铁路工程物探声波技术研究与应用（中铁西南院 李苍松）
铁路工程物探声波技术研究与应用
一、声波方法的基本原理及分类
声波法与地震波法具有相似的理论基础，它是通过探测声波在岩体内的传播特性来研究岩体性质的一种物探方法。
声波的频率范围：0.0001Hz～1012 Hz以上。
人耳能听到的声音范围：20 Hz～20kHz。
通常：20kHz～1012 Hz以上的声音称为超声波。
0.0001Hz～20Hz的声音称为次声波。
医学上有超声检测，有金属探伤的超声检测，在岩土工程领域既有超声检测，也有岩体声波探测。
按照测试方法和原理，可将声波法分为：声波透射法(含声波CT)、声波反射法、声波折射法等类型。
二、声波法的适用范围及应用条件
1、声波法的适用范围
声波法适用于公路、铁路、建筑、机场等工程的地基探测、岩溶探测、复杂浅层地质精细探测、隧道超前地质预报、结构混凝土质量检测等领域。
工程勘察阶段：
工程施工阶段：
工程运营阶段：
(1)工程勘察阶段
进行岩石和岩体的物理力学性质测定和估算;利用声波参数结合地质因素，对工程岩体进行分级、分类;评价地下工程围岩的稳定性；利用声波测井技术，进行工程地质勘探孔孔间地质剖面分层，确定风化层厚度等。
(2)工程施工阶段：隧道施工期地质超前预报。
(3)工程运营阶段：地下工程施工质量检测，围岩注浆加固效果检测，隧道衬砌背后空洞、溶洞等缺陷探测。
2、声波法的应用条件
(1)声波透射法
一般采用直透法或声波测井等进行测试，受钻孔条件限制，多在特殊地段局部采用，适用于工程岩体地质分类，岩体或岩样参数测试，围岩松动圈测试，断层、溶洞探测，岩体注浆质量测试、结构混凝土质量检测等。
(2)声波CT
声波CT是声波透射法的延续和发展，适用于对岩(土)体内部结构、断层、空(溶)洞、注浆质量、混凝土质量的精确探测或检测。
(3)声波反射法
声波反射法应用受条件限制小，广泛应用于地质勘查、隧道地质超前预报等领域。
(4)声波折射法，应用范围较窄，一般用于围岩松动圈测试、地表分层探测。
三、中铁西南院的声波技术发展
1、声波探测技术
(1)隧道工程岩体稳定性及其性态测试技术
上世纪七十年代初始，采用洞内地质素描、地表地质调查、声波超前探测、围岩松动圈测试、水文观测及岩石力学测试等综合技术方法，开展隧道工程岩体稳定性分析及掌子面前方短距离预报。
(2)岩体声波探测技术
上世纪70年代，采用声波CT技术成功解决了青藏铁路察尔汗盐湖路基下隐伏洞穴的定位探测。
上世纪90年代末，中铁西南院以声波技术为基础,基于医学CT技术开展声波CT技术研究。粟健研究员将声波CT技术加以改进、编制相关软件，推进了岩土体加固效果的检测。
目前,声波CT技术广泛应用于地基基础、混凝土质量均匀性、混凝土缺陷等工程检测。
青藏铁路通过柴达木盆地中部的察尔汗盐湖，长达32km，其中北缘2.76km分布有岩盐。察尔汗盐湖地处海拔2682～2685m的高原，地势平坦、湖面开阔，广泛分布浅埋的岩盐体。干旱气候使盐湖浓缩为盐滩，其北缘盐溶发育。研究寻找隐伏溶洞（暗洞）的方法，以便查明盐溶发育分布的情况，对该段铁路路基的修筑和处理，有着重要的意义。
1992年,湘黔线普会寨2#大桥基础注浆加固试验及CT成像试验研究
(3)隧道工程岩体质量分级技术
中铁西南院在应用声波探测技术和地质素描方法开展岩体完整性的定性、定量分析方面做了大量工作，取得相当的技术积累。
分别参加了 《工程岩体分级标准》(GB 50218-94)、《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005，J449-2005)和《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)等有关章节的编写。
2、超前地质预报技术
(1)HSP法隧道超前地质预报技术
HSP法或称“HSP声波反射法”，是在“HSP水平声波剖面法”基础上研究提出的。
HSP法的基本原理： HSP声波反射法和地震波探测原理基本相同，探测的物理前提是岩体间或不同地质体间明显的声学特性差异。HSP声波反射法的数据分析:采用时域反射子波及频域反射谱分析软件，对所采集的波形进行迭加分析处理。
HSP声波反射法的应用情况
兰渝铁路：西秦岭隧道
新建兰新铁路：尾亚隧道、红西隧道、达坂城隧道等14座隧道
长昆铁路：民主隧道、红毛岭隧道、铁炉隧道
合福铁路：杉木墩隧道、子谦山隧道、杨山隧道
贵广铁路：三都隧道、高田头隧道、莫家寨隧道、大寨隧道、同开坡隧道、羊甲隧道、同马山隧道等。
渝怀铁路：圆梁山隧道、武隆隧道、甘溪沟隧道
遂渝铁路：荆竹岭隧道、龙凤隧道、西山坪隧道、桐子林隧道
襄渝铁路二线：华蓥山1号、2号隧道
朔黄铁路:云台山隧道
南昆铁路：康牛隧道、米花岭隧道
HSP声波反射法的应用情况
四川：南充-大竹-梁平（川渝界）高速公路、映秀至汶川高速公路、石坝（黔川界）至纳溪高速公路、巴达万高速公路、广甘高速公路、太平驿水电站水工隧洞、巴蓬公路铁山隧道、西攀高速公路徐家梁子隧道、都汶高速公路董家山、龙洞子、龙溪等3座隧道
贵州：三穗至黎平高速公路、毕节至都格（黔滇界）高速公路、余庆至凯里高速公路、凯里至羊甲高速公路、惠水至兴仁高速公路、水盘高速公路、崇遵高速公路凉风垭隧道、镇胜高速公路黄果树、五龙山、关岭1号、关岭2号、坝陵河大桥西锚洞等、厦蓉高速贵州境水格-都匀段十多座隧道隧道
深圳：雷公山公路隧道
广东：连州（湘粤界）至怀集公路、广州至乐昌高速公路
广西：岑梧高速公路牛岭界隧道
福建：龙岩古武高速公路
HSP声波反射法的应用范围
●不良地质体界限的预报
应用HSP声波反射法进行不良地质体界限的预报，是本方法应用最广泛、效果最好的一方面。根据数十座隧道上百次预报及验证结果统计，应用HSP声波反射法预报不良地质体界限，准确率可达到85%以上。
●岩溶及岩溶充填物分布界线探测
●矿岩边界测试
“水平声波剖面法地质超前预报” (编号90G13-3)为铁道部科技发展规划项目“隧道开挖工作面前方不良地质预报”之第三子项。该课题于1995年通过铁道部科技司组织的成果鉴定，1998年获铁道部科技进步三等奖。
(2)TBM施工隧道超前地质预报技术
TBM施工隧道超前地质预报技术
《大伙房输水工程特长隧洞修建技术-TBM突破不良地质地段的地质超前预报及施工预案研究》
《南水北调工程若干关键技术研究与应用》- 《西线超长隧洞TBM施工关键技术问题研究》- TBM施工地下水超前预报技术研究》子项研究
TBM施工隧道地质预报技术的国内外现状
共识：采用“以地质法为基础的综合物探技术”进行隧道施工地质预报”。
针对钻爆法隧道施工而言，对于断层、破碎带等不良地质体界限的预报，总体上说预报技术已比较成熟。对于地下水特别是岩溶水的预报，目前常规的地震波法、电磁波反射法等均难以达到预期的效果。
目前，国内专门针对或适合于TBM施工的地质超前预报系统还不是很成熟，至于TBM工作面前方地下水预报就更难了。
TBM施工地质预报的技术要求
TBM施工地质预报方法的选择除了满足钻爆法施工隧道的一般要求外，还应满足以下特殊要求:
(1)首先，从根本上和宏观上把握隧道施工影响区域的地质条件，仍然以地质法为基础；
(2)鉴于各种物探方法各有其优缺点和适用条件，必须采用综合物探技术；
(3)在各种物探技术互为补充的情况下，还必须有一或二种方法的探测长度比较长，并尽量减少对TBM正常工序的干扰，即现场探测时间应尽量短；
(4)对预报技术方法的选择应充分考虑TBM的工作条件、工作环境，以及对各种仪器系统的干扰或特殊要求，例如受金属、高压电等的影响。为此，电磁波法如地质雷达的应用就会受到一定程度的限制，同时常规的电法探测也受到限制；
(5)测试方法要求不能在掘进机机头附近放炮，测试人员不能任意靠近掘进机机头。特别是对于TBM施工断面小，采用管片衬砌的方情况下，无法打钻孔放炮，TSP探测方法受到限制。
TBM地质超前预报的现场实施技术方案
ZGS-1610系列智能工程声波探测仪及软件系统。
适合于TBM施工的地质超前预报工程实例
大伙房输水隧洞
大伙房水库输水工程的主体建筑物为85.31km长的输水隧洞，采用以TBM为主(63.71km，占总长的74.7%)、钻爆法(21.6km)为辅联合作业的施工方法。
分别在TBM1标段25+872、26+005.7、26+054、32+312等工作面进行了多次现场试验。分别在TBM2标58+440、58+397、58+382等工作面进行现场跟踪测试。
3、岩土工程检测技术
(1)基桩质量检测：桩身完整性
(2)混凝土质量检测：裂缝、强度、均匀性
应用声波CT技术开展小关子电站管桥底板，四川洪雅县洪州大桥钢管砼，武隆峡门口乌江二桥、石梁河大桥钢管砼，成都城北青龙场立交桥钢管砼，成渝高速公路内江提篮拱桥等十余项混凝土或钢筋混凝土质量检测工作。
(3)锚杆、锚索长度及注浆效果检测。
四、取得的主要研究成果
1、与HSP法匹配的软、硬件系统研制
与HSP声波反射法匹配的硬件系统发展
中铁西南院从20世纪70年代就开始进行岩体声波探测新技术的开发和应用研究。在仪器研制和技术方法应用研究上均取得可喜的成就。
在探测仪器设备的研制开发方面, 主要经历了以下六个阶段。
与HSP声波反射法匹配的软件系统发展
包括采集和分析两个软件系统的改进。
2、科研课题及获奖情况
(1) “察尔汗盐湖铁路路基试验工程”获1987年铁道部科技进步一等奖、1988年国家科技进步二等奖。西南院承担盐溶暗洞的声波探测技术、岩盐体在不同压力作用下声波传播信息和岩盐体声波传播信息强化后判断盐溶溶洞存在与发展新标准研究。
(2) “岩体声波探测技术”获1978年四川省科技成果奖，“声波探测技术在工程地质中的应用”获1978年全路科技大会奖，“隧道岩体声波探测技术”获1988年铁道部科技成果四等奖。
(3)“隧道施工掌子面前方不良地质预报技术”获1997年铁道部科技进步三等奖。西南院承担“声波反射法研究”，首次提出了水平声波剖面(HSP)预报隧道施工掌子面前方不良地质体的技术方法和应用软件。
(4)渝怀线圆梁山隧道关键技术试验研究。西南院承担A课题“深埋高水位富水区隧道地下水作用机理研究”子项-“岩溶涌水量及水压预测模型研究”和B课题“圆梁山隧道岩溶地质超前预报技术研究”子项-“声波反射法和CT技术在地质超前预报中的应用研究”。
“圆梁山隧道岩溶地质超前预报技术研究”获2008年中国铁道学会科学技术奖二等奖。
(5)“TBM突破不良地质地段的地质超前预报及施工预案研究”，获2007中铁总公司年科技成果二等奖，并与总课题“大伙房输水工程特长隧洞TBM施工关键技术研究”一起，获中铁总公司2010年科学技术奖特等奖，获中国中铁股份有限公司“十一五”十大优秀科技成果奖。
3、发表论文、专著及专利
发表论文80余篇，其中关于声波技术或地质预报技术的数量达到60篇。参与主编的国标、部标7部，出版专著7部。
参与主编的国标、部标：
(1)《工程岩体试验方法标准》-GB/T50266-99，参与起草人：陈成宗。
(2)《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》-TB10223-2004 J341-2004，参与人：粟健。
(3)《工程岩体分级标准》-GB/T 50218-94 参与起草人：王石春、张可诚。
(4)《新奥法指南》制定(参与起草人：王石春)。
(5)1975年隧规修订提出弹性波参数表(王石春等)。
(6)铁路隧道全断面岩石掘进机法技术指南，参与起草人：何发亮。
(7)铁路隧道超前地质预报技术指南，参与起草人：何发亮。
出版专著7部：
(1)《岩体声波探测技术》(中国铁道出版社，1990年)。
(2)《隧道工程地质与声波探测技术》(西南交通大学出版社，2005年)。
(3)《隧道地质超前预报》(西南交通大学出版社，2006年)。
(4)《隧道工程岩体分级》(西南交通大学出版社，2008年)。
(5)《岩体温度法隧道施工掌子面前方涌水预报》(西南交通大学出版社，2009年)。
(6)《隧道施工地质灾害与不良地质体及其预报》(西南交通大学出版社，2011年)。
(7)《岩溶及地下水超前预报技术》(西南交通大学出版社，2013年)
4、人才培养
工程地质研究所现有员工45人，其中在编人员33人，返聘专家2人，博士生导师1人，硕士生导师3人，硕士研究生学历以上17人。
(1)研究员4人(在职2人，均为硕士研究生导师，其中1人为享受政府特殊津贴的国家级专家；返聘2人，均为享受政府特殊津贴的国家级专家)。
(2)教授级高级工程师3人(1人为博士生导师、享受国务院政府津贴、中铁总公司有突出贡献的中青年专家；1人为博士、总公司青年科技拔尖人才、中铁总公司有突出贡献的中青年专家；1人为硕士生导师)。
(3)高级工程师3人(其中博士1人)
(4)工程师13人(其中在读博士1人，硕士8人)
(5)助理工程师13人(其中硕士2人，在读硕士研究生2人)
五、存在的问题及下步研究方向
(1)由于现场环境的限制，采集的信号数量有限，不能完全覆盖整个掌子面，多数时候无法到隧道拱顶部位采集信号。
(2)数据分析软件采取的时域、频域分析方法尚有待进一步改进和提高。例如，如何有效去除掌子面围岩松动圈(层)的杂波干扰问题。
(3)数据处理成果的可视化程度有待提高。
(4)在测试掌子面至前方约10米范围内存在测试盲区。
(5)预报准确性问题。对测试掌子面前方的界线判识必需借助于有经验的物探人员和地质工程师的配合，单靠物探人员或单靠地质工程师，不良地质体的界线判识和定性的准确性将受到影响。
2、下步研究方向
结合目前存在的问题和市场需要，需要在以下几方面做深入研究：
(1)隧道施工超前地质预报信息系统技术研究
(2)HSP法超前地质预报的可视化技术
(3)HSP法超前地质预报的实时化技术
(4)适合于TBM施工的HSP法超前地质预报技术
(5)适合于城市地铁盾构施工的声波探测技术
(6)岩溶及地下水综合预报技术
