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High New Technology ︱34︱2016 年 04 期 隧道工程超前探测技术浅析隧道工程超前探测技术浅析 唐润秋 郝志超 安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司，安徽 合肥 231202 摘要随着社会经济的蓬勃发展，城镇化进程的逐步加剧，道路建设越来越多，而对于我国较为复杂的地形地貌，隧道已成为山区公 路建设的控制性工程。在隧道施工过程中，往往因地质条件不详而遇到大量的影响安全生产的地质因素，其中断层构造、岩层变化、岩溶 及其它含水异常体，都会造成隧道开挖过程中的突发性事故。实践表明，对于隧道施工前复杂的地质情况探查，采用多种超前探测技术方 法综合处理，对比分析，可进一步提高施工安全，缩短工期，避免事故，节约成本，对隧道建设意义重大。 关键词道路建设；隧道施工；超前探测 中图分类号U45 文献标识码B 文章编号1006-8465（2016）04-0034-01 1 隧道工程超前探测技术研究 隧道工程超前探测方法从方法原理上划分可分为地震波勘探， 电法勘探及电磁法勘探三类 隧道地震勘探（TSP）是基于地震波反射原理的一种物探方法， 采用的是多点激发，单点接收的激震方式，属多波多分量高分辨率 地震反射波探测技术 [1]。与地面反射地震勘探基于水平或低倾角反 射界面不同，隧道前方的反射界面与地震测线呈垂直或高倾角空间 关系，因此表现出独特的负视速度时距特征。为了从地震记录中获 得隧道前方反射波信息，在数据处理过程中的上下行波分离并保留 下行波（负视速度）处理本质上就是压制来自测线垂向上的信息而 保留来自水平方向上的反射信息, 根据反射时距曲线的负视速度特 征采用线性 Radon 变换技术进行上下行波分离，从而来提取反射波 信息。该方法对于隧道围岩等级划分，裂隙带发育，断层，岩性变 化探查准确性高，在隧道超前探测中运用广泛。 高密度电法是以岩土体的电性差异为基础的一种电探方法，根 据在施加电场作用下地中传导电流的分布规律，推断地下具有不同 电阻率的地质体的赋存情况[2]。高密度电阻率法可采用温纳二极、 温纳四极装置； 温纳偶极装置； 温纳微分装置； 温纳三极 A 装置； 温 纳三极 B 装置等装置。根据实测的视电阻率剖面，进行数据预处理， 电阻率正反演处理，地质分析，便可获得地层中的电阻率分布情况， 从而可以划分地层，圈闭异常等。高密度电法探测通过电阻率分布 进而获得地层分布和构造特征，并对裂隙岩溶含水带反应灵敏，具 有观察精度高，速度快，探测深度灵活等特点，是隧道勘察和构造 裂隙岩溶富水带探测的一种可靠手段。 探地雷达通过发射天线发射高频脉冲电磁波，电磁波在遇到介 质差异变化的地层时，会发生透射射和反射，接收天线接收反射波 并记录处理，通过反射波传播时间，幅值和波形对应目标体空间位 置和结构分布 [3]。探地雷达对隧道围岩松动圈探查，隧道复合式衬 砌无损检测，隧道施工掌子面前方断层，破碎带，熔岩空洞等探测 具有良好效果。雷达探测分辨率高，操作简单，抗干扰和场地适应 能力强，无损等特点，已应用到各个行业 [4]。 瞬变电磁法是一种时间域电磁法，它是利用阶跃波形电磁脉冲 激化，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场断电后，地下 介质就会产生感应二次场， 由于良导体电介质内感应电流的热损耗， 二次场大致按指数规律随时间衰减，形成瞬变磁场 [5]。在瞬变过程 的早期阶段，频谱中高频成分占优势，因此涡旋电流主要分布在地 表附近，由于趋肤深度的高频效应，阻碍电磁场向地下深部传播， 因此早期阶段的瞬变场主要反映地层的浅部地质信息。 在晚期阶段， 高频成分被导电介质吸收，低频成分占主导地位，在这一阶段，局 部地质体中的涡流，实际上全部消失，而各层产生的涡流磁场之间 的连续相互作用使场平均化，这时瞬变场的大小主要依赖于地电断 面总的纵向电导瞬变磁场衰减曲线反应介质电阻率变化规律，时间 变化对应深度变化，进而解释前方地质特征。瞬变电磁法由于其装 置灵活，测量效率高，且对低阻富水区，含水破碎带反应灵敏，因 此在隧道超前探中发挥着重要作用。 2 应用实例分析 某隧道设计为双连拱公路隧道,隧道宽 14.75m，高 8.43m，有效 净高 5m，两洞间距 4m，路面设计高程 200.91m～207.19。隧道起止 里程为 K1771～K2205，全长 434m, 轴线走向 233～265。隧 道主要为岩质隧道，隧道穿越高程在 200.91～215.62m，岩性主要 以侏罗系中统沙溪庙组J2S泥岩为主，局部夹少量中厚层状的砂 岩。根据岩石试验成果，泥岩单轴饱和抗压强度 5.17～14.59MPa， 为软岩，砂岩单轴饱和抗压强度 18.77～32.21MPa，为较软岩～较 坚硬岩；根据野外地质测绘、现场节理统计，中等风化泥岩岩体体 积节理数为 5～8 条/m3，中等风化砂岩岩体体积节理数为 2～5 条 /m3；根据钻孔波速测试，中等风化泥岩的波速 2353～3390m/s，岩 体较完整，中等风化砂岩波速 2740～3448m/s，隧道区岩体完整程 度总体为较完整。 针对已经了解到的任务目标及现场基本地质条件， 采用TSP隧道 超前探技术，在掌子面后方布置观测系统，采用炸药震源。测线布 置在隧道右帮上，激发点15个即P1～P15，接收传感器为2个即C1、 C2，传感器均为三分量传感器，激发点间距约为1.5m，传感器间距 为3m，其中C1传感器距离P15激发点18m。 本次测量现场数据采集顺利，信号质量较高，可对信号依次进 行如下处理，数据预处理，频谱分析，直达波求取，反射波提取， 速度分析，深度偏移，界面提取。根据速度谱结果，结合现场岩性 情况，选取综合速度进行偏移计算，源检距和初至到时可拟合出直 达波初至直线，可以获得直达纵波速度为2.5m/ms，利用直达波速度 可确定本探测区域速度范围并作为深度偏移时的速度背景值。 对结果进行综合分析计算， 自掌子面前方 110m 范围内存在有较 为明显的 3 组强反射相位R1、R2 和 R3。三组异常界面分别位于当 日掌子面前方 30～36m 段、59～71m 段和 88～92m 段。根据纵波偏 移结果及现有地质资料，均推断解释为岩层破碎，裂隙发育。最后 通过隧道掘进开挖验证，效果良好。 3 总结 本文从横向及纵向分别对隧道工程超前探测技术进行探究和分 析，一方面探究超前探测的各种勘察方法的特点，原理及适应范围， 另一方面通过 TSP 震波探测实例，提出地质超前探测技术的施工， 处理流程。随着中国十三五规划的进一步深入，山区隧道建设已成 为重要的建设工程， 而隧道开挖施工困难就在于隐伏地质构造危害。 根据区域特点，选择适合的隧道超前探测技术，可高效，准确地对 前方地质灾害进行探查，也可多种超前探测方法，综合勘查，提高 探测精度，获得更为准确的勘探数据资料，因此隧道工程超前探测 技术在提高隧道施工效率，保证施工安全，提高经济效益方面意义 重大。 参考文献 [1] 原小帅,张庆松,许振浩,高阳.TSP 超前地质预报异常地震波信号 [J].山东大学学报工学版,20094. [2]邓超文,周孝宇.高密度电法原理及工程应用[J].西部探矿工 程,20006. [3] 高阳,张庆松,原小帅,许振浩,刘斌.地质雷达在岩溶隧道超前预报 中的应用[J].山东大学学报工学版,20094. [4]范占锋,李天斌,孟陆波.探地雷达在公路隧道超前地质预报中的应 用[J].物探与化探,20101. [5]段铮,李天斌,李育枢,朱劲,杜庆丰.瞬变电磁法超前地质预报技术 在铜锣山隧道中的应用[J].现代隧道技术,20082.