E-mail Alert Rss
 

物探与化探, 2019, 43(2): 428-434 doi: 10.11720/wtyht.2019.1335

工程勘察

千岛湖配水工程隧洞超前预报中的综合物探技术

李俊杰, 徐庆强, 李剑强, 何建设, 郭佳豪

浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002

The application of geophysical prospecting technology to tunnel advance prediction in Thousand-island Lake water distribution project

LI Jun-Jie, XU Qing-Qiang, LI Jian-Qiang, HE Jian-She, GUO Jia-Hao

Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Hangzhou 310002, China

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2018-09-14   修回日期: 2018-12-7   网络出版日期: 2019-04-20

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41641040
浙江省水利厅科技项目.  RC1729

Received: 2018-09-14   Revised: 2018-12-7   Online: 2019-04-20

作者简介 About authors

李俊杰(1989-),男,工程师,从事地球物理电磁法正演及工程物探方法研究。Email:lijunjiecsu@163.com 。

摘要

将TSP、探地雷达及红外探测技术用于千岛湖配水工程隧洞超前预报中,结果如下:TSP对溶洞的探测分辨率低,对岩体破碎区探测效果较好,其异常特征表现为杨氏模量、密度及纵波波速偏低;探地雷达很适合于灰岩区隧洞超前预报,雷达反射剖面呈现强振幅及双曲线状同相轴的区域预示溶洞发育;红外探测受隧洞喷混凝土水化热干扰影响巨大,无法单独用于隧洞地质预报,当围岩质量级别较差时此缺陷尤为明显。

关键词： TSP ; 探地雷达 ; 红外探测 ; 千岛湖配水工程 ; 超前预报 ; 隧道工程

Abstract

The authors adopted TSP, ground penetrating radar and infrared acquisition technology to tunnel advance prediction of Thousand-island Lake water distribution project. Several conclusions have been drawn as follows: Firstly, TSP has a low resolution for detecting karst caves but has a good effect for detecting fractured rock mass, its anomaly features show that the Young’s modulus, density and P-wave velocity are low. Secondly, ground penetrating radar is very suitable for tunnel prediction in limestone area, radar reflection profile exhibiting strong amplitude and hyperbolic event usually indicates the development of karst caves. Thirdly, infrared acquisition is greatly influenced by hydration heat of shotcrete in tunnel so that it cannot be used alone in tunnel geological prediction; the defect is especially obvious when the quality of surrounding rock is poor.

Keywords： TSP ; ground penetrating radar ; infrared acquisition ; Thousand-island Lake water distribution project ; advance prediction ; tunnel engineering

PDF (4720KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

李俊杰, 徐庆强, 李剑强, 何建设, 郭佳豪. 千岛湖配水工程隧洞超前预报中的综合物探技术. 物探与化探[J], 2019, 43(2): 428-434 doi:10.11720/wtyht.2019.1335

LI Jun-Jie, XU Qing-Qiang, LI Jian-Qiang, HE Jian-She, GUO Jia-Hao. The application of geophysical prospecting technology to tunnel advance prediction in Thousand-island Lake water distribution project. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2019, 43(2): 428-434 doi:10.11720/wtyht.2019.1335

0 引言

千岛湖配水工程从淳安取水,通过输水隧洞将水引至杭州闲林水库,输水线路总长约112 km,设计流量38.8 m3/s,为杭州市重点大型水利项目。隧洞沿线地层复杂,从震旦系至白垩系均有分布,以陆相和海相的沉积岩以及火山碎屑岩为主。灰岩地区易遭遇溶洞,局部穿越断裂构造、过江及浅埋隧洞段,易发生涌水、突泥、坍塌等地质灾害,针对不同岩性特点开展隧洞超前预报工作,可优化施工工艺,降低施工风险。

隧洞物探预报技术种类繁多,根据探测地球物理场的不同,可分为地震反射波法、电磁法、直流电法及红外探测法几类。反射波法多在隧洞掌子面或隧洞壁激发弹性波,通过特定数据处理手段提取来自掌子面前方的反射波场信息;因弹性波法可通过选用合理的震源或高灵敏度检波器增大探测深度,故TSP[1]、TST[2]、TGP[3]、TRT[4]、AGI-T3[5]等常用地震预报方法均具有较大的预报距离,一般可达100~200 m。直流电法是采用特定装置将电流聚焦集中于掌子面前方附近,通过测量岩体电阻率或激发极化效应的差异,来预报隧洞前方不良地质分布特征的技术;该方法还可用于TBM掘进方式的隧洞预报[6],但其探测距离较短,一般不超过洞径的1.5倍[7]。电磁法(如TEM[8]、GPR[9])是通过接收交流电二次场信号或电磁反射回波信号判别前方岩体质量的手段,其探测效率较高,但抗干扰能力弱。红外技术[10]是通过探测岩体热辐射温度的细微变化来间接推测掌子面前方是否存在含水体的方法,该技术成本低,仪器操作便利,但易受隧洞内各类温度源干扰,多用于其他预报方式的辅助性探测。本文结合千岛湖实际预报案例,分析了各类物探预报手段的优缺点,提出了不同岩层地区预报方法的适用性,可为隧洞超前预报方案的优化提供参考。

1 物探技术预报原理

1.1 TSP

TSP是在隧洞壁激发与接收地震波,通过特定的数据处理方法获得隧洞前方岩体波速值并以此来分析岩体质量的一种反射波成像技术,其数据采集方式如图1所示:在隧洞一侧设计24个钻孔,孔间距与孔深均为1.5 m,用于放置炸药并灌水(减小声波干扰),距离24号炮孔约20 m附近对称布设2个接收孔,26个钻孔尽量保持在同一平面内,一般高出隧底1.2~1.5 m。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   TSP观测系统

Fig.1   The observation system of TSP


TSP主要依据岩体的纵横波视速度、密度及杨氏模量等参数的量值及变化规律来评价岩体的质量,其中反射波波速可直接从TSP数据中读取,密度与杨氏模量可根据纵横波速间接换算得出。除横波为表征岩体含水量的指标外,其余参数均指示岩体的完整性特征。TSP各参数值越小,对应岩体质量越差。为定量评价TSP预报结果与岩体质量级别的关系,笔者统计了千岛湖配水工程沿线常见岩性的TSP参数分布区间(如表1)。

表1   千岛湖配水工程常见岩性TSP成果统计

Table 1  Statistical results of TSP for common lithologic of Thousand Island Lake water transfer project

岩性围岩
类别		纵波波速
/(m·s-1)		横波波速
/(m·s-1)		密度
/(g·cm-3)		杨氏模量
/GPa
泥质粉砂岩Ⅳ~Ⅲ23699~49122081~27552.32~2.6312~34
灰岩Ⅲ1~Ⅱ5200~62003100~36002.76~3.0056~90

新窗口打开| 下载CSV


1.2 探地雷达

在用探地雷达(GPR)进行隧道探测时,要求天线贴牢掌子面,目的是减小空气与岩体间多次反射波的影响。由于隧洞掌子面平整度常较差,一般采用点测模式,为便于后期数据分析每次探测应保证采集道数大于50,考虑到隧洞内各类电磁干扰较多,为获得高信噪比的数据,应适当提高叠加次数,笔者预报经验表明取64~128次叠加为宜。

GPR通过分析反射电磁波的振幅、频率及相位特征来定性评价岩体质量,当岩体较均一时,接收的电磁反射信号弱,反射波具有振幅弱、频率高及同相轴连续等特性,随着岩体电导率及介电常数等物性差异的增大(如岩体破碎或岩体富水),反射波振幅将显著增大,同相轴也会因岩体中反射界面分布的不均匀而变得不连续甚至错断,当岩体存在空腔时,空洞顶界面附近同相轴还会呈现类似双曲线的形态;频率主要与介质电导率相关,若岩体富含地下水,电阻率将大幅降低,电磁波高频成份多被吸收,故反射频率偏低的区域常指示地下水较发育。千岛湖雷达预报经验表明100 MHz天线主频范围多位于20~150 MHz,其中频率<60 MHz的区域岩体常出现涌渗水。

1.3 红外探测

地温场是影响地球岩体温度变化的主要因素[11],其纵向上一般随深度的增加而增大,横向上地温梯度远小于纵向,由于隧洞主要沿水平方向开挖,其附近岩体温度可近似为不随时间变化的恒定值(背景场),隧洞前方若有与岩体存在温差的含水构造(如裂隙水),构造产生的异常温度场将叠加于恒温场上。红外探测技术就是通过测量掌子面及隧洞各断面岩体的热辐射场强度差异来推断掌子面前方是否含水的物探方法。当岩体处于恒温场时红外辐射场曲线呈近似水平状,若岩体中存在含水构造,辐射曲线将产生畸变,曲线上升或下降的程度可作为含水体判别的依据。

红外探测距离一般小于30 m,其测点布置如图2所示:掌子面上6×4个测点横纵向均匀分布,然后由掌子面位置向其后方每隔5 m对隧道周边探测一次,共探测12个断面,总长60 m。测点依次布置于左墙底、左墙顶、拱顶、右墙顶、右墙底、拱底。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   隧洞红外测点布置示意

Fig.2   Schematic diagram of infrared measuring points arrangement


2 实例分析

2.1 含水破碎带预报

王家主洞段围岩以薄—中厚层状泥质粉砂岩夹泥岩为主,岩体较软且多破碎,岩层走向与洞线交角较小,对洞身稳定不利,围岩多为Ⅳ类,洞线局部穿越大坞垅水库库尾,隧洞施工时易引起涌水突泥等灾害,故在临近水库位置开展TSP宏观预报工作。

图3为王家主洞桩号K84+492~K84+342区段TSP预报成果。图中所示岩体纵波波速多小于4 400 m/s,对比表1可知参数相对偏低,推测200 m范围内岩体较破碎。考虑预报区段处于隧洞浅埋地段,推测岩体基本以Ⅳ类为主,其中桩号K84+440~K84+429及K84+407~K84+400区段纵波波速、密度及杨氏模量值较附近岩体有较明显变小,后者横波波速亦呈现极小值,推测岩体破碎,地下水相对发育。实际开挖证实,TSP预报范围内岩体质量较差,以Ⅳ类为主,在桩号K84+409~K84+402隧洞洞线穿越水库库尾区段掌子面及洞壁大部分渗水,以线状裂隙水为主,多处亦存在股状流水,验证了TSP预报的准确性。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   王家主洞桩号K84+492~K84+342区段TSP预报成果

Fig.3   Prediction results of TSP of stake number K84+492~K84+342 in Wangjia tunnel


考虑到水库库尾区段易发生涌水突泥等地质灾害,且物探预报方法具有多解性,故在邻近水库库尾位置开展了探地雷达探测工作,图4为王家主洞桩号K84+429~K84+399区段探地雷达剖面及典型单道频谱[12],如图4a所示,探测区段内电磁反射波振幅强,同相轴连续性差,桩号K84+413~K84+403区段反射波频率降低,约30~70 MHz(如图4b),表明岩体富体裂隙水,雷达预报结果与TSP成果及实际开挖较吻合。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   王家主洞桩号K84+429~K84+399区段探地雷达剖面及典型单道频谱

a—雷达剖面;b—第32道频率-时间谱

Fig.4   GPR profiles of stake number K84+429~K84+399 as well as frequency spectrums of typical single-trace in Wangjia tunnel

a—GPR profile;b—time-frequency spectrum of the 32nd trace


2.2 岩溶预报

洪秋塘主洞段多位于厚层—块状纯灰岩之中,岩体易受溶蚀,为超前预报重点实施洞段。图5为洪秋塘主洞桩号K7+985~K7+785区段TSP预报成果。对比图5及表1可知,探测范围内岩体波速普遍较高,其中K7+810~K7+792区段纵波波速、密度及杨氏模量均呈现最小值,实际开挖表明TSP探测区段岩体以厚层、巨厚灰岩为主,岩体完整性好,其中K7+869~K7+842区段揭露向左侧延伸与向前方尖灭的溶洞(图6),K7+822~K7+777区段存在薄层—片状泥岩(图7),呈类似小向斜的形态分布。开挖结果表明TSP对于非正面遭遇的大型溶洞探测分辨率低,但对破碎岩体反映较灵敏。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5   洪秋塘主洞桩号K7+985~K7+785区段TSP预报成果

Fig.5   Prediction results of TSP of stake number K7+985~K7+785 in Hong Qiu-tang tunnel


图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6   掌子面向隧洞左侧延伸溶洞

Fig.6   The karst cave extends toward the left side of tunnel


图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7   掌子面薄层泥岩

Fig.7   Thin layer mudstone in tunnel face


莲花主洞下游隧洞段穿越灰岩总长约700 m,该段大型岩溶少见发育,地下水主要以裂隙岩溶水或少量溶洞水向莲花溪排泄,图8为莲花主洞桩号K11+558~K11+528区段探地雷达剖面及典型单道频谱。如图8a所示,桩号K11+556~K11+553区段隧洞左右壁电磁反射波同相轴呈双曲线半支状,振幅较强,并伴随一定程度多次反射现象,推测此区段隧洞左右侧均有溶洞发育;如图8b所示,此区段雷达反射波频率大于70 MHz,以中高频为主,推测溶洞富水的可能性较小。隧洞开挖于桩号K11+556附近隧洞左右壁充泥小溶洞(如图9),掌子面及洞壁岩体均未出现涌渗水现象,体现了探地雷达在溶洞预报上的精确性。

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8   莲花主洞桩号K11+558~K11+528区段探地雷达剖面及典型单道频谱

a—雷达剖面;b—第62道频率-时间谱

Fig.8   GPR profiles of stake number K11+558~K11+528 as well as frequency spectrums of typical single-trace in Lianhua tunnel

a—GPR profile;b—time-frequency spectrum of the 62nd trace


图9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图9   莲花主洞桩号K11+556附近隧洞左右壁充泥溶洞

Fig.9   Mud filled karst cave on the left and right sides of the tunnel near stake number K11+556 in Lianhua tunnel


2.3 红外预报效果分析

红外探测技术在铁路隧洞曾有广泛的应用,部分报导的文献论述了该方法的可行性,但以笔者几公里的红外预报经验,认为此方法不太适合在岩体质量偏差的隧洞内预报,现举两典型案例予以说明。

宁波雪岙隧洞围岩以熔结凝灰岩为主,洞径3m,微风化为主,局部较为完整,掌子面右侧较破碎。距掌子面约30 cm存在厚度约8 cm的垂直洞轴线节理,节理右侧底部出现渗水,距离掌子面80 m范围内探测场地有积水,水深约10~20 cm。表2为宁波雪岙主洞掌子面红外探测结果,如表所示,掌子面红外探测横、纵向极差均小于3 μW/cm2。沿隧洞轴线方向红外极差约6~8 μW/cm2,隧洞底部积水位置红外场强值仅高出隧洞断面其他位置4 μW/cm2(如图10),表明含水体导致的岩体温度变化幅值很小。

表2   雪岙隧洞掌子面红外探测结果

Table 2  Infrared detection results in Tunnel face in Xueao tunnelμW/cm2

测点号123456横向极差
12542522532532532532
22532522532542532532
32522532542532532522
42512512522512502512
纵向极差322332

新窗口打开| 下载CSV


图10

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图10   雪岙隧洞沿隧洞轴线方向红外探测结果

Fig.10   Infrared detection results along axial direction of tunnel in Xueao tunnel


此外,红外探测极易受干扰,表3为分水江主洞掌子面红外探测结果,掌子面岩体为晶屑熔结凝灰岩,沿洞轴线方向,红外曲线沿隧洞掘进方向基本呈逐渐增大的趋势,自桩号K56+029起除底中外各测线上红外场强急剧增大(如图11),6条曲线极差约35~114 μW/cm2,此现象为钢拱架支护区新喷混凝土产生水化热导致的红外干扰。若假定极差35 μW/cm2为红外异常,对比分析可知,喷混凝土红外干扰有时可达岩体温度变化有效异常的3倍。故红外探测技术对需钢拱架结合喷混凝土支护形式的隧洞而言,其适用性尤其较差。

表3   分水江主洞掌子面红外探测结果

Table 3  Infrared detection results in Tunnel face in Fenshuijiang tunnelμW/cm2

测点号123456横向极差
第一行2622632572582602616
第二行2612602572542552607
第三行25725225124625125211
第四行2502522482452472487
纵向极差12119131313

新窗口打开| 下载CSV


图11

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图11   分水江主洞沿隧洞轴线方向红外探测结果

Fig.11   Infrared detection results along axial direction of tunnel in Fenshuijiang tunnel


3 结论

TSP与探地雷达优势互补,前者更适用于构造破碎带如断层、向斜的探测,但对小型溶洞探测效果差,岩体相对破碎区域TSP纵波波速、密度及杨氏模量多呈现极小值;探地雷达预报掌子面前方溶洞效果显著,溶洞异常表现为反射波振幅强且同相轴发生弯曲;隧洞内喷混凝土产生的水化热对红外探测影响极大,有时热源干扰可超过含水体导致岩体温度变化异常的数倍,红外技术不适宜在围岩质量偏差的隧洞内单独预报。

The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。

参考文献

张杨, 杨君, 周黎明 , 等.

TSP 在隧道工程施工中的常见干扰和对岩体裂隙水及软弱夹层等的预报研究

[J]. 地球物理学进展, 2018,33(2):892-899.

[本文引用: 1]

Zhang Y, Yang J, Zhou L M , et al.

Common interference and the prediction of rock fissure water and weak interlayer in tunnel construction using TSP

[J]. Progress in Geophysics, 2018,33(2):892-899.

[本文引用: 1]

肖启航, 谢朝娟 .

TST 技术在岩溶地区隧道超前预报中的应用

[J]. 岩土力学, 2012,33(5):1416-1420.

[本文引用: 1]

Xiao Q H, Xie C J .

Application of tunnel seismic tomography to tunnel prediction in karst area

[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012,33(5):1416-1420.

[本文引用: 1]

陈礼彪, 刘泉声, 张国华 , 等.

非可溶岩隧道突涌灾害预测研究及工程应用

[J]. 岩石力学与工程学报, 2014,33(4):786-796.

[本文引用: 1]

Chen L B, Liu Q S, Zhang G H , et al.

Prediction of inrush disaster in non-soluble rock tunnel and its engineering application

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014,33(4):786-796.

[本文引用: 1]

刘兆勇, 王羿磊, 杨威 .

相对坐标测量系统在TRT法隧道地质超前预报中的应用

[J]. 现代隧道技术, 2018,55(2):146-151.

[本文引用: 1]

Liu Z Y, Wang Y L, Yang W .

Relative coordinate measuring system applied in the geological advanced prediction with tunnel reflection tomography

[J]. Modern Tunnelling Technology, 2018,55(2):146-151.

[本文引用: 1]

赵国军, 李俊杰, 江宗高 , 等.

AGI-T3在输水隧洞超前地质预报中的应用

[J]. 水利水电技术, 2018,49(6):164-170.

[本文引用: 1]

Zhao G J, Li J J, Jiang Z G , et al.

Application of AGI-T3 to advance geological prediction for construction of water conveyance tunnel

[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2018,49(6):164-170.

[本文引用: 1]

Kaus A, Boening W .

Beam-geoelectrical ahead monitoring for TBM-drives

[J]. Geomechanics and Tunneling, 2008,1(5):442-450.

[本文引用: 1]

李术才, 刘斌, 孙怀凤 , 等.

隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势

[J]. 岩石力学与工程学报, 2014,33(6):1090-1113.

[本文引用: 1]

LI S C, Liu B, Sun H F , et al.

State of art and trends of advanced geological prediction in tunnel construction

[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014,33(6):1090-1113.

[本文引用: 1]

韩进国, 陈琦, 曾友强 , 等.

井巷瞬变电磁法在某金矿超前预报中的应用

[J]. 地质与勘探, 2018,54(2):344-347.

[本文引用: 1]

Han J G, Chen Q, Zeng Y Q , et al.

Application of mine transient electromagnetic method to advanced prediction of a gold mine

[J]. Geology and Exploration, 2018,54(2):344-347.

[本文引用: 1]

李俊杰, 朱红雷, 赵国军 , 等.

探地雷达电磁干扰分析及在隧洞岩溶探测中的应用

[J]. 中国岩溶, 2018,37(2):286-293.

[本文引用: 1]

Li J J, Zhu H L, Zhao G J , et al.

Electromagnetic interference analysis of ground penetrating radar and its application in karst detection in tunnel

[J]. Carsologica Sinica, 2018,37(2):286-293.

[本文引用: 1]

罗利锐, 刘志刚, 陈文涛 , 等.

红外探测技术在海底隧道地质预报中的应用

[J]. 地下空间与工程学报, 2010,6(4):775-780.

[本文引用: 1]

Luo L R, Liu Z G, Chen W T , et al.

Application of infrared acquisition technology in geological prediction of sub-sea tunnel

[J]. 2010,6(4):775-780.

[本文引用: 1]

王洪勇, 张继奎, 李志辉 .

长大隧道红外辐射测温超前预报含水体方法研究与应用实例分析

[J]. 物探化探计算技术, 2003,25(1):11-17.

[本文引用: 1]

Wang H Y, Zhang J K, Li Z H .

The theory and case analysis for prediction of water-bearing bodies in over-length and over-size tunnel using infrared ray method

[J]. Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration, 2003,25(1):11-17.

[本文引用: 1]

Irving J, Knight R .

Numerical modeling of ground-penetrating radar in 2-D using MATLAB

[J]. Computers & Geosciences, 2006,32(9):1247-1258.

[本文引用: 1]

/

〈 〉

京ICP备05055290号-3
版权所有 © 2021《物探与化探》编辑部
通讯地址：北京市学院路29号航遥中心 邮编：100083
电话：010-62060192；62060193 E-mail：whtbjb@sina.com