钟世航1、3 孙宏志2 李术才3 冉懋鸽4 单治钢5 王荣6
（1中国铁道科学研究院 北京 100081，2中国矿业大学北京研究生部 北京 100080，3 2山东大学 济南250031,4 二滩公司 成都，水电开发有限公司，成都，610031 5华东勘测设计研究院，杭州，310014，6钟世航工作室 北京 102249）
摘要 经十余年的不断进展，特别是2003年以后，国家有关部门的重视和你支持，在探查预报隧道掌子面前方断层、破碎带、溶洞、暗河、地下水等方面有较大进展，以陆地声纳法、瞬变电磁法和坛地雷达组合的成套方法技术，在断层的空间定位、探查地下水、探查溶洞、暗河等方面理论研究和实测预报中均取得了好效果。
关键词 隧道 探查 预报 陆地声纳 孙变电磁 探地雷达
The New Progress About Survey Faults, Karst Caverns and Underground Water from Working Face of a Tunnel
-- Changing the Hidden Dengerto Clear Alarm, Wiping out the dangerous before Occurring --
ZHONG Shihang1,3 SUN Hongzhi2 LI Shucai3 RAN Maoge4 SHAN Zhigang5 WANG Rong6
( 1.China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, 2.China University of Mining technology, Beijing 100080, Beijing 102249, 3.Shandong University, Jinan，250061,4.Ertan Hydropower Development Company, Chengdu,610031, 5.East China Investigation & Design Institute State Power Corporation of China,Hangzhou,310014 6.Zhong Shihang Working Office,Beijing,102249)
Abstract Pass through over the years, specially after 2003 under great support from country administration, Great progress have made on survey and forecast faults, underground rivers, karst caverns and underground water in construction of a tunnel. Combination of Landsonar method and method of Transient Eelectromagnetic method (TEM) and georadar have got good effects on determining tree-dimensional space location of faults, survey underground water, karst caverns etc..
Keywords Tunnel, Survey, Forecasting, Landsonar, transient Eelectromagnetic method, Georadar
1 前言
隧道和地下工程是高风险的工程，存在大量地质和施工的未知数，设计前是不可能将隧道开挖标高上的地质情况查清的。于是施工时坍方、溶洞、暗河、涌水、涌泥时有发生。近几年，每年完成的铁路、公路隧道达
1990年可行性研究通过铁道部组织的评审，“隧道施工时掌子面前方不良地质预报”列为不重点科研项目。这是国内外第1个对此难题进行系统全面的研究，1991年至95年铁道部组织了11个单位、设了6个子课题，经过5年的攻关，最终选定地震反射负视速度法（后又称隧道VSP）和陆地声纳作为主要方法，探地雷达等作为辅助方法。第2阶段由负视速度法和陆地声纳法各为龙头，分成两组。对南昆铁路隧道作实测预报，前者以断层预报为主，后者以断层和溶洞预报为主，均取得了全部预报成功，项目获南昆线一等奖。攻关成果1995年通过铁道部鉴定。当时因各种原因未将探水作为内容，但做了前期研究。
90年代中期，水利水电、煤炭系统研究或使用了探地雷达预报、李学军等研究了电阻率法、激发极化法预报，瑞士推出TSP、日本推出HSP。
2000年后交通、能源基本建设大量投资，大量工程建在中、西部，地质复杂，岩溶、突水突泥问题严重。“隧道施工时掌子面前方不良地质预报”问题再次引起关注。钟世航开始研究推广用探地雷达在应急的探水手段，并将陆地声纳的方法和仪器研究、发展上一个台阶；2002年，李貅和钟世航开始研究用瞬变电磁法作为主要的探水手段；2005年赵永贵引进和试验美国TRT法……
国家的重视更大地促进系统的研究。2003年-2005年“隧道施工时掌子面前方不良地质预报瞬变电磁法研究”列为陕西省交通科研项目，2005年12月国家自然科学基金重点项目“高压大流量岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报和治理”课题开题。超前预报部分物探技术以重点研究开发陆地声纳法、瞬变电磁法和探地雷达为主；2007年6月，国家高技术研究发展计划（863计划）的重大交通基础设施核心技术“隧道施工期大涌水等地质灾害超前实时预报系统与装备”完成招标审查，课题物探部分为陆地声纳法、瞬变电磁法和复合激发极化法；2007年8月，国家自然科学基金装备专项的“复合激发极化法仪器和设备研究”通过立项评审。
积17年的埋头工作，目前，在断层破碎带、溶洞、暗河、地下水等的探查预报方面已有
可喜的成效。
2 对物探预报手段的要求
2.1 综合物探要达到的目标：
（1）应当基本不遗漏掌子面前方及周边至少1/2隧道跨度范围内的重大隐患，包括断层、破碎带、强风化岩脉、溶洞、溶管、暗河、溶槽溶沟、大中涌水体等；
（2）对预报的地质体空间定位要有足够的精度，误差应 ＜ 5%；
（3）要能对涌水量作出定量或半定量的估算。
（4）要能预报岩体的破碎或完好情况。
（5）要适应TBM（全断面掘进机）和钻爆法的施工。
（6）要少占用开挖时间，少干扰施工。
2.2 对每一种物探方法的要求
（1）要有特长，在综合物探系统中要能独挡一面，例如弹性波类方法主要要探查断层、破碎带、溶洞等，并能准确定位，能对岩体破碎和完整程度给于一定判定；电磁类方法主要探查含水层；激发极化类方法要能区分含水泥砂、淤泥或自由流动的水，并判定涌水量。
（2）要探查一定远的距离，与开挖速度相适应。一般来讲，主力方法应能探查
（3）要能较准确地作被探查地质体的空间定位。
（4）现场采集时间短，停止掌子面施工工作不超过1小时，对边墙施工干扰不超过2小时。
3 进展
3.1 弹性波反射系列方法预报方法
目前，弹性波反射系列的方法，已投入应用的如地震反射负视速度法（隧道VSP）、陆地声纳法（极小偏移距超宽频带弹性波反射单道连续剖面）、水平声波法、TSP、日本HSP、美国提出的TRT等，它们或在隧道边墙钻孔设检波器和用炸药爆炸激振,接收反射波来探查,或在掌子面上用锤击激振并设检波器接收反射波(陆地声纳法),在探查断层、破碎带、岩脉等方面，都基本上能作为可投入实用的方法应用。陆地声纳法还可以探查单个的中小溶洞，在探查岩溶方面发挥了作用。它们都能作
计算距离。其中 L为反射点的距离 t为测得的反射波的走时
但是当反射面不平行掌子面时，这些方法仅能测出第一个反射面以近岩体的波速，尚测不出第2层、第3层的岩体波速。目前均用实测的第1层波速作定量计算。因此，当预报距离较远时，对反射面的定位误差就较大。设法测量各层波速，是要研究攻克的课题。同时，所测的反射面是与弹性波射线垂直的面，而不是掌子面正前方的面，需要通过作图将所测面延伸到隧道掌子面前方。探测距离越远，误差越大，干扰越多，错误率越高。
陆地声纳法是“陆上极小偏移距超宽带弹性波反射超短余震接收系统单点连续剖面法”的简称。不需打孔、不需放炮，安全简便。其工作方法和特点是：
（1）在隧道掌子面上设测量剖面，剖面上每
（2）用锤激震源以及检波器和仪器结合，可激发和接收从10Hz～4000Hz的波，然后可通过分窗口带通滤波提取不同频段的反射波，高频段的反射波可反映薄层和大节理等和小溶洞，低频段的反射波可反映较大的断层、较厚的岩脉、岩层和大溶洞，通过不同频段反射的图象对比，可以分辨不同的不良地质体；
（3）作为极小偏移距（震-检距）的方法，反射波是续至波，故可避开直达波、声波、面波的干扰，而且不仅可探查断层等近似平面型的物体，还可探查溶洞等有限大小地质体；由于全信息的采集，还可根据频谱测出断层影响破碎带的范围。
（4）陆地声纳法是从经典的物探方法中发展出来的方法，基本上遵循物探的物探方法近80年发展总结的基本原则。例如重视正演的研究（即通过数值计算和模拟、物理模拟、得出探查的各种对象探查资料的典型图像，以便在实际工作中得到理论指导），课题作了大量的正演研究。
图1 球体的物理模拟图像
Fig.1 Image of physics simulation under a spheroid
图2 上下2球体的数值模拟图像
Fig.2 Image of numerical simulation under 2 spheroid
弹性波类方法有较高的定位定量精度，波速可以和岩体完整程度和密度相联系，探测距离较长。但反射类方法波的反射点，通常都不在掌子面正前方，作时深转化后得到的是测点到反射面的距离，要作偏移，才能准确确定反射体的空间位置。目前的问题是，如何提高定位精度。
要得到一个物体3维座标的空间定位，需要3维的采集数据。陆地声纳法在掌子面上布置水平和铅垂向测线各一条，加上边墙的采集数据，是2.5维的采集，作反射面的空间定位：水平向的剖面可反映反射面和水平测线的夹角，可计算其走向；铅垂向剖面可反映反射面的倾向、倾角。
定位精度的关键参数是波速。目前大部分弹性波反射类方法都是在隧道边墙利用折射波法测第一个主反射面以近岩体的波速。当反射面不平行掌子面时,便得不到第2层、第3层岩体波速。一般来讲，只有测点在三维空间布置，才能实测并解出各层波速并对反射面的空间位置较正确定位。目前陆地声纳法,将边墙测波速的小折射波测点改成几个零震-检距的测点，即可和掌子面上原布置的水平和铅垂向剖面上的测点结合,根据测得的反射时通过迭代求出各层波速，或通过建模计算解算出波速及各反射面空间参数。目前正在编程及现场试验中。设法利用横波和横波速度，将是弹性波法的一个跃进。陆地声纳法已从采集的数据中分离出了横波，正在进一步工作中。
[例1] 潭峪沟隧道断层破碎带的掌子面前方预报
图3是北京潭峪沟隧道的预报时间剖面及预报地质剖面图，从图中可以清晰地看到可连续追踪的断层的两组反射同相轴，以及延续不长的断层影响破碎带内的密集的大节理的图像。
图3 潭峪沟隧道掌子面前方断层破碎带预的时间剖面
Fig.3 The time-section of Landsonar to survey and forecast faults in Tanyugou tunnel
[例2] 德胜口隧道掌子面前方地质预报报告
隧道在北京，对地质预报要求严格，要求对断层的位置较准确预报，并预报溶洞的存在及在隧道掌子面前方的位置。施工中每100～
图4 德胜口隧道 ZK34+113掌子面陆地声纳时间剖
Fig,4 The time-section of Landsonar on working face ZK34+
图5 根据图5所做的预报结果
Fig.5 The forecasting result on the basis of data
如前所述，陆地声纳法所使用的频率以及近零震检距的工作方法适于探查溶洞、暗河的。有很的探查实例，本节仅介绍沪蓉西高速公路齐岳山隧道探查预报暗河、溶管一例。与岩溶裂隙水预报有关的实例在后面将做介绍。
[例3] 沪蓉西高速公路齐岳山隧道左洞暗河的探查预报
图6为在ZK232+140掌子面测得的陆地声纳法时间剖面，可以看到在前方50～
图6 齐岳山隧道左洞ZK232+140探查预报陆地声纳时间剖面及预报、揭露暗河照片
Fig.6 The time-section fo Landsonar for survey and forecast on working face ZK232+
3.2 瞬变电磁法
2002年开始研究将地面勘查的方法转用于隧道中探查预报几
通过给予靠近掌子面的线圈1个电脉冲产生电磁波，电磁波使岩体内的含水层等低电阻体发生感应，产生感应涡流，此感应涡流产生感应电磁场。感应电磁场向掌子面方向传播，由掌子面上布置的探头接收经数据处理后在视电阻率剖面图上呈低电阻反映；感应电磁场又可感应更深部的含水层产生感应涡流和感应电磁场。
[例4] 长凼子隧道溶洞水的探查
图7为在平导向正洞的探查结果，可清晰地看到反映溶洞中充水的低电阻异常，预报结果与正洞开挖揭露出水的实际情况完全吻合。
图7 长凼子隧道瞬变电磁探水视电阻率剖面（左）及预报和开挖结果对比（右）
Fig.7 Contour of map appaent resistivity of TEM for survey underground water And forecasts result
[例5] 锦屏二级电站辅助洞预报
在锦屏二级电站辅助洞做了实测预报，例如在A洞AK11+843 掌子面预报了前方含水裂隙，与开挖情况对比吻合（见下表）。
• AK11+843 瞬变电磁超前地质预报与开挖对比
|
• TEM推断预报结果 |
开挖结果 |
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• AK11+822，充水裂隙 |
• AK11+820，充水裂隙 |
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• AK11+812，充水裂隙 |
• AK11+810，充水裂隙 |
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• AK11+806，充水裂隙 |
• AK11+805，充水裂隙 |
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• AK11+793，充水裂隙 |
• AK11+790，充水裂隙 |
图8 AK11+843 掌子面瞬变电磁法探水视电阻率剖面（左）及视纵向电导微分成像图（右）
Fig.8 Image of survey of TEM on working face AK11+843
3.3 探地雷达
探地雷达是目前隧道地质预报探水的最主要手段，但在应用中大部分反映效果不好。究其原因是生产厂商的说明书和许多文章对雷达波在岩体中传播的理论认知上有一些欠缺，因此对探查地下水时资料处理和判释方面的原则未完全掌握。为此作者对探查地下水时雷达波的传播和反射的基本理论做了研究和公式推导。得到3条基本判释原则：
①雷达波对水和含水率高的介质的反射强烈，反射波强度大；
②雷达波从其它介质到含水层界面的反射波相位与入射波相反;
③雷达波通过含水体后，高频成分被吸收，反射波的优势频率降低。
作者还对现场采集时的避免干扰、处理资料使得技巧等做了研究。
[例6] 锦屏二级电站辅助洞已知条件下的实测实验
在A洞与8横通道交叉点AK12+785向已知出水点方向探查，按上述3个原则圈定的含水裂隙位置与A洞的出水点吻合。
图9 探地雷达时间剖面及出水点对比
Fig.9 Contrast between time-section of Georadar and points of putting underground water
图1 无水处（左）与有水测点频谱分析曲线
Fig.10 Curves of frequency spectrum analyze on non-water points(left) and putting water points (right)
[ 例7] 锦屏二级电站AK11+447掌子面雷达探水（经开挖证实）
图11 AK11+447掌子面时间剖面
Fig.11 The time-section of Georadar on working face AK11+447
3.4 岩溶裂隙水的探查预报及2种方法组合的探查
对岩溶的。特别是对岩溶裂隙水的预报，首先是要掌握岩溶裂隙水的发育规律。岩溶地质学在研究岩溶发育规律时，多从宏观方面去把握。但做隧道中岩溶裂隙水的预报则需要从细观方面作更多的研究，作者通过锦屏一、二级电站深部岩溶裂隙水的研究，得到了以下新的认识：
①如果汇水标高低于工程标高，即使在古溶蚀面标高以下，在工程施工范围就有可能发育岩溶，其规模的大小则与构造、岩性、新构造运动发育和河流切割有关。
②涌水段不仅受控于岩性、构造与地下水动力条件，而且与岩石的成分和构造有关。即使岩性相同，但成分和岩石构造有差别，岩溶裂隙水的发育也会有大差别；
③裂隙组中发育小溶洞、有一定宽度溶隙者会导引集中裂隙水，使这组裂隙发生较大涌水。
其中第③条为为岩溶裂隙水的探查预报指出了1个方向，即要侧重探查在裂隙组中的小溶洞或溶隙。
[例8] 锦屏二级电站辅助洞A洞与7-2横通道交叉点AK12+585探查导水岩溶裂隙及导水的小溶洞、溶隙
这是在A洞边墙已知大涌水点位置，探查岩体中导水岩溶裂隙及导水的小溶洞、溶隙的重要实验，实测结果为前述认识③提供了重要证明资料。 图12时间剖面图中反映了多组裂隙和3个与3组裂隙的组合，而这3组组合正与A洞发生大涌水的裂隙一致。这也反映了陆地声纳法探查预报岩溶裂隙水的潜能。
图12 AK12+585陆地声纳法时间剖面反映裂隙组与小溶洞及A洞大涌水点的对比
Fig.12 Contrast between fissures groups and small karst caverns reflected time-section of Landsonar and great putting water points
[例9]陆地声纳发探查小溶洞的能力——大岭后隧道
据观察，引起地下水集中产生裂隙组涌水的小溶洞小者仅
左51+711的探查预报给予了说明。图14的陆地声纳时间剖面上在约38ms左侧反映了1个小洞，计算在约
图13 北京大岭后隧道左51+711采集的陆地声纳法时间剖面及开挖时在+795掌子面上出露的小溶洞
Fig.13 Time-section of Landsonar on working face K51+711 and a small karst caverns on working face K51+795
[例10] 陆地声纳与瞬变电磁法组合探查充泥溶蚀裂隙
图14介绍了宜万铁路八字岭隧道进口正洞DK103+456掌子面上瞬变电磁法与陆地声纳法联合探查岩溶裂隙的资料，左图为瞬变电磁法所测的视电阻率剖面，可以看到近
在锦屏二级电站辅助洞A洞AK10+750前后，开挖时发生了突泥。事后用陆地声纳法和瞬变电磁法结合探查了隧底下方的充泥溶槽位置及溶洞，得到了好效果。
图14 八字岭隧道瞬变电磁法探查的视电阻率剖面（左）和两种方法探查结果对比(右)
Fig.14 Map appaent resistivity of TEM(left) and contrast of results between TEM and Landshonar (right)
[例11] 陆地声纳与探地雷达组合探查预报小溶洞、溶隙及出水位置
锦屏二级电站2#引水洞K15+194因出现股水而暂停掘进，做前方水情探查预报。在掌子面附近发现若干20～
4 物探与地质的结合及补充地面地质勘探
没有一种物探方法可以解决所有的问题,各种方法的资料都有多解性。因此,几种物探方法综合应用是必要的。综合物探也是地面复杂情况下物探应用的一个原则。但方法的选择应当少而精，方法的选择要互补，主要注意各方法使用的参数互补。
隧道地质预报是隧道施工地质的一个环节。隧道施工还有许多地质工作，如掌子面地质素描、开挖暴露的不良地质体调查测绘、掌子面附近不稳定岩块的判定等。物探工作是地质预报的一个重要内容,必须与地质工作紧密结合,特别要注意资料的地质解释,也要注意开挖后的及时反馈，并据此作必要的校正,注意不断的实践—认识—再实践—再认识…
完全依靠隧道中的预报也是不合理的。例如在隧道上方几十米或百米之上若有地下暗河，暗河的水可能通过岩溶裂隙与隧道穿过的岩溶裂隙连通。在这种情况下隧道中的预报探查只能探查到掌子面前方的岩溶裂隙。如果在勘测阶段对暗河的探查结果未能满足施工需要，则应当补充地面勘探工作,将补充的地面勘查和隧道中探查相结合，作综合分析。
5 小结
陆地声纳与瞬变电磁法结合形成隧道施工地质预报的优秀方法组合，陆地声纳法可做断层、溶洞的3维空间定位，并在探查百米左右的中小溶洞和暗河方面表现了其优点；在突破了测定多层波速的难题后，更显出其优点。瞬变电磁法可探查几
本文成果得国家科研项目资助①50539080国家自然科学基金重点项目“隧道高压大流量岩溶裂隙水与不良地质超前预报和治理”的资助。②2007AA11Z131国家863计划“隧道施工期大涌水等地质灾害超前实时预报系统与装备”。
参考文献
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［4］钟世航、孙宏志、王荣、李术才等，隧道施工掌子面前方地质预报应遵循的原则探讨，中国铁道学会、中国土木工程学会、茅以升科技教育基金会、西南交通大学编：中国交通土建工程学术会议论文集（2006），成都，西南交通大学出版社，2006：142-146
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［7］钟世航、孙宏志、李术才、王荣，陆地声纳法在隧道施工时预报断层、溶洞的效果，隧道建设2007增刊：21-25暗河、溶洞的一个成功实例，工程物探，2007.No.2
［8］钟世航、李术才、王荣,探地雷达在隧道地质预报探水中的几个问题, 中国地球物理学会编:中国地球物理2007,青岛，中国海洋大学