结构面追踪法超前预报

结构面追踪法超前预报

蔡连初

（杭州华东工程检测技术有限公司　杭州　310031）

摘　要　针对掌子面前方的面状构造，充分利用隧洞每个开挖面布置合适的测线，结构面追踪法可精确计算面状构造的出露位置和产状。为了提高预报精确度，应从各方面尽量消除产生误差的因素，注重现场探测工作，提高数据采集质量至关重要。

关键词　超前预报　面状构造　结构面追踪法

1　超前预报方法简介

隧洞掌子面前方地质超前预报一般可分为中长距离预报和短距离预报。中、长距离地质预报物探方法一般采用浅层地震方法。浅层地震反射在工程地质勘探领域应用非常广泛，在隧洞中作为超前地质预报这个比较特殊的应用场合，物探工作者从方法与观测系统的不同角度做了大量的适用性尝试与研究工作，取得了较好的应用效果。目前比较成熟的方法有：负视速度法、水平声波剖面法、陆地声纳法、TSP（隧洞地震反射超前预报）等。这几种方法的基本原理都是浅层地震法，根据人工地震波场的特性，在掌子面前方预报距离可达到100 m以上。

短距离地质预报物探方法一般采用地质雷达和红外探水法。地质雷达属于电磁波物探技术，电磁波通过天线向地下发射，由于断裂、岩溶或其他不良地质现象的存在，改变了岩体结构的完整性，不良地质体与围岩间往往存在较大电性差异，电磁波遇到这些电性差异介面时，将产生反射波和透射波。接收机利用分时采样原理和波列顺序排列的数据组合方式，在显示终端形成时间剖面雷达图像，供解译人员分析。综合考虑地质雷达的天线适用性、短距离预报所要达到的探测深度、对地质体探测的规模和精度要求，采用100 MHz天线较合适，在大多数岩性中地质雷达的预报距离在掌子面前方可达到30 m。

红外探水法是专门针对大量地下水突然涌出而采用的一种超前预报方法。地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化，探测掌子面或洞壁四周这种变化，可以推测是否有隐伏的含水体。该方法测量快速，施工干扰小，有较高的定性判别准确率，但无法预报水量和含水体具体前方位置等定量指标，适用于判断掌子面附近可疑地质体是否含水，是一种辅助预报手段。

就目前超前预报应用现状而言，兼顾中长距离宏观预报和短距离精确预报，在隧洞中TSP和地质雷达是比较适用而应用更广泛的两种方法。

2　结构面追踪法

TSP和地质雷达的一个共同特点就是利用地质构造对波场的反射来追踪、捕捉地质体的空间信息和物理属性，通过对反射信息的深入研究进而对地质体进行定性与定量的分析与计算。

掌子面前方的地质构造按规模大小可以大致分为两类：相对于掌子面而言延伸不太远的体积构造和延伸范围大的面状构造，规模较大的体积构造可视为多个面状构造。对于掌子面前方将被揭露的体积构造，使用地质雷达尚可在掌子面通过布置多条测线，对构造体面向掌子面一侧的顶点进行空间定位，并可大致估算其延伸范围和大小，而使用TSP方法则难以探测此类小范围的体积构造。下面着重讨论在大范围内存在的面状构造。

图1　结构面追踪探测示意图

如图1所示，结构面在隧洞已开挖区域前方与隧洞相交，按照平面反射原理，只有结构面的法平面通过测线的点的反射信号才能被接收，使用收发一体的地质雷达在开挖区域布置的测线Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ均不能探测结构面与隧洞的实际相交区域，其“反射线”分别是AB，CD，AE，而TSP采用收发变距测量方式，“反射线”长度相对测线长度更小，与相交区域的距离更远，这是反射类物探方法的特点，虽然不能直接接收来自相交区域的地质信息，但有了同在一个结构面上的其他范围内的波场反射信号，足可籍此计算掌子面前方将被揭露的结构面的产状，并进一步推测此结构面的地质特征，评估其地质灾害程度，即依据AB，CD，AE的反射信息对相交区域做出超前预报。

随着掌子面向前推进，掌子面与结构面的距离越来越近，对测线Ⅰ和Ⅱ连续多次追踪探测，使每次测线均首尾相接，则每次所探测到的最前端点A和C越来越接近“相交区域”，也就越能反映“相交区域”的真实情况，在掌子面与结构面的距离足够近时做出适时的预报。此方法主要是通过隧洞底板和边墙测线从较远的位置开始追踪结构面的走向趋势，逐步修正探测结果，最终达到较精确的预报水平，可称之为结构面追踪法超前预报，更适合于短距离的地质雷达探测方法。

图2　同相轴延伸计算示意图

3　结构面反演

为了对“相交区域”做出准确预报，至少需要计算以下参数：相交区域上的一个点、结构面的走向、倾角以及倾向。

测线Ⅰ的雷达图像如图2所示。在图像中可明显分辨反射同相轴BA，将BA延伸，和测线Ⅰ的延长线相交于O。假定在小范围内，产生雷达波反射的结构面为不发生偏转的平面，则O点就是结构面在测线前方将要被揭露的位置。

测线与同相轴的夹角为θ，测线与结构面的真夹角为α₁，则α₁和θ有如下关系：

同样也可以根据雷达反射同相轴求出测线Ⅲ与结构面的夹角α₃，预知测线Ⅰ的方位角γ，则结构面的走向为：

结构面的倾角为：

将测线Ⅱ和Ⅰ的反射信号进行对比，即可推测结构面的倾向。

4　误差分析

结构面将在掌子面前方什么位置出露对于预报结果至关重要，结构面追踪法对出露点的计算是根据结构面的延伸趋势推算而得，受各种客观因素的影响，必然存在一定误差，研究误差因子，可为提高预报精度指明方向。

如图2所示，从结构面将要在掌子面前方即将出露的角度考虑，假定结构面最先出露点O到掌子面的实际距离F_O为X，结构面与测线的真实夹角为α，则F_O的计算值为：

式中，v为岩石中电磁波的真实速度；c为真空中电磁波速度；ε_r为岩石相对介电常数的取值；O点的计算误差为：

分析式（5），决定预报偏差Δx的因素有两个：

①同相轴与测线的夹角θ。

②结构面在掌子面前方的距离X。

使θ产生误差有两个方面的原因：一是对同相轴的勾画存在人为偏差，二是介电常数的取值与岩石的真实介电常数之间有偏差。

因此，为了减少结构面出露位置的偏差，提高预报精度，应注意以下几点：

①测线Ⅰ应尽量探测足够长度的反射信号，使反射同相轴尽量清晰可辨且延伸趋势明显，认真细致勾画同相轴。

②实地测试岩石的介电常数，掌握介电常数与围岩类别、含水率、裂隙发育程度等各因素的相互关系，处理雷达图像时选取合适的介电常数。

③由于Δx与X成正比，掌子面越靠近结构面，预报误差越小。因此在提高预报精确度与满足预报及时性之间应找到合适的平衡点。

④式（5）中θ与α成正相关关系，而θ的取值存在人为偶然误差因素，α越小，由θ引起的误差Δx越大。因此，当遇到与轴向测线夹角较小的结构面时，其预报精度势必降低，此时应适当加大警报范围。

⑤准确测量隧洞桩号、测线的长度和起止位置。

5　经验总结

TSP和地质雷达都可利用结构面追踪法预报掌子面前方的面状构造，实践证明这是行之有效的解释方法，特别是对于短距离的雷达预报方法，能达到较高的解释精度。

为了能够有效追踪结构面，应充分利用隧洞空间布置测线，两侧边墙测线适宜探测陡倾角结构面，底板和拱顶测线适宜探测缓倾角结构面；受天线发射角限制，掌子面测线难以探测与隧洞轴线夹角角小的结构面，则应在隧洞的某个开挖面上针对结构面布置多条测线，才能联合求解结构面产状；对于洞径较大的隧洞，除了布置水平测线外，还可增加竖直方向的测线。

由误差分析可知，当结构面与隧洞轴向夹角较小时，容易引起较大的误差，故TSP的处理软件中一般都把夹角小于某个数值的结构面实施过滤而不予考虑，就是因其误差太大达不到准确预报的要求。

参考文献

［1］曾昭发，等．探地雷达方法原理及应用［M］．北京：科学出版社，2006．