“陸地聲納法”簡介及在工程中實際應用

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超前預報的主要手段。陸地聲納的方法和儀器是我國科研人員研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的技術，是我國發(fā)明的幾件物探方法技術中的一件。它是為了解決隧道地質預報問題而研究、設計和實現(xiàn)的方法技術。1991年~1996年列為鐵道部重點科研項目的重點項目之一，經(jīng)過背靠背的考試檢驗，確定為課題的2個主要方法之一，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。此方法技術還曾是國家自然科學基金的支持項目。經(jīng)過3次專家評審，并通過鐵道科學院及鐵道部分別進行的技術鑒定，由于在南昆鐵路的準確預報及時指導施工，而獲南昆鐵路科技一等獎。本文后列表格中列出出了十余個工程（段）預報及施工單位反饋證明的結果。1997年-1999年在秦嶺隧道進行了二線隧道探一線隧道的預報。2002年后逐步推廣應用。美國和德國也曾仿用。1、陸地聲納的特點陸地聲納法的實質是“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)單點連續(xù)剖面法”，簡稱“陸地聲納法”。它是地震反射法、探地雷達、水聲法、聲波測量的雜交，加上超寬頻帶接收的獨特發(fā)明結合而成的地震勘探的新品種。它的要點和特點是：(1)在隧道掌子面上設測量剖面，剖面上每30cm左右設一測點，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，在激震點旁設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的時間曲線拼接成時間剖面圖象，根據(jù)圖象解釋這些不良地質體。由反射時間t和巖體波速V可計算出反射面到測點距離h(h==Vt/2),通過在掌子面上設立水平和垂直2條剖面，以此計算出反射面的空間位置（圖1）;圖1陸地聲納在掌子面上作前方地質預報示意圖圖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比，可以分辨不同的不良地質體；（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間剖面模型實驗（4）由于在激震點旁接收，激震能量效率高，用錘擊激發(fā)可探到150m以上遠，避免了爆炸激震的麻煩和在支護后爆破對隧道的破壞。每次采集在現(xiàn)場只占用30-45分鐘（為預報準確，一般預報100m）；（5）強調(diào)地質與物探的結合。物探工作開始前充分掌握必需的地質資料，工作過程中地質手段與物探密切結合，資料分析時綜合地質與地球物理信息，最后給出地質結論。圖4陸地聲納法（當時稱高頻反射法）鑒定證書（部分）圖5包括陸地聲納在內(nèi)的隧道地質預報成果鑒定證書封皮及部文2陸地聲納與TSP和探地雷達的異同（1）與TSP比較出TS鑄P逆與陸地聲納都劇是盼彈性波反射法昏。男**肥隧道練地質預報的負訊責人鐘世航教蝶授曾與日本專破家用類似的方納法鴿HS者P護在秦嶺隧道工阻作過，并聯(lián)合懼在日本發(fā)表過瓜論文。敢TS效P怨是瑞礙士紹Aber假g側公層司鼻199著3醋年前后推出的狂方法，它是由羊經(jīng)典的地震垂筐直剖面法（西VSP鋪）封轉化而成。它臣采用在隧道邊配墻鉆孔，近掌奔子面國的迷2勒4粘個孔中放炸藥逮爆炸作震源，偶距掌子面遠端央鉆孔中放置檢楚波器接收沿邊芽墻來的直達波臘和掌子面前方啊物體的反射波敲。它對斷層等銅面狀反射體有鴉較好的反映。尾陸地聲納法則陶是在掌子面上斜激發(fā)和設檢波杏器接收，不必棗鉆孔；用錘擊喘震源而不必用謹爆炸。雖互然群TS詳P抓檢波器設于掌憤子面后方礎80m離左右，損失了要探測距離，但耀它用爆炸震源響，比錘擊震源曲要傳得遠。但華二者均能預報戚100m滔以遠。腥陸地聲納采用燦地震勘探的通幟用圖件顯示形鋼式，較接近地魄質圖件，較直煎觀。而且可以礙應用已有的成糖熟的地震反射城法和雷達正演判理論。言陸地聲納法是餐近甘于根0序震闖-估檢距的方法，筍對溶洞有清晰枯的反映，是目毅前唯一可以探雄查到幾十米留外他1裳～削2坐m天直徑的溶洞，擔并能反映溶洞庸上下底和多層幫溶洞的物探方烈法雜；劇TS智P蹤法藏是限1料點接收、多點柄激震的方法，搜對溶洞等有限欠大小物體的探芹查非其強項。曠陸地聲納方法丈和儀器通過了萄鐵道科學研究朽院和鐵道部的虧嚴格技術鑒定模，凍TS易P憑是通過商業(yè)宣兵傳進入市場的熱未經(jīng)我國任何而一級授權部門委鑒定，它的某翼些錯誤未得糾播正，造成了一妨些嚴重后果。衛(wèi)（宵2暖）與探地雷達誘比較塑作為隧道地質爽預報的方法，粘二者均經(jīng)鐵道季部的技術鑒定睜?？h**服隧道窗地質預報的負青責人鐘世航教史授是陸地聲納掛的發(fā)明人，也兵是使用探地雷諷達的著名專家括，。國鹿神探地雷達應用找高頻電磁波（萄雷達波）的反愈射，陸地聲納聰法應用彈性波混的反射。雷達看波對水的反映沃好。懲沃險二者均為接著近加0渴震踩-注檢距的方法，梨對溶洞都有好康反映。但因雷演達波會產(chǎn)生多針次反射，目前舞難以反映溶洞披的另一面和發(fā)膛育的多層溶洞照。村阿色探地雷達目前嫁僅能預報不到浮30m西.督一般用作輔助章手段。藏3眠泉陸地聲納法作將隧道地質預報沫的若干實例妖［頁例榨1辮］刑侯月鐵路云臺耗山隧灘道柳1煌#鋪揭煤點慰預報榮云臺山隧道為菜鐵路單線特長妹隧道，中間有答一段穿過石炭階系上統(tǒng)砂、頁朽巖與含瓦斯煤扎層互層地層，懷煤系地層籮厚主1攜0如余米，含瓦斯底，最上一層煤配層厚約鉛1達m勵科。為保證施工買安全，需在接之近揭煤點的掌瘡子面打水平鉆共孔抽排瓦斯，礎先作掌子面前騰方地質預報確貌定揭煤點位置灣，然后安排鉆霧孔。由于煤系底地層傾角不陡底，采用在隧底醬探查前推與掌柏子面上探查相感結合的方法。蕩在寬約質5咬m威的平導中施測亡：在模DK86+1漫26.5納掌子面上向前移方探查桿的爺“給陸地聲強納吩”掏測量剖面；在蠻掌子面后方隧盜底沿中線作了懲長湖90m殺的糠“廚陸地聲浪納熔”肉測量剖面。得城到如獵圖夸3型所示的地質縱著斷面圖，掌子姿面向前探測距甩離約窄80m聾。預報在革DK86+1申91學附近揭煤，據(jù)碼此進行施工安踩排。平導施工世開挖在窄DK86+1論88.3喘（隧道底）負～書DK86+1淋93茂（隧道頂）燙揭煤。（見附劈表）墨圖枕6刷寨云臺山隧道崖1擴#茅揭煤點地質預床報成果圖塌［跟例驗2拾］它盛云臺山隧道銀“僅關門斷燕層瞎”拆預探瑞（見附表）君云臺山隧道穿棍過多條斷層及旦其影響破碎帶掩，堅“陷關門（地名）溪斷砍層皮”脊是其中之一。粒山頂斷層出露使因隧道埋深較讓大，但兩個鉆糊孔均未能鉆到明它，隨隧道掘凡進作針了澡5意次預報探查：加第一次探查在葉DK86+5譯20結掌子面上進行慨，預報在掌子費面前方灰40謊m夫內(nèi)未見主干斷拉層及破碎帶，恐但有幾條較大鋸節(jié)理或小斷層協(xié)，應引起注意滔。隧道掘進時蛾在大節(jié)理或小誤斷層處均發(fā)生貍拱部坍方，局岔部變更降低了梨圍巖級別。壺第三、四次探桿查在茂DK86+5俘34弊和逼+551微進行。這次預亞報給出了主干士斷層在隧道中瞇出露的里程和概產(chǎn)狀、厚度，初并查出了寬約我20朋m蛋的斷層影響破瓜碎帶的大致出壤露里程。探查忍預報結果經(jīng)開漢挖證實，預報貿(mào)的大節(jié)理，小允斷層瀉及談“茄關門斷性層際”郊在隧道中出露攔的里程與開挖練相差糊1m暈左右，騾但邊“勸關門斷蔽層雕”辭的斷層泥厚度悠預報比開挖實分際厚度厚潔了兄1.芽5出～的2經(jīng)m身。株圖伙7彼是宴在廳DK86+5刃3眨4委掌子面上探查節(jié)的怎“戒陸地聲批納扮”遵圖象和預報的表資料以及開挖餐的實際情況對尚比圖。肆圖序7趁火云臺山隧道蘇DK86+5以34衫掌子面預報前爛方資料及開挖秀后實際情況對乞比旦B街、鋒C前—抗大節(jié)理，隧道暫拱部先小方盤X斷—降小斷層，隧道捆拱部小坍方似P堂—略進入斷層影響主破碎帶器圖倦7睜的樓P歉兩邊可清晰地愈看到反映的圖撿象不同，右邊禿高頻成分明顯勾增多，頻譜分渣析更定量地反封映了這規(guī)律。土這是巖體斷層聚影響破碎帶中采節(jié)理裂隙發(fā)育秤、切割得巖塊型小，致使高頻陸的波反射而致膛，業(yè)經(jīng)開挖證煤實。交[呼例現(xiàn)3]篇潭峪溝隧道尿斷層破碎帶躁的掌子面前方綢預報（見附表指）核潭峪溝隧道是組北倦京有—刊八達嶺高速公刮路的一座雙車早道隧道，穿過秋花崗巖。在平透導和正洞接近鞭地質勘查資料披注明的斷層前勉，灌用緩“線陸地聲納脫法讀”膽作了探查。東圖殘8四是其中一份陸熔地聲納探查資竄料及預報圖，牧從圖可清晰見揚到兩個斷層面奧反射的圖象魂f森1姓、磚f匠2買，以及靠近掌吼子面及斷層的考許多連續(xù)性不棗很好的小斷裂襪的反射同香軸溜，這是巖體中攏斷層影響破碎側帶的反映。從溫圖還可看到，嫌緊靠掌子面還亮有連續(xù)的反射僚波同相軸圖象廈，它是斷層面填還是開挖爆破肆在掌子面巖體抹中產(chǎn)生的松弛召帶或爆破破壞督帶？難以分清岔。這告訴我們處，不能在接近滴某些斷裂、巖源體竹已發(fā)生變化時值再去探查，而魄應在破碎帶揭印露之前音10m巷以外去探查，型以達到預報的戲目的，并可以丹較有把握地測久到包括破碎帶室范圍在內(nèi)的斷葡層帶。位圖生8裕座潭域溝隧道賭K3+444檢掌子面探查前塞方斷層破碎帶竿預報圖海[碗例蛋4]城招寶山隧道左線洞驟斷層及風化呈撤泥狀巖脈峽的掌子面前方腳探查（見附表侮）悅招寶山隧道穿懲過風化流紋巖傷，切過幾條斷使層，并有細晶他巖脈穿插，巖異脈均風化成泥挪狀。特別是距品出口約陽80m租一段穿眼過玉F艦3斤、謠F棵4信、樣F賣5舅三條斷層，巖犬脈較寬、巖質眼較壞，曾經(jīng)為金是否更改原設絞計及施工方案逐引起過爭議?？嫌藐懙芈暭{法注在左洞弧型導梁坑作的探查，鐮十分清楚地反謎映了斷層及巖響脈，為確定施病工方法和施工旗提供了重要依登據(jù)。開挖證實早預報十分準確跪。淋圖鞏9秋是預報及開挖更后素描的地質旨平面圖比較。望圖廊9漸棒招寶山隧道出巷口段陸地聲納疊法預報及開挖裂后素描對比泛[航例仰5]依南昆鐵路鋁廠蜂隧道出口端愉斷層、溶洞唐等預報（見附恰表）陳鋁廠隧道為單任線鐵路長隧道搬，預報時出口日端還有近豆200就m報將貫通。出口藏洞門段遇到被劍切割成大塊的它破碎石灰?guī)r坍欠垮而停止掘進彈，出口端的進銷口段掌子面為痰砂頁巖互層，辯向前掘進將遇殲到什么情況不今明。采用絕了卷“抗陸地聲納體法批”即進行掌子面前怨方地質預報。壘而在此次工作鑒前一周，勘測辣設計單位的補睬充地質報告認扭定：這一段不饑存在斷層和巖切溶，出口處洞稻門段再掘進息10m纏左右?guī)r質將變醬好。筋在隧道趴DK781+傾724斧掌子面向出口拉方向進行了第持一次探查，發(fā)坑現(xiàn)了斷層和溶污洞；然后掘進摧到亮DK781+貝770,素在掌子面上進壘行了第二次探廚查。預報指出戲：前方悼130m燈內(nèi)頓在魄DK781+撇778碗～半+780露有一純斷層，有地下脹水臺；意在貨+810縮向出口方向有陪較大斷層鉤，聯(lián)+81好6是～布+82墻3軌有悄大溶洞差，再向出口方衰向為破碎巖體寫、益巖溶發(fā)育來。陳據(jù)此重新安排填施工。開挖證戰(zhàn)實了預報結果酸。肅圖齒1鈴0喚為其中一組陸產(chǎn)地聲納剖面及課現(xiàn)場預報資料羨和開挖后觀察起對比。言圖泥1周0招鋁廠隧道德DK781+蓄770究掌子面上探查矮前方斷層及巖電溶作R1申—訴大溶洞戒R2艦—販在隧底下的溶甜洞脂F(xiàn)1升、系F2團—驅斷層宗Z尿—耕隧道另一端掌請子面賄[沃例字6]賊南昆鐵路羊寨批隧道掌子面前屠方的氣巖溶脊探查（見附表怪）爸羊寨隧道穿過滅三疊系灰?guī)r，歪有多段巖溶發(fā)補育地段，開挖堪時曾發(fā)生過溶垂洞泥坍方。在役此隧道縫的倘4摩個工區(qū)嬌用頃“叛陸地聲納榨法碧”翅作了探查預報蹦。廉(傅1)周進口端夏的悅3程個工區(qū)釣（汁DK538+鞏65垂1怠、規(guī)DK539+稍56亡0偵、尺DK539+幻70流3肯）各作了探查蘿預報，預報距既離最曉大壇9樣0歇余米，堵未發(fā)現(xiàn)溶洞和鋼較大的斷層逮。開挖與預報快一致。廟(陽2)間出口王端絹DK539+昏51江0但在掌子面上向略進口方向作了群預報探查，辨發(fā)現(xiàn)了斷層和踢巖溶旺后，解在緣+494架.紙5纖掌子面作了涌第邀2抹次探查，它票與才+51絲0管的資料對比，蛛圖像的反映完貫全一致。探查責距離港150m掩左右，預報距挨離棗90m遞左右。愁圖址11寨添羊寨隧道杜DK539+蹄770握掌子面作前方輪不良地質預報濫資料及開挖反啄饋對比梢F1恨、鍬F2恨—中斷層轉F3鉗斷層加小溶洞唱（開挖后觀察亞邊墻有溶蝕嚴鍋重的斷裂面剝）姨陰乘F4忌—鍋小斷層有直徑游約辟0老。父5機米捉的小溶洞（開嘴挖后觀察邊墻陶有斷層、有溶幟蝕）古開挖后觀察結刑果與預報結果歉基本吻合。由擁于預報中沒有檔嚴重的不良地徒質，施工時不育需作重要調(diào)整薄。施工單位是駛在預報范圍開崇挖一段時間后勺再在隧道內(nèi)觀色察丈量的，故鬧在隧道中的小丹溶洞開挖爆破異出渣后即無法物查明，僅能記情錄側墻的斷裂幟及溶蝕情況。辨反饋資料表明白：除預報意的稱+43寬9三～饑+43霞4紀一小斷層未見全，預報盼的悔+45吵1陪前后的小斷層本及域0.5m孔左右直徑的小蕩溶洞開挖里程手差肯5m葵外，其余預報可皆與開挖完全邁相符。震圖訓1抱1杰是其中一張預組報剖面圖像及紗預報與開挖反占饋的對比圖。拴[道例因7]索宜萬鐵路八字杜嶺隧道勾溶縫販的探查倉隧道出口屬淺丑埋，穿過灰?guī)r重，出口橫通道扇一開挖即遇到構溶縫，溶縫的茂寬度拘0.5m鄙到覺3擊～葡4m炊。陸地聲納發(fā)框現(xiàn)前提方皇10芽0恒余米范圍內(nèi)直諸到正洞有多條數(shù)溶縫槽及幾處這破碎巖體，川圖每1懇2喚為探查資料、誠預報結論及開他挖結果對比。葬圖滲12長爛八字嶺隧道陸冠地聲納探查恒前方溶縫及開鴨挖反饋洪[些例聚8]漫滬蓉西高速公今路齊岳山隧道陵右洞粥暗河占預報劉。宿氏齊岳山隧道巖栽溶發(fā)育，在地乒質預報過程中兄，于允ZK232+想140近掌子面的預報售時發(fā)現(xiàn)了暗河似，汗預報在礦+190貧，有大溶洞橫穗穿隧道，其前蜻壁里程為鬧+19窮0傳～微+202北，暗河頂在隧進道底部；在繼＋象25次6矮至墊＋咬27球4喂處有中小溶洞丑的反映，因超辰出預報距離，勻對暗河后壁里房程未作明確確逗定。后在隧道懷開挖過預報里