工程物探中常见超前预报方法详解

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工程物探中常见超前预报方法详解

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网易

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在隧道施工过程中，超前地质预报是确保施工安全和效率的关键环节。本文将介绍几种常见的工程物探方法，包括地质编录、TST法和CFC法，重点阐述它们的工作原理、技术特点及应用场景。

隧道介质的物性差异

隧道主要介质包括围岩、水和空气。这些介质具有不同的物理特性：

空气：电阻率最大，介电常数最小（一般为1），电磁波速最高且衰减最小，地震波波速最小（纵波波速一般为340m/s）。
水：介电常数最大（一般为81），电磁波速最低，地震波波速较小（纵波波速一般为1430～1590 m/s）。
干燥围岩：多数属于高阻介质，电磁参数差异不大（介电常数为4～9），电磁波波速中等，地震波波速相差很大（常见范围为 1500～8000 m/s）。

在隧道超前地质预报中，物探方法常以隧道介质的弹性和电性差异为基础。例如，TST预报利用隧道围岩的波阻抗差异，而CFC预报则利用含水岩体电导与电容率增大、波阻抗降低的特性。

常见超前预报方法

1. 地质编录

隧道掌子面地质编录是隧道超前预报中的一项基本方法。其优点包括：

不干扰施工
设备简单
出结果快
预报结果直观
可为全里程隧道提供详细的地质资料

但缺点是对于掌子面前方未开挖的不良地质容易漏报。

2. TST法

TST法（Tunnel Seismic Tomography）基于地震波反射原理。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，另一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。通过地震波软件处理，可以了解隧道工作面前方不良地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等）和位置及规模。

TST系统硬件主要包括地震信号采集系统和地震震源两部分。信号采集系统由数字信号记录器、检波器及连接线缆组成；本次预报的震源采用了TDIS编码冲击震源。

图1 TST系统硬件组成示意

TDIS编码冲击震源是一种新型震源，如图2所示。它的工作原理是通过编码控制震源的重复频率，通过相关处理将小能量信号累集成大能量信号，提高信噪比。冲击震源的优点是使用方便，不用打孔，不破坏洞壁。其技术指标如表1所述。

图2 TDIS编码冲击震源

表1 冲击震源参数

本次预报中，冲击震源使用的参数为：重复频率1-8Hz，冲击时间100s，单次冲击次数450，单次冲击能量为12KJ。

3. CFC法

CFC（Complex Frequency Conductivity）是一种新的电磁波探水技术，是复频电导率法的简称。CFC技术以含水岩体电导与电容率增大、波阻抗降低特性为基础，使用100KHz～10MHz频段电磁波进行探测。在含水岩体与干燥岩体接触带电磁波发生反射，依据接收点电磁波的相干特性来实现掌子面前方围岩含水性的预测。

CFC技术使用中频率电磁波，中心频率为1MHz，主频段为200kHz至10MHz。电磁波的波长在10到500m之间，波长等于探测距离。由于电磁波一个周期还没有传播完，反射波就回来了，分析方法不能像地质雷达那样通过反射波的传播时间来确定反射界面的位置。利用中频探测时，入射和反射的电磁波在空间和时间上是相互干涉，相干的结果在发射点与反射面之间形成驻波，有波腹点与波节点。对于含水界面，反射波具有半波损失，并且波腹的相干条件是从接收点到反射界面的距离是1/4波长的奇数倍，波节点的条件是1/2波长的整数倍。对于不同的频率，波腹、波节点的位置是不同的。也可以说，对于确定的反射界面，不同接收点的相干频率是不同的。在波腹点可得到最强的记录，获得相干频率。利用频率-距离的1/4波长原理，建立起反射波相干频率法。从观测记录中频谱分析的极值点中，可发现接收点位置的相干频率，依据λ/4波长原理，就可获得含水体的位置。相干幅度的大小，反射波的强度，都与含水量相关。