带时，极易造成塌方；以压性逆断层为主的断层破碎带，岩性主要为泥岩、糜棱岩，呈透镜状及揉皱化构造，岩石破碎严重，但是胶结紧密，和张性正断层形成的断层破碎带相比，以压性逆断层为主的断层破碎带稳定性较好，造成塌方的难度稍大；以扭性平移断层为主的断层破碎带，破碎带厚度相对较小，岩性以糜棱岩和破碎带岩石为主，是造成塌方难度最大的破碎带类型。
裂隙带破坏了岩石的完整性，给风化作用创造了有利条件，促进了岩石的风化速度。裂隙是地下水良好的通道，加速可溶岩的溶蚀，会在隧道施工中造成涌水等地质灾害。
图5为XXX隧道PK0+085～PK0+000段（该段岩体设计参数：Rc=28.0MPa,Kv=0.55,K1=0.4,K2=0.2,
K3=0,[BQ]=251.5）TGP法长距离预报成果图，其中PK0+038处存在1处反射界面，结构面为仰倾；图6为PK0+040～PK0+030段超前地质水平钻探现场，钻进过程中压力控制为5MPa，局部出现突进、卡钻现象，钻进速度快，返浆液呈黑灰色，出渣为粒状，综合推测PK0+038附近存在破碎带，裂隙发育，有仰倾结构面存在，开挖过程中掌子面易滑塌。
隧道开挖至PK0+038附近时，掌子面岩体为中风化板岩，中薄层构造,出现滑塌现象（见图7）。通过地质素描发现掌子面为灰黑色碎裂状炭质板岩，岩层产状72°∠63°，岩质软，岩体破碎，裂隙发育。节理1产状132°∠86°，延伸长度0.5～2.3m，间距0.1～0.3m；节理2产状101°∠56°，延伸长度0.8～1.9m，间距0.1～0.7m；节理3产状76°∠53°，延伸长度0.4～1.6m，间距0.2～0.4m，节理4产状111°∠52°，延伸长度0.6～2.4m，间距0.2～0.6m裂隙微张，波浪形态，面粗糙，泥质充填。
图5 XXX隧道PK0+085～PK0+000段
TGP超前地质预报成果图
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图6 超前水平地质钻探现场图
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图7 PK0+038出现滑塌
从地质雷达无损探测角度，断层破碎带介质极不均匀，电性差异大，且断层两侧的岩体常有节理和褶皱发育，介质均一性差；裂隙带通常存在于断层影响带、岩脉以及软弱夹层内，裂隙内也有各种不同的非均匀充填物，电性差异大，会产生明显的电磁波反射界面，为地质雷达无损探测创造了良好的应用条件，但在断层破碎带和裂隙带中，地质雷达图像和波形特征较为相似，通常表现为：界面反射强烈，反射面附近振幅显著增强且变化大；能量团分布不均匀，常产生绕射、散射现象，波形杂乱，同相轴错断，在深部甚至模糊不清，电磁波能量衰减快且规律性差，特别是高频部分衰减较快，自动增益梯度较大；反射波同相轴的连线为断层破碎带或裂隙带的位置。细分开来，二者也有一定区别，主要表现为：断层破碎带的影响范围通常比裂隙带宽，在地质雷达图像上有较宽的异常反应。相反的，裂隙带异常在雷达图像上一般表现为相对较窄的条带；断层破碎带的波幅变化范围通常比裂隙带大，而裂隙带的振幅一般为高幅；在相对干燥情况下，断层破碎带在地质雷达图像上同相轴的连续性不如裂隙带，它的同相轴错断更加明显，波形更加杂乱，而裂隙带在地质雷达图像上同相轴的连续性反映了裂隙面是否平直、连续。图8、图9为典型的断层破碎带、裂隙带地质雷达图像。
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图8 破碎带地质雷达图像
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图9 裂隙带地质雷达图像
现阶段，隧道超前地质体的无损探测中，地质雷达技术的应用最为普遍与成熟，现对隧道工程中几种典型地质体的雷达信号简单总结如表1：
表1 典型地质体的雷达信号
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5结束语
根据多年来的工程经验,为满足不同的探测目的和要求,可采用下列方法：
(1)浅层地震法(瑞雷面波法、横波反射法)、高密度电法、地质雷达等,可用于探测岩溶洞穴的分布、位置及相关的地质构造、基岩面起伏等；
(2)地质雷达法可用于探测岩溶洞穴的位置、形状、大小及充填状况等；
(3)瞬变电磁法可用于追索溶洞、地下暗河河道位置及地下水发育情况等；
(4)岩芯钻探和土层钻探：主要用于查明岩石或土层的成分、性质、结构、厚度、产状、地质构造，基岩面起伏和埋藏深度，溶洞顶板厚度，溶洞充填情况、充填物性质，地下溶洞、暗河的分布、形状、规模，地下水的埋深、性质、动态变化及水动力特征等；钻探也用于验证物探成果以及采取试样进行室内试验工作。
(5)井探、槽探、洞探：当钻探方法难以准确查明地下情况或基岩浅埋且岩性是控制因素时,可采用井探、槽探,主要用于査明浅部岩溶洞隙的形态、规模和发育状况,断层分布、岩组分界等；对大型工程,必要时可采用洞探。
隧道地质体超前探测是一项复杂的系统性工作,是设计阶段地质勘察的补充和延伸,是保证隧道施工安全的重要环节和重要技术手段。 其主要工作是在分析既有地质资料的基础上,采用地质调查、物探、超前地质钻探、超前导坑等手段, 各预报方法之间相互印证，取长补短，“长短结合”，对隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件以及不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等进行探测、分析、判释,并做出预报和提出技术建议。避免或减少由于地质不明所造成的工程事故以及由此带来的不必要的人力、物力、财力浪费。
参考文献：
[1]《工程地质手册》（第五版）
[2]《铁路工程物理勘探规程》TB10013-2010
[3]《地震勘探原理》（第三版）
论文作者:孙洪晓
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第24期
论文发表时间:2020/1/16
标签：地质论文; 裂隙论文; 断层论文; 岩溶论文; 反射论文; 隧道论文; 电磁波论文; 《城镇建设》2019年第24期论文;