瞬态面波勘探技术在隧道超前预报中的应用展望.pdf

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1、盆竖◎塑幽型缝麓型!墨望簋塾茹瞬态面波勘探技术在隧道超前预报中的应用展望康金盛(广东省核工业地质局二九二大队，广东河源517001)摘要：本文阐述了瞬态面波勘探的原理和方法，并通过工程实例，对瞬态面波勘探技术在隧道超前预报中的应用作了理性的探讨。关键词：瞬态面波；频散特性；隧道；超前预报中图分类号：U452．1文献标识码：B文章编号：1672—4011(2010)01—0150—021前言在公路隧道的建设过程中，经常会遇到掌子面前方存在着各种各样的不良地质现象，如“非均匀地质条件、地质破碎区、Karst洞穴地质区、含水地层、软弱地层”等等。如果在隧道施工过程中不进行超前预报的话，则

2、会导致各种严重问题，如“塌方、沉陷、坍塌、涌水”等，从而造成增加停工费用、人员和设备伤害、影响进度和形象等问题。如果能够进行有效的隧道超前预报，就能够有效避免工程地质病害、降低施工风险，确保施工安全和进度，减少处理费用，保障业主和投资者的利益。因此隧道超前预报技术已被广泛应用于隧道施工过程中。目前隧道超前预报常用的手段有物探及钻探方法，其中常用的物探方法有：TSP地震反射法、GPR探地雷达法、高密度电法、跨孔地震CT成像法等等。多道瞬态面波法(以下简称面波法)是一种新兴的岩土测试勘察技术，利用面波在不均匀介质中传播的频散特性和传播速度与岩土物理力学性质的相关性可以解决诸多工程地质问

3、题。面波勘探方法在公路路基、建筑场地勘察中已得到广泛的应用，特别是在勘探地下软弱地层、土洞等不良地质体方面取得了较好的勘探效果。作为一·种尝试，面波勘探技术在广东梅(州)河(源)高速公路某隧道的坍塌体勘察中取得了令人满意的效果。该隧道全长700m，围岩主要由碳质粉砂岩、细砂岩、碳质页岩、煤矸石与煤互层等组成。围岩裂隙发育，岩体破碎，软弱夹层较多。该隧道左线出口端在施工到I．K4+063时，已初衬的洞体发生坍塌，已施工的部分洞体被坍塌物全部堵塞。为查明坍塌体向内的分布范围，在坍塌物形成的掌子面处利用面波勘探技术对坍塌体进行了探测，取得了较好的勘察效果。2瞬态面波勘探的基本原理及工作方

4、法2．1基本原理面波是指在弹性分界面处由于波的干涉而产生，并且沿界面传播，波动现象集中在界面附近的一种弹性波，其具有以下几种主要特性。(1)在均匀介质条件下，面波的传播速度v。与其振动频率f(即与面波的波长入。)无关，即面波在均匀介质中传播没有频散性。与此相对应，在不均匀介质中，面波的传播速度V。是频率f的函数，即面波在非均匀介质中具有频散特性。在均匀介质中无频散性和不均匀介质中具频散特性是面波勘探的物理基础。(2)在多层介质中，面波具有明显的频散特性。面波沿地面表层传播，影响表层的深度约为一个波长，因此同一波长面波的传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况，不同波长的面波的传播

5、特性反映着不同深度的地质情况。(3)面波的水平和垂直振幅从弹性介质的表面向内部呈指数减小，大部分能量集中在一个波长的深度范围内，即认为面波的穿透深度约为一个波长。(4)面波波速近似等于横波波速，并具有相关性，因此面波波速与介质的物理力学性质密切相关。瑞利波速和横波波速的关系为：1～Vs2矿丽≮平瓦¨(”为泊松比)(1)当可从0．25至0．5时，Vr／Vs从0．92至0．95。由此可将瑞利波波速换算成横波波速。面波的野外采集，是在地面上沿波的传播方向，以一定的道间距Ax设置N+1个检波器，就可以检测到面波在NAx长度范围内的传播过程(见图1)。图1瑞雷波测试原理图设面波的频率为f，相

6、邻检波器记录的面波的时问差为△f(或相位差为△西)，则相邻道缸长度内瑞雷波的传播速度为：‰=象或％=警(2)测量范围NAx内平均波速为：％：驾堕或‰：毕(3)∑at。∑△(；b。在同一地段测量出一系列频率对应的Vr值，就可以得到一条Vr～f．曲线，即所谓的频散曲线，频散曲线的变化规律与地下地质条件存在着内在联系，通过对频散曲线进行反演解释，可得到地下某一深度范围内的瑞雷波传播速度vr值，Vr值的大小与介质的物理特性有关，据此可对岩土的物理性质做出评价。2．2工作方法本次面波勘探采用的地震仪为美国Geometrics公司的R24地震仪，检波器采用1Hz的面波勘探专用低频检波器，测线沿

7、掌子面横向布设，道问距1m，‘偏移距3m，采样间隔为0．5ms，采样长度为1024ms。激发采用24磅重锤敲击震源。3资料处理及解释第20。l。o卷年，纛是巍．◎’Sichuan伊BuIIJildi芝ng材Ma纪一砒二，辫2．月根据采集的面波资料，利用专业的面波勘察反演软件．．．“SWS系统，，反演出的频散曲线见图24结束语烈}习产刁图2反演出频散曲线图2三条频散曲线反映的分别是掌子面后方“左、中、右”部位的坍塌物填埋情况。从反演得到的三条频散曲线分析，其特征及解释如