三维成像技术在工程物探勘测中的应用

摘 要：成像技术由构造成像向层序成像和岩石物理成像发展。但是，物探技术在各领域的应用也很不均衡，一些先进的物探设备和物探技术主要应用在油气、煤炭等资源勘探领域，三维成像技术已在这些领域得到广泛应用和长足发展，并开始了四维勘探等新课题的研究。文章以实例分析了三维成像技术在工程物探勘测中的应用。

关键词：三维成像技术；工程物探；勘测；应用

随着物探技术的发展，三维物探成像技术以其能形象、直观的反映出地下介质的形态和空间展布优势，已广泛应用在油气、煤炭勘探领域，而水电、铁路、城市建设等工程物探领域尚处于二维成像阶段，研究和探索三维成像技术在工程物探中的应用，能有效提高工程物探解决实际工程问题的能力。

一、三维成像技术

（一）探测原理

三維成像技术用地震波反射来获得地质状况三维图的原理。以每个震源和地震信号传感器组的位置为焦点，与所有可能产生回波的反射体可以确定一个椭球，会形成一个三维数组，每个界面或者反射的地层位置可以由这些众多椭球的交汇区域所确定。

（二）数据采集

系统由触发器、传感器、无线远程数据收集模块、基站、主机（专用笔记本）及处理软件等部分组成。数据采集时根据需要在不同的部位共安装了10个传感器，在距离最后一个点10m处开始布置，左右边墙各4个，每隔5 m（里程方向）布置一个，隧道中心线拱顶处布置2个。在掌子面两侧布置点，两侧各布置2组，每组沿竖向（高程方向）布置3个点，每个点高差大约1m，两组间隔2113（里程方向），对震源点锤击触发，采集数据，每个测点采集3次，并且要求每次采集到的波形相似，得到的数据使用专用软件进行处理。

二、实例探测分析与验证

（一）工程概况

某隧道全长1870m，采用钻爆法施工，隧址区属构造剥蚀中山地貌，地形起伏较大，自然坡度15°-40°，局部较陡；地面高程1545-1694m，相对高差约129m；地表多为植被和第四系残积、坡积松散堆积物覆盖，基岩零星出露，下伏基岩主要为侏罗系上统坝注路组泥岩夹砂岩，节理裂隙发育，岩体破碎，基岩全风化和强风化带厚度较大，段内地下水主要为基岩裂隙水，在接近隧道走线的地表沟谷中有常年流水（枯水期），流量大约为1L/s，地表水和地下水无侵蚀性，不良地质为断层破碎带与隧道走线相交。

（二）三维成像技术探测与分析

使用系统对尖山岭隧道进行超前地质预报，采集TRT数据，通过专用软件处理后，获得P波波速为2800m/s，S波波速为1900m/s，地质层析扫描成像成果如图2所示，探测范围长度为160 m，宽度中心线左右各20m，高度为40m，掌子面位于图中31m处，有效探测范围129m，主要反射区为64-80m，前面和后面从成因上看，反射区域不同强度围岩在64m、68m、72m及86m处界面清晰，且黑色阴影即围岩裂隙分布极为密集；在68-72m之间的岩体强度降低较为明显，推断可能为断层泥含量较多破碎岩层；在64-68m和72-86m之间的岩体强度稍大，但节理裂隙极为发育，推断可能为断层泥含量较低的断层角砾岩。

（三）地表工程地质调查与分析

隧址区内地表出露3条发育规模较大的断层破碎带，分别为在地表中心线南侧约70m处，出露的1号断层破碎带，走向150°-170°，出露长度约为30m，宽度约为15-20m；在地表中心线南侧约90m处，出露的2号断层破碎带，走向147°-168°；在地表中心线南侧约126m处的沟谷中出露的3号断层破碎带，走向140°-170°。3条断层几乎呈平行状态，推断1号断层破碎带延伸方向在附近与隧道走线相交。2、3号断层破碎带的延伸方向在洞口南侧与隧道施工段错开。

（四）综合评价与建议

经过成果图的解译分析，结合地表工程地质调查的结果可知：

1.其中（40m）段为V级围岩，探测未发现大型不良地质构造，推测围岩节理裂隙较发育，岩性为薄层砂岩，施工中要注意控制节理发育地段的地下裂隙水的影响。

2.其中（20m）段推测为断层破碎带，断层走向150°-170°，岩体破碎严重，局部泥质充填，并有少量渗水.该段围岩分级为V级，地下水状态为Ⅲ级。在该段施工过程中务必加强监护，通过断层破碎带时，采用小进尺、勤支护的施工方法，减少岩层的暴露时间，防止垮塌；采用爆破法掘进时，严格掌握炮眼数量、深度及装药量，以减少爆破震动对围岩的影响，防垮塌的同时注意监测洞内渗水量，各施工工序的时间尽量缩短。

（五）开挖结果验证

第一，其中（38m）段围岩节理裂隙较发育，岩性为薄层砂岩，岩层走向330°-352°，部分断面有少量渗水，未见不良地质体，围岩等级为V级，与预测结果基本吻合。第二，在里程D2K31+859开始进入断层破碎带，较预测位置提前2m，可能是前部岩层同样较为破碎，地震波反射不明显导致，断层破碎带内施工遇到少量渗水，围岩分级为V级，地下水状态为Ⅲ级。破碎带实际长度为22m，预测相对误差为10%。第三，（70m）段施工中未遇到大型不良地质构造，围岩分级为V级围岩.与预测结果基本吻合。

（六）通过预报结果与实际开挖情况的对比

可见三维成像技术结合工程地质调查的方法对隧道工作面前方工程地质与水文地质条件的超前预报具有良好的效果，精确地鉴别了地层岩性及围岩类别，准确地预报了断层位置及破碎带宽度，提出了正确的施工方案，隧道依据预报结果及建议方案施工顺利，未发生任何冒顶塌方事故，可见超前地质预报工作对隧道施工起到了有力的指导、配合作用。

三维地成像技术可以清晰的显示强度差异岩体的分界面以及岩体内的不连续界面，精准的确定软弱岩体、断层及破碎带的位置和规模，较为准确的判断隧道围岩级别。可与地质雷达、工程地质调查等方法配合使用，形成相互补充、印证的超前预报工作体系。

参考文献

[1] 赖金星，谢永利，李华，等.软弱破碎围岩双连拱隧道安全施工与监测[J].工程地质学报，2011（4）.

[2] 曲海峰，刘志刚，朱合华.隧道信息化施工中综合地质预报技术[J].岩石力学与工程学报，2012（6）.

[3] 孟小红，王卫民等.地质模型计算机辅助设计原理与应用[M].北京：地质出版社，2010.

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