“陸地聲納法”簡介及在工程中實(shí)際應(yīng)用

PAGEPAGE14陸地聲納法簡介北京**開發(fā)有限公司**高速公路**隧道出京口擬用陸地聲納法作為隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的主要手段。陸地聲納的方法和儀器是我國科研人員研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，是我國發(fā)明的幾件物探方法技術(shù)中的一件。它是為了解決隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)問題而研究、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的方法技術(shù)。1991年~1996年列為鐵道部重點(diǎn)科研項(xiàng)目的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，經(jīng)過背靠背的考試檢驗(yàn)，確定為課題的2個(gè)主要方法之一，它除了能探查斷層、破碎帶等外，特別在探查溶洞的效能方面非其它方法可及。此方法技術(shù)還曾是國家自然科學(xué)基金的支持項(xiàng)目。經(jīng)過3次專家評(píng)審，并通過鐵道科學(xué)院及鐵道部分別進(jìn)行的技術(shù)鑒定，由于在南昆鐵路的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)及時(shí)指導(dǎo)施工，而獲南昆鐵路科技一等獎(jiǎng)。本文后列表格中列出出了十余個(gè)工程（段）預(yù)報(bào)及施工單位反饋?zhàn)C明的結(jié)果。1997年-1999年在秦嶺隧道進(jìn)行了二線隧道探一線隧道的預(yù)報(bào)。2002年后逐步推廣應(yīng)用。美國和德國也曾仿用。1、陸地聲納的特點(diǎn)陸地聲納法的實(shí)質(zhì)是“陸上極小偏移距超高頻寬帶高保真全信息彈性波超短余震接收系統(tǒng)單點(diǎn)連續(xù)剖面法”，簡稱“陸地聲納法”。它是地震反射法、探地雷達(dá)、水聲法、聲波測量的雜交，加上超寬頻帶接收的獨(dú)特發(fā)明結(jié)合而成的地震勘探的新品種。它的要點(diǎn)和特點(diǎn)是：(1)在隧道掌子面上設(shè)測量剖面，剖面上每30cm左右設(shè)一測點(diǎn)，用錘擊方式激發(fā)彈性波，波向掌子面前方傳播，遇到斷層、大節(jié)理、巖層分界面、巖脈、涌水層、溶洞等產(chǎn)生反射，在激震點(diǎn)旁設(shè)檢波器接收被測物體的反射波（不必固定）。然后通過接收儀器將各測點(diǎn)的時(shí)間曲線拼接成時(shí)間剖面圖象圖1陸地聲納在掌子面上作前方地質(zhì)預(yù)報(bào)示意圖圖2在掌子面上作數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集工作照及儀器照片左圖為第1代儀器，右上圖為第3代儀器右下為4型（2）此方法用錘激震源和專門的檢波器和接收儀器，可激發(fā)和接收10Hz～4000Hz的波。由于可接收到高而寬的頻帶，可發(fā)現(xiàn)溶洞、破碎帶、小斷裂；如此寬的頻帶，就能夠充分利用反射波的頻譜特性，還可通過分窗口帶通濾波提取不同頻段的反射波，高頻段的反射波可反映薄的層和大節(jié)理等斷裂面和小溶洞，低頻段的反射波可反映較大的斷層、較厚的巖脈、巖層和大溶洞，通過不同頻段反射的圖象對(duì)比，可以分辨不同的不良地質(zhì)體；（3）作為極小偏移距（震-檢距）的方法，它不僅可探查斷層等近似平面型的物體，還可探查溶洞等有限大小地質(zhì)體（圖3）；由于全信息的采集，還可根據(jù)頻譜測出斷層影響破碎帶的范圍；圖3球體上方陸地聲納法時(shí)間剖面模型實(shí)驗(yàn)（4）由于在激震點(diǎn)旁接收，激震能量效率高，用錘擊激發(fā)可探到150m以上遠(yuǎn)，避免了爆炸激震的麻煩和在支護(hù)后爆破對(duì)隧道的破壞。每次采集在現(xiàn)場只占用30-45分鐘（為預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，一般預(yù)報(bào)100m（5）強(qiáng)調(diào)地質(zhì)與物探的結(jié)合。物探工作開始前充分掌握必需的地質(zhì)資料，工作過程中地質(zhì)手段與物探密切結(jié)合，資料分析時(shí)綜合地質(zhì)與地球物理信息，最后給出地質(zhì)結(jié)論。圖4陸地聲納法（當(dāng)時(shí)稱高頻反射法）鑒定證書（部分）圖5包括陸地聲納在內(nèi)的隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)成果鑒定證書封皮及部文2陸地聲納與TSP和探地雷達(dá)的異同（1）與TSP比較TSP與陸地聲納都是彈性波反射法。**隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)的負(fù)責(zé)人鐘世航教授曾與日本專家用類似的方法HSP在秦嶺隧道工作過，并聯(lián)合在日本發(fā)表過論文。TSP是瑞士Aberg公司1993年前后推出的方法，它是由經(jīng)典的地震垂直剖面法（VSP）轉(zhuǎn)化而成。它采用在隧道邊墻鉆孔，近掌子面的24個(gè)孔中放炸藥爆炸作震源，距掌子面遠(yuǎn)端鉆孔中放置檢波器接收沿邊墻來的直達(dá)波和掌子面前方物體的反射波。它對(duì)斷層等面狀反射體有較好的反映。陸地聲納法則是在掌子面上激發(fā)和設(shè)檢波器接收，不必鉆孔；用錘擊震源而不必用爆炸。雖然TSP檢波器設(shè)于掌子面后方80m左右，損失了探測距離，但它用爆炸震源，比錘擊震源要傳得遠(yuǎn)。但二者均能預(yù)報(bào)100m以遠(yuǎn)。陸地聲納采用地震勘探的通用圖件顯示形式，較接近地質(zhì)圖件，較直觀。而且可以應(yīng)用已有的成熟的地震反射法和雷達(dá)正演理論。陸地聲納法是近于0震-檢距的方法，對(duì)溶洞有清晰的反映，是目前唯一可以探查到幾十米外1～2m直徑的溶洞，并能反映溶洞上下底和多層溶洞的物探方法；TSP法是1點(diǎn)接收、多點(diǎn)激震的方法，對(duì)溶洞等有限大小物體的探查非其強(qiáng)項(xiàng)。陸地聲納方法和儀器通過了鐵道科學(xué)研究院和鐵道部的嚴(yán)格技術(shù)鑒定，TSP是通過商業(yè)宣傳進(jìn)入市場的未經(jīng)我國任何一級(jí)授權(quán)部門鑒定，它的某些錯(cuò)誤未得糾正，造成了一些嚴(yán)重后果。（2）與探地雷達(dá)比較作為隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法，二者均經(jīng)鐵道部的技術(shù)鑒定。**隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)的負(fù)責(zé)人鐘世航教授是陸地聲納的發(fā)明人，也是使用探地雷達(dá)的著名專家，。探地雷達(dá)應(yīng)用高頻電磁波（雷達(dá)波）的反射，陸地聲納法應(yīng)用彈性波的反射。雷達(dá)波對(duì)水的反映好。二者均為接近0震-檢距的方法，對(duì)溶洞都有好反映。但因雷達(dá)波會(huì)產(chǎn)生多次反射，目前難以反映溶洞的另一面和發(fā)育的多層溶洞。探地雷達(dá)目前僅能預(yù)報(bào)不到30m.一般用作輔助手段。3陸地聲納法作隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)的若干實(shí)例［例1］侯月鐵路云臺(tái)山隧道1#揭煤點(diǎn)預(yù)報(bào)云臺(tái)山隧道為鐵路單線特長隧道，中間有一段穿過石炭系上統(tǒng)砂、頁巖與含瓦斯煤層互層地層，煤系地層厚10余米，含瓦斯，最上一層煤層厚約1m。為保證施工安全，需在接近揭煤點(diǎn)的掌子面打水平鉆孔抽排瓦斯，先作掌子面前方地質(zhì)預(yù)報(bào)確定揭煤點(diǎn)位置，然后安排鉆孔。由于煤系地層傾角不陡，采用在隧底探查前推與掌子面上探查相結(jié)合的方法。在寬約5m的平導(dǎo)中施測：在DK86+126.5掌子面上向前方探查的“陸地聲納”測量剖面；在掌子面后方隧底沿中線作了長90m的“陸地聲納”測量剖面。得到如圖3所示的地質(zhì)縱斷面圖，掌子面向前探測距離約80m。預(yù)報(bào)在DK86+191附近揭煤，據(jù)此進(jìn)行施工安排。平導(dǎo)施工開挖在DK86+188.3（隧道底）～DK86+193圖6云臺(tái)山隧道1#揭煤點(diǎn)地質(zhì)預(yù)報(bào)成果圖［例2］云臺(tái)山隧道“關(guān)門斷層”預(yù)探（見附表）云臺(tái)山隧道穿過多條斷層及其影響破碎帶，“關(guān)門（地名）斷層”是其中之一。山頂斷層出露因隧道埋深較大，但兩個(gè)鉆孔均未能鉆到它，隨隧道掘進(jìn)作了5次預(yù)報(bào)探查：第一次探查在DK86+520掌子面上進(jìn)行，預(yù)報(bào)在掌子面前方40m第三、四次探查在DK86+534和+551進(jìn)行。這次預(yù)報(bào)給出了主干斷層在隧道中出露的里程和產(chǎn)狀、厚度，并查出了寬約20m的斷層影響破碎帶的大致出露里程。探查預(yù)報(bào)結(jié)果經(jīng)開挖證實(shí)，預(yù)報(bào)的大節(jié)理，小斷層及“關(guān)門斷層”在隧道中出露的里程與開挖相差1m左右，但“關(guān)門斷層”的斷層泥厚度預(yù)報(bào)比開挖實(shí)際厚度厚了1.5～2m。圖7是在DK86+534掌子面上探查的“陸地聲納”圖7云臺(tái)山隧道DK86+534掌子面預(yù)報(bào)前方資料及開挖后實(shí)際情況對(duì)比B、C—大節(jié)理，隧道拱部先小方X—小斷層，隧道拱部小坍方P—進(jìn)入斷層影響破碎帶圖7的P兩邊可清晰地看到反映的圖象不同，右邊高頻成分明顯增多，頻譜分析更定量地反映了這規(guī)律。這是巖體斷層影響破碎帶中節(jié)理裂隙發(fā)育、切割得巖塊小，致使高頻的波反射而致，業(yè)經(jīng)開挖證實(shí)。[例3]潭峪溝隧道斷層破碎帶的掌子面前方預(yù)報(bào)（見附表）潭峪溝隧道是北京—八達(dá)嶺高速公路的一座雙車道隧道，穿過花崗巖。在平導(dǎo)和正洞接近地質(zhì)勘查資料注明的斷層前，用“陸地聲納法”作了探查。圖8是其中一份陸地聲納探查資料及預(yù)報(bào)圖，從圖可清晰見到兩個(gè)斷層面反射的圖象f1、f2，以及靠近掌子面及斷層的許多連續(xù)性不很好的小斷裂的反射同香軸，這是巖體中斷層影響破碎帶的反映。從圖還可看到，緊靠掌子面還有連續(xù)的反射波同相軸圖象，它是斷層面還是開挖爆破在掌子面巖體中產(chǎn)生的松弛帶或爆破破壞帶？難以分清。這告訴我們，不能在接近某些斷裂、巖體已發(fā)生變化時(shí)再去探查，而應(yīng)在破碎帶揭露之前10m以外去探查，以達(dá)到預(yù)報(bào)的目的，并可以較有把握地測到包括破碎帶范圍在內(nèi)的斷層帶。圖8潭域溝隧道K3+444掌子面探查前方斷層破碎帶預(yù)報(bào)圖[例4]招寶山隧道左洞斷層及風(fēng)化呈泥狀巖脈的掌子面前方探查（見附表）招寶山隧道穿過風(fēng)化流紋巖，切過幾條斷層，并有細(xì)晶巖脈穿插，巖脈均風(fēng)化成泥狀。特別是距出口約80m一段穿過F3、F4、F5三條斷層，巖脈較寬、巖質(zhì)較壞，曾經(jīng)為是否更改原設(shè)計(jì)及施工方案引起過爭議。用陸地聲納法在左洞弧型導(dǎo)坑作的探查，十分清楚地反映了斷層及巖脈，為確定施工方法和施工提供了重要依據(jù)。開挖證實(shí)預(yù)報(bào)十分準(zhǔn)確。圖9是預(yù)報(bào)及開挖后素描的地質(zhì)平面圖比較。圖9招寶山隧道出口段陸地聲納法預(yù)報(bào)及開挖后素描對(duì)比[例5]南昆鐵路鋁廠隧道出口端斷層、溶洞等預(yù)報(bào)（見附表）鋁廠隧道為單線鐵路長隧道，預(yù)報(bào)時(shí)出口端還有近200m將貫通。出口洞門段遇到被切割成大塊的破碎石灰?guī)r坍垮而停止掘進(jìn)，出口端的進(jìn)口段掌子面為砂頁巖互層，向前掘進(jìn)將遇到什么情況不明。采用了“陸地聲納法”進(jìn)行掌子面前方地質(zhì)預(yù)報(bào)。而在此次工作前一周，勘測設(shè)計(jì)單位的補(bǔ)充地質(zhì)報(bào)告認(rèn)定：這一段不存在斷層和巖溶，出口處洞門段再掘進(jìn)10m在隧道DK781+724掌子面向出口方向進(jìn)行了第一次探查，發(fā)現(xiàn)了斷層和溶洞；然后掘進(jìn)到DK781+770,在掌子面上進(jìn)行了第二次探查。預(yù)報(bào)指出：前方130m內(nèi)在DK781+778～+780有一斷層，有地下水；在+810向出口方向有較大斷層，+816～+823有大溶洞，再向出口方向?yàn)槠扑閹r體、巖溶發(fā)育。據(jù)此重新安排施工。開挖證實(shí)了預(yù)報(bào)結(jié)果。圖10為其中一組陸地聲納剖面及現(xiàn)場預(yù)報(bào)資料和開挖后觀察對(duì)比。圖10鋁廠隧道DK781+770掌子面上探查前方斷層及巖溶R1—大溶洞R2—在隧底下的溶洞F1、F2—斷層Z—隧道另一端掌子面[例6]南昆鐵路羊寨隧道掌子面前方的巖溶探查（見附表）羊寨隧道穿過三疊系灰?guī)r，有多段巖溶發(fā)育地段，開挖時(shí)曾發(fā)生過溶洞泥坍方。在此隧道的4個(gè)工區(qū)用“陸地聲納法”作了探查預(yù)報(bào)。(1)進(jìn)口端的3個(gè)工區(qū)（DK538+651、DK539+560、DK539+703）各作了探查預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)距離最大90余米，未發(fā)現(xiàn)溶洞和較大的斷層。開挖與預(yù)報(bào)一致。(2)出口端DK539+510在掌子面上向進(jìn)口方向作了預(yù)報(bào)探查，發(fā)現(xiàn)了斷層和巖溶后，在+494.5掌子面作了第2次探查，它與+510的資料對(duì)比，圖像的反映完全一致。探查距離150m左右，預(yù)報(bào)距離90m左右。圖11羊寨隧道DK539+770掌子面作前方不良地質(zhì)預(yù)報(bào)資料及開挖反饋對(duì)比F1、F2—斷層F3斷層加小溶洞（開挖后觀察邊墻有溶蝕嚴(yán)重的斷裂面）F4—小斷層有直徑約0。5米的小溶洞（開挖后觀察邊墻有斷層、有溶蝕）開挖后觀察結(jié)果與預(yù)報(bào)結(jié)果基本吻合。由于預(yù)報(bào)中沒有嚴(yán)重的不良地質(zhì)，施工時(shí)不需作重要調(diào)整。施工單位是在預(yù)報(bào)范圍開挖一段時(shí)間后再在隧道內(nèi)觀察丈量的，故在隧道中的小溶洞開挖爆破出渣后即無法查明，僅能記錄側(cè)墻的斷裂及溶蝕情況。反饋資料表明：除預(yù)報(bào)的+439～+434一小斷層未見，預(yù)報(bào)的+451前后的小斷層及0.5m左右直徑的小溶洞開挖里程差5m外，其余預(yù)報(bào)皆與開挖完全相符。圖11是其中一張預(yù)報(bào)剖面圖像及預(yù)報(bào)與開挖反饋的對(duì)比圖。[例7]宜萬鐵路八字嶺隧道溶縫的探查隧道出口屬淺埋，穿過灰?guī)r，出口橫通道一開挖即遇到溶縫，溶縫的寬度0.5m到3～4m。陸地聲納發(fā)現(xiàn)前方100余米范圍內(nèi)直到正洞有多條溶縫槽及幾處破碎巖體，圖12為探查資料、預(yù)報(bào)結(jié)論及開挖結(jié)果對(duì)比。圖12八字嶺隧道陸地聲納探查前方溶縫及開挖反饋[例8]滬蓉西高速公路齊岳山隧道右洞暗河預(yù)報(bào)。齊岳山隧道巖溶發(fā)育，在地質(zhì)預(yù)報(bào)過程中，于ZK232+140掌子面的預(yù)報(bào)時(shí)發(fā)現(xiàn)了暗河，預(yù)報(bào)在+190，有大溶洞橫穿隧道，其前壁里程為+190～+202，暗河頂在隧道底部；在＋256至＋274處有中小溶洞的反映，因超出預(yù)報(bào)距離，對(duì)暗河后壁里程未作明確確定。后在隧道開挖過預(yù)報(bào)里程后，在開挖仰拱前在隧道中探查暗河前壁里程和頂埋深。探查證實(shí)，暗河前壁里程右墻下為+192，左墻下為+201，與預(yù)報(bào)僅差1～2m。在開挖到+250～+256時(shí)，爆破揭露了暗河，其后壁約在+256并向前延伸，預(yù)報(bào)的幾處溶洞是暗河后壁的幾個(gè)小支洞。圖13齊岳山隧道左洞暗河預(yù)報(bào)的陸地聲納時(shí)間剖面圖圖14齊岳山隧道左洞進(jìn)口ZK51+250前后的暗河頂部爆破揭露照片[例9]京平高速公路大嶺后隧道左洞小溶洞預(yù)報(bào)大嶺后隧道穿過白云巖，有線長0。5m大小的溶洞存在。2006年底～2007年曾預(yù)報(bào)過多處小溶洞