田志飛，賈杰南，趙毅博

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025； 2.南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局 河南分局，鄭州 450000)

0 引 言

巖溶地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在巖溶地區(qū)進(jìn)行隧道開挖常常會(huì)遇到淺埋豎向巖溶冒頂、溶蝕節(jié)理密集帶頻繁掉塊、豎向溶縫或溶槽坍塌、隱伏溶洞頂板或填充物塌方、地下含水層揭穿涌水等地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要在隧道施工過程中進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，從而更好地規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)、排除隱患。目前，在國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)大隧道施工中，以地質(zhì)分析和物探分析相結(jié)合、長(zhǎng)距離和短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合、地震方法與電磁方法相結(jié)合等多種方法綜合超前探測(cè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[1,2]。其中，巖溶隧道施工超前地質(zhì)探測(cè)以地質(zhì)調(diào)查法、TSP地震反射波法、地質(zhì)雷達(dá)法相結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)法最為常用。本文通過對(duì)TSP、地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)巖溶發(fā)育情況時(shí)獲取的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，旨在總結(jié)提取異常區(qū)物探成果參數(shù)，結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行隧道巖溶不良地質(zhì)體存在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)，進(jìn)而為動(dòng)態(tài)調(diào)整或重新劃分圍巖級(jí)別提供參考依據(jù)，以保障隧道施工的安全。

1 淺層地震和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)

1.1 工作原理

1.1.1 淺層地震TSP原理

隧道淺層地震簡(jiǎn)稱TSP，TSP隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用的是反射地震勘探方法[3,4]。TSP工作原理見圖1。

圖1 TSP法超前預(yù)報(bào)工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of advance prediction method of TSP method

TSP法是利用地震波在不均勻介質(zhì)中傳播時(shí)在波阻抗差異界面(如斷層帶、溶洞區(qū)和裂隙密集帶等)形成反射波，根據(jù)反射波特性了解掌子面掘進(jìn)方向開挖洞體的圍巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙分布、軟弱巖層及含水狀況的一種方法。

1.1.2 地質(zhì)雷達(dá)原理

地質(zhì)雷達(dá)是用電磁波來確定地下介質(zhì)分布的一種方法[5]。電磁波遇到不同反射界面(如地層分界面、溶洞、富水帶等)，其傳播路徑隨通過介質(zhì)的不同而變化，過程中會(huì)產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射及吸收等現(xiàn)象。根據(jù)天線接收到的反射脈沖波的振幅、相位、波長(zhǎng)、頻率和走時(shí)等特征進(jìn)行分析，便能夠大致推測(cè)界面或異常區(qū)的空間位置及分布變化情況。其工作原理見圖2。

圖2 雷達(dá)超前預(yù)報(bào)工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of radar advance prediction

1.2 數(shù)據(jù)采集及處理

1.2.1 淺層地震TSP

TSP數(shù)據(jù)采集前設(shè)置采集參數(shù)(傳感器分量、采樣間隔、記錄長(zhǎng)度)以及噪聲檢查，采集過程中準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)并檢查地震道特征控制數(shù)據(jù)質(zhì)量。TSP野外采集的原始數(shù)據(jù)，最后通過預(yù)處理、波場(chǎng)分離、增益、偏移等數(shù)據(jù)處理方法，獲取界面走向、空間位置、圍巖波速以及圍巖的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)等信息[6]。處理的最終成果包括反射波分析成果顯示圖、深度偏移剖面圖以及巖石物理力學(xué)參數(shù)等。

1.2.2 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)隧道時(shí)由于受掌子面大小及其表面凹凸不平的限制，常選用點(diǎn)測(cè)模式測(cè)量，點(diǎn)距10 cm。天線采用100 MHz屏蔽低頻組合天線，發(fā)射率50 kHz。采樣點(diǎn)數(shù)1 024個(gè)，時(shí)窗1 000 ns，疊加64次，低通-無限響應(yīng)濾波器300，高通-無限響應(yīng)濾波器25，掃描速度16(掃描/秒)。圖像處理包括背景去除、時(shí)間零點(diǎn)、疊加、增益、FIR和IIR濾波等幾個(gè)步驟[7]，最終得到各掃描線的波形圖和堆積圖，并據(jù)此進(jìn)行隧道輪廓線周邊及前方圍巖的地質(zhì)判釋。

2 隧道實(shí)例波形分析

2.1 工程概況

隧道地處貴州高原西部高原山地區(qū)，受侵蝕-溶蝕影響，地形條件較為復(fù)雜。出口位于斜坡地帶，坡體植被發(fā)育，屬溶蝕-剝蝕低中山地貌，附近最高海拔在2 013.00～2 253.10 m之間，相對(duì)最大高差240.10 m。

隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，屬楊子準(zhǔn)地臺(tái)→黔北臺(tái)隆→六盤水?dāng)嘞荨幈蔽飨驑?gòu)造變形區(qū)，以北西向褶皺斷裂為主。隧道橫穿一斷層及向斜構(gòu)造。向斜軸部走向122°，向斜北東翼地層產(chǎn)狀為243°∠58°，南西翼地層產(chǎn)狀為23°∠50°。

隧道區(qū)上覆土層為第四系殘坡積層(Qel+dl)粉質(zhì)黏土、黏土，下伏地層從老至新依次為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組一段(T2g1)粉砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r，三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組二段(T2g2)灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組三段(T2g3)白云巖，三疊系中統(tǒng)法郎組(T2f)灰?guī)r，三疊系上統(tǒng)(T3)砂巖，侏羅系下統(tǒng)(J1)泥巖，侏羅系中統(tǒng)(J2)泥巖及砂巖夾泥巖。

2.2 波形特征分析

2.2.1 TSP探測(cè)溶洞圖像特征

根據(jù)工程地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)資料，隧道中部軸線ZK32+430～ZK32+250一帶右側(cè)存在地表巖溶洼地及落水洞，洼地區(qū)域豐水期地表水體匯集下滲水量大，地下也存在溶洞發(fā)育情況，隧道開挖至此段位置可能遇溶洞，極易發(fā)生涌水涌泥、塌方等險(xiǎn)情。因此，采用TSP隧道地震波超前預(yù)報(bào)對(duì)該段巖溶區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)距離重點(diǎn)預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)范圍為ZK32+402～ZK32+280。探測(cè)結(jié)果分析見圖3、圖4。

圖3 TSP探測(cè)深度P波偏移剖面圖Fig.3 TSP probing depth P wave migration profile

圖4 TSP探測(cè)成果圖Fig.4 TSP detection chart

據(jù)TSP探測(cè)分析結(jié)果，ZK32+370～ZK32+360、ZK32+318～ZK32+296段P波深度偏移圖顯示正負(fù)反射均強(qiáng)，反射界面較稀疏，且為負(fù)反射。P波波速明顯降低(Vp由3 821 m/s降為3 535 m/s)且波速均一，縱橫波波速比下降，泊松比大幅下降，楊氏模量大幅上升[8]。另外，ZK32+370、ZK32+318附近有強(qiáng)反射界面，其后反射減弱，由此推斷可能為溶洞前緣，ZK32+360、ZK32+296處有反射界面出現(xiàn)，物性參數(shù)有突變波動(dòng)，可能為溶洞后緣。綜上分析，初步推斷這兩段圍巖為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，有較大規(guī)模溶洞發(fā)育(溶洞縱深6～8 m，橫寬6～10 m，洞內(nèi)無填充)或順層夾泥嚴(yán)重。

ZK32+382～ZK32+370段、ZK32+346～ZK32+336段、ZK32+328～ZK32+318段均出現(xiàn)強(qiáng)烈正負(fù)反射界面，反射界面密集，P波波速整體下降、變小，且泊松比與動(dòng)態(tài)楊氏模量起伏大，推測(cè)有巖體溶蝕破碎帶或較小規(guī)模溶洞發(fā)育，圍巖稍含溶隙水，出水狀態(tài)多呈滲透點(diǎn)滴狀。

2.2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)溶洞圖像特征

通過TSP長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)，得出ZK32+402～ZK32+280段巖體物探異常。為進(jìn)一步確認(rèn)，在隧道開挖接近該段異常區(qū)時(shí)，分別在掌子面及隧底采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行短距離精確預(yù)報(bào)。

掌子面探測(cè)采用點(diǎn)測(cè)模式，其物探異常區(qū)的地質(zhì)雷達(dá)圖像和波形特征見圖5。

由雷達(dá)點(diǎn)測(cè)剖面圖以及單點(diǎn)數(shù)據(jù)圖可以看出，掌子面前方雷達(dá)波反射能量團(tuán)分布不均勻，雷達(dá)波形相似性較差，波形反射變化波動(dòng)劇烈，出現(xiàn)不連續(xù)的反射段。其中2～7 m段、11～15 m段、20～30 m段圖像右側(cè)區(qū)域?yàn)閺?qiáng)反射段，隨后的雷達(dá)反射迅速減弱，并在一定長(zhǎng)度內(nèi)保持弱反射，呈現(xiàn)“強(qiáng)～弱～強(qiáng)”特征[9]。圖5中紅線包裹區(qū)域低頻信號(hào)密集，同相軸斷續(xù)，部分區(qū)域相位相差約半個(gè)波長(zhǎng)，區(qū)域內(nèi)高頻信號(hào)稍有分布，電磁能量隨波形衰減較快，推測(cè)紅線區(qū)域內(nèi)有溶洞發(fā)育(縱深2～4 m，橫寬3～6 m)，且無填充物充填。

隧底探測(cè)采用線測(cè)模式，其探測(cè)出溶洞發(fā)育的地質(zhì)雷達(dá)圖像和波形特征見圖6。

圖6 溶洞典型雙曲線形態(tài)及溶洞發(fā)育輪廓示意圖Fig.6 typical hyperbola shape of karst cave and development outline sketch map of karst cave

圖6中可以清晰看到，雷達(dá)圖像由許多雙曲線強(qiáng)反射波組成。由于溶洞的頂板常常類似于拱形，雷達(dá)發(fā)射的電磁波到達(dá)頂板各個(gè)部位后反射回來到接收的時(shí)間不同，有較為明顯的時(shí)差，所以雷達(dá)反射出來的圖像表現(xiàn)為雙曲線型。雙曲線的弧頂即為巖溶發(fā)育部位，其中心點(diǎn)的深度表示溶洞的深度，曲率的大小則反映了溶洞的橫向規(guī)模，曲率越小曲線越平緩，則溶洞規(guī)模越大(在雷達(dá)天線分辨率之內(nèi))[10]。圖6中大致繪出溶洞發(fā)育輪廓，溶洞內(nèi)無填充。

工程中，線測(cè)模式下溶洞的地質(zhì)雷達(dá)波形大多呈現(xiàn)典型的弧形繞射波形。而在點(diǎn)測(cè)模式下得到的點(diǎn)測(cè)剖面圖中振幅常常呈現(xiàn)“強(qiáng)～弱～強(qiáng)”的反射特征。在隧道超前預(yù)報(bào)工作中常選用點(diǎn)測(cè)模式測(cè)量。據(jù)此，可根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)圖像的強(qiáng)振幅、反相、主頻以及其他特征來識(shí)別溶洞發(fā)育情況。

3 巖溶評(píng)價(jià)及圍巖分級(jí)

3.1 參數(shù)提取與劃分

本文基于工程前期勘察設(shè)計(jì)資料以及TSP地震波速測(cè)試和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程[11]，綜合分析，提取可用于評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量的主要關(guān)鍵物探參數(shù)。總結(jié)隧道巖溶區(qū)重點(diǎn)預(yù)報(bào)段落超前預(yù)報(bào)測(cè)試圖像特點(diǎn)，整理歸納得到的定性物探參數(shù)見表1。

將物探圖像進(jìn)行后處理，提取反演成果圖數(shù)據(jù)，得到定量的反射界面及其對(duì)應(yīng)的巖體視物性物探參數(shù)，見表2。

表1 物探參數(shù)定性信息表Table 1 qualitative information sheet of geophysical prospecting parameters

表2 物探參數(shù)定量信息表Table 2 quantitative information sheet of geophysical parameters

結(jié)合勘察設(shè)計(jì)地質(zhì)資料和物探探測(cè)對(duì)巖溶區(qū)不良地質(zhì)情況的響應(yīng)特點(diǎn)，提取適用可靠的地質(zhì)和物探參數(shù)指標(biāo)，并根據(jù)各個(gè)指標(biāo)對(duì)溶洞發(fā)育情況的影響進(jìn)行歸類?？蓪⑷芏搭A(yù)報(bào)目標(biāo)劃分為3個(gè)級(jí)別：發(fā)育、可能發(fā)育、不發(fā)育。選取設(shè)計(jì)地質(zhì)信息、掌子面地質(zhì)觀察、TSP異常情況、縱波波速值、地質(zhì)雷達(dá)波形特點(diǎn)、反射振幅特征等6類因素作為溶洞綜合分析預(yù)報(bào)的參考因子[12]。溶洞預(yù)報(bào)物探參數(shù)特征見表3。

表3 溶洞綜合預(yù)報(bào)物探參數(shù)特征Table 3 geophysical parameters of comprehensive prediction of karst caves

3.2 巖溶評(píng)價(jià)及分級(jí)

對(duì)于巖溶發(fā)育的隧道，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)旨在探清前方一定范圍內(nèi)巖溶、結(jié)構(gòu)面、地下水發(fā)育情況，并在特殊情況下提出預(yù)警，達(dá)到指導(dǎo)安全施工的目的。因此，對(duì)巖溶不良地質(zhì)體存在的可能性及風(fēng)險(xiǎn)性還需作出分析評(píng)價(jià)。本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法，對(duì)溶洞存在的風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[13]。

模糊綜合評(píng)價(jià)法是對(duì)受到確定和不確定因素約束的事物運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的概念做出一個(gè)總體的評(píng)價(jià)[14]。模糊綜合評(píng)價(jià)法大體可分為4個(gè)步驟：①選取評(píng)價(jià)參數(shù)和分類評(píng)判集合；②建立模糊關(guān)系矩陣；③計(jì)算各因素權(quán)重值；④模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算。

根據(jù)地質(zhì)資料及物探探測(cè)情況，選取可量化物探評(píng)價(jià)參數(shù)Ui構(gòu)建物探集合U=Ui={U1，U2，U3…}，將溶洞存在的風(fēng)險(xiǎn)性分為3級(jí)，取V為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的集合，V=Vi={V1，V2，V3…}。由此，可建立巖溶發(fā)育區(qū)(A)、巖溶中等發(fā)育區(qū)(B)、巖溶不發(fā)育區(qū)(C)的溶洞存在風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)因素集合和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)集合。其中，物探因子選取TSP縱波波速、縱橫波速比起伏值及地質(zhì)雷達(dá)主頻帶寬。參考鐵路隧道設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，選取不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下對(duì)應(yīng)的物探因子量值建立分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]。

將權(quán)重模糊矩陣Bj和關(guān)系模糊矩陣Rj進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，便可得出綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。復(fù)合運(yùn)算后，得出隧道巖溶發(fā)育、中等發(fā)育、不發(fā)育區(qū)溶洞存在風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。通過以上步驟計(jì)算結(jié)果可得出的結(jié)論是：巖溶發(fā)育區(qū)溶洞存在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一級(jí)，巖溶中等發(fā)育區(qū)為一級(jí)和二級(jí)，巖溶不發(fā)育區(qū)為三級(jí)。隧道各段落物探參數(shù)存在明顯差異，巖溶發(fā)育區(qū)和中等發(fā)育區(qū)溶洞存在的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。

在上述隧道巖溶段開挖實(shí)際過程中，采用了本文提出的模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)隧道圍巖進(jìn)行溶洞存在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合施工階段圍巖設(shè)計(jì)資料動(dòng)態(tài)調(diào)整了圍巖級(jí)別。經(jīng)過施工開挖過程中地質(zhì)素描法、地質(zhì)雷達(dá)法現(xiàn)場(chǎng)追蹤，并以施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際揭露地質(zhì)情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)際開挖地質(zhì)情況基本吻合。施工開挖過程中，時(shí)有揭露大小規(guī)模不等無填充型溶洞，部分掌子面巖體及溶洞發(fā)育情況見圖7。

圖7 掌子面巖體及溶洞發(fā)育照Fig 7 tunnel face and Karst cave development

預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)際地質(zhì)情況對(duì)比情況具體見表4。

表4 預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)際地質(zhì)情況對(duì)比情況表Table 4 Comparison of forecast results and actual geological conditions

由此可見，采用物探法與地質(zhì)調(diào)查法相結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)法進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，提取TSP、地質(zhì)雷達(dá)物探參數(shù)，建立模糊綜合評(píng)價(jià)工作體系，具有較高的可信度，施工過程中可及時(shí)規(guī)避或降低隧道塌方、冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，有效指導(dǎo)隧道的安全施工。

4 結(jié)論與建議

1) 本文從隧道工程實(shí)際出發(fā)，在大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析了物探異常區(qū)的TSP和地質(zhì)雷達(dá)波形特征及規(guī)律，得出推斷溶洞發(fā)育的可靠圖像特征依據(jù)。TSP物探圖像中，縱波波速會(huì)大幅下降、楊氏模量和泊松比波動(dòng)起伏較大，地質(zhì)雷達(dá)振幅圖像會(huì)呈現(xiàn)明顯的“強(qiáng)～弱～強(qiáng)”特征。采用TSP和地質(zhì)雷達(dá)相結(jié)合的手段，將兩者的物探參數(shù)相互配合補(bǔ)充，能夠更加確切地判識(shí)出圍巖的溶洞異常。

2) 提取物探反演成果圖的關(guān)鍵物性參數(shù)進(jìn)行定性、定量歸納總結(jié)，獲取巖溶區(qū)和非巖溶區(qū)的物探參數(shù)特征，并且選取可量化的因子作為巖溶預(yù)報(bào)分級(jí)指標(biāo)，從而可建立物探參數(shù)、巖溶風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)集合。采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)巖溶不良地質(zhì)體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明巖溶區(qū)溶洞存在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高，屬于一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度為0.65，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，切勿冒進(jìn)施工。

3) 結(jié)合隧道開挖設(shè)計(jì)圍巖分級(jí)情況及巖溶存在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果，動(dòng)態(tài)調(diào)整劃分圍巖級(jí)別，經(jīng)過實(shí)際開挖揭露的地質(zhì)情況對(duì)比驗(yàn)證及追蹤，得出的預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)際開挖地質(zhì)情況整體上基本吻合，證明了采用模糊綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用于隧道巖溶區(qū)TSP及地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)工作中是可行可取的。結(jié)合圍巖地質(zhì)資料及評(píng)價(jià)結(jié)果，可為施工中動(dòng)態(tài)變更圍巖級(jí)別及調(diào)整支護(hù)參數(shù)提供參考依據(jù)。