向莆鐵路巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

周大勇

(中鐵十四局 向莆鐵路FJ-3A指揮部，福建 尤溪 365114)

向莆鐵路棋盤(pán)石隧道位于福建省尤溪縣境內(nèi)，全長(zhǎng)10 808 m，最大埋深770 m，為雙線鐵路隧道。隧道施工采用3臺(tái)階礦山法實(shí)施，共設(shè)3個(gè)橫洞，計(jì)劃工期42個(gè)月。

棋盤(pán)石隧道穿越多個(gè)地質(zhì)單元，包括大理巖、石英砂巖、綠泥片巖等十幾種巖性，斷層較多，地下水發(fā)育，水量大。初步查明較大規(guī)模斷層有16條，其中含有8條壓扭性斷層，斷層影響帶為中等強(qiáng)富水，地質(zhì)資料揭露多處有溶洞，施工過(guò)程中存在溶洞、突泥突水的風(fēng)險(xiǎn)，給反坡施工排水帶來(lái)了較大困難。

能否準(zhǔn)確預(yù)報(bào)施工期間隧洞內(nèi)可能產(chǎn)生涌水、塌方、流砂等工程地質(zhì)問(wèn)題的具體位置、范圍及其危害，對(duì)于減少或避免處理塌方、突泥突水等地質(zhì)災(zāi)害，確保施工人員和設(shè)備安全，減少工程投資，保證工程順利進(jìn)行具有重要意義。

1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法比較與選擇

目前常用的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法很多[1]，主要包括:

1)地質(zhì)分析法，包括斷層參數(shù)預(yù)測(cè)法、地質(zhì)體投射法、掌子面編錄預(yù)測(cè)法等;

2)長(zhǎng)距離地質(zhì)預(yù)報(bào)物探方法，包括地震波反射法、水平聲波反射法(HSP)、陸地聲納法等;

3)短距離地質(zhì)預(yù)報(bào)物探方法，包括地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法、瞬變電磁法(TEM)、紅外探水法等;

4)超前鉆探法，包括短鉆孔、長(zhǎng)鉆孔。

在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的各種方法中，地質(zhì)分析法須在預(yù)報(bào)前對(duì)隧道周圍地質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確分析，才能保證預(yù)報(bào)的精度，但對(duì)于地質(zhì)知識(shí)較差的預(yù)報(bào)人員來(lái)說(shuō)，容易對(duì)與隧道夾角較大而又向前傾的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生漏報(bào);水平超前探孔法預(yù)報(bào)周期較長(zhǎng)，難以滿足工期的要求;電磁波法在隧道施工過(guò)程中干擾因素較多，往往造成假的異常，形成誤判;彈性波法探測(cè)既能滿足常規(guī)的鉆爆施工要求，又能滿足TBM掘進(jìn)機(jī)施工要求，應(yīng)用較多。

根據(jù)棋盤(pán)石隧道的地質(zhì)特點(diǎn)，在綜合比選不同預(yù)報(bào)方法適用條件、優(yōu)缺點(diǎn)后，最終選擇了物探方法以TSP203為主，其他手段進(jìn)行輔助，結(jié)合地質(zhì)分析、超前鉆孔等方法進(jìn)行不良地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作。

2 TSP203地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)原理

TSP203隧道超前探測(cè)系統(tǒng)屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在設(shè)計(jì)的震源點(diǎn)(通常在隧道的左或右邊墻，大約24個(gè)炮點(diǎn))用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性變化等)時(shí)，一部分地震信號(hào)反射回來(lái)(圖1)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的地震檢波器接收。數(shù)據(jù)通過(guò)TSPwin軟件處理，便可了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等)和位置及規(guī)模。

2.2 TSP203超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)組成

1)記錄單元:12道，24位 A/D轉(zhuǎn)換，采樣間隔62.5 μs 和 125 μs，最大記錄長(zhǎng)度為1 808.5 ms，記錄帶寬8 000 Hz和4 000 Hz，動(dòng)態(tài)范圍120 dB。

2)接收器(檢波器):三分量加速度地震檢波器，靈敏度為1 000 mV/g±5%，頻率范圍為0.5～5 000 Hz，共振頻率9 000 Hz，橫向靈敏度>1%。

圖1 TSP探測(cè)原理

3)TSPwin軟件:數(shù)據(jù)采集和處理集于一體，高度智能化。

2.3 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)采集

觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，觀測(cè)系統(tǒng)布置見(jiàn)圖2。

表1 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)表

圖2 觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

洞內(nèi)數(shù)據(jù)采集應(yīng)遵循以下原則:

1)按規(guī)定布置震源和傳感器鉆孔，特別是孔距;

2)采用兩個(gè)傳感器，實(shí)施雙臂探測(cè);

3)兩個(gè)接受導(dǎo)管必須安裝牢固;

4)探測(cè)過(guò)程中，盡量減少噪聲和漏炮;

5)熟練掌握觀測(cè)系統(tǒng)的布置方法;

6)炮孔布置應(yīng)選擇巖性相同處;

7)炸藥最好選用高爆速防水炸藥;

8)起爆器必須充分充電;

9)爆破時(shí)孔內(nèi)應(yīng)充滿水，以減少聲波干擾;

10)炸藥量選擇合理，既不能使振幅失真，又不能過(guò)小。

2.4 數(shù)據(jù)處理程序、解譯與評(píng)價(jià)原則

處理流程包括11個(gè)主要步驟，即數(shù)據(jù)設(shè)置→帶通濾波→波初至拾取→起跳點(diǎn)信號(hào)處理→炮能量均衡→Q估計(jì)→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。

對(duì)處理成果的解釋與評(píng)價(jià)，主要根據(jù)以下基本原則進(jìn)行:

1)反射振幅越強(qiáng)，反射系數(shù)和波阻抗的差別越大;

2)正反射振幅(紅色)表明正的反射系數(shù)，表明剛性巖層;負(fù)反射振幅(蘭色)指向軟弱巖層;

3)若S波反射比P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水分;

4)Vp/Vs較大的增加或泊松比δ突然增大，常常因流體的存在而引起。

3 在本工程中的應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的地質(zhì)資料，結(jié)合地表補(bǔ)充調(diào)查、3#橫洞洞內(nèi)開(kāi)挖工作面地質(zhì)素描和全洞身地質(zhì)素描資料進(jìn)行綜合地質(zhì)分析，表明該洞存在溶洞和暗河的可能性非常大。建議加大預(yù)報(bào)頻率，采用 TSP203、地質(zhì)雷達(dá)和超前水平鉆孔的聯(lián)合預(yù)報(bào)方法對(duì)掌子面跟蹤預(yù)報(bào)，嚴(yán)格要求TSP203預(yù)報(bào)距離不超過(guò)100 m，發(fā)現(xiàn)異常情況采用地質(zhì)雷達(dá)和超前水平鉆孔驗(yàn)證。

截止2009年8月10日，棋盤(pán)石隧道3#橫洞開(kāi)挖1 149 m，從H3DK1+148進(jìn)入大理巖段，大理巖段開(kāi)挖進(jìn)尺為241 m。共進(jìn)行了3段次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，發(fā)現(xiàn)兩處溶洞和一個(gè)較大斷層[2]，見(jiàn)圖3。其中 H3DK1+129處為一小溶洞，采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)表明較大溶腔在線路的左側(cè)[3]，施工過(guò)程中對(duì)隧洞左側(cè)加強(qiáng)了支護(hù)，施工順利通過(guò)，開(kāi)挖揭露3條溶洞裂隙;在H3DK0+891處TSP203預(yù)報(bào)顯示為一較大溶洞群。繼而采用地質(zhì)雷達(dá)和超前水平鉆孔探測(cè)表明溶洞內(nèi)水壓不大，施工隊(duì)擅自打開(kāi)，結(jié)果造成隧洞涌水，涌水量達(dá)30多萬(wàn)方，最后研究確定采用從隧洞右側(cè)繞行的方式通過(guò)。由于預(yù)報(bào)及時(shí)準(zhǔn)確，采取支護(hù)措施得當(dāng)，施工中沒(méi)有因漏報(bào)不良地質(zhì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，目前工程開(kāi)挖順利。表明以TSP203為主的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作在本工程建設(shè)中起了重要作用。

4 技術(shù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

4.1 加強(qiáng)地質(zhì)調(diào)查分析

地質(zhì)調(diào)查分析是隧道超前預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，分析目的主要在于應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的地質(zhì)理論，初步判斷隧址主要構(gòu)造方位、力學(xué)性質(zhì)和構(gòu)造多期活動(dòng)特征及其不同方位構(gòu)造對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響程度。同時(shí)判定主要地層類型(如煤系地層、灰?guī)r、白云巖等可溶巖地層等)特征及其隧道圍巖穩(wěn)定性的影響程度，主要巖漿巖的類型(如侵入巖、噴出巖)特征、空間分布特征及其隧道圍巖穩(wěn)定性的影響程度，現(xiàn)今地應(yīng)力特征及其與區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)的關(guān)系等。

4.2 提高TSP203數(shù)據(jù)采集技術(shù)

1)正確判斷和選取主要探測(cè)壁。主要探測(cè)壁即炮孔布置壁，正確選取主要探測(cè)壁對(duì) TSP203超前預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度十分重要，其直接影響預(yù)報(bào)質(zhì)量，甚至造成預(yù)報(bào)的失誤。

圖3 地質(zhì)災(zāi)害位置示意圖

2)信號(hào)接收孔與第一個(gè)炮孔之間距離應(yīng)不小于15 m且不大于20 m。TSP203采集信號(hào)質(zhì)量的好壞，決定于地震波的激發(fā)和接收條件，信號(hào)接收孔位置對(duì)信號(hào)質(zhì)量影響非常大，與第一個(gè)炮孔的距離過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

3)減小面波對(duì)地震反射波的干擾。在隧道進(jìn)行地震反射波預(yù)報(bào)中面波是干擾波。面波在洞壁傳播與在地表傳播是一樣的，洞壁表層有利于面波的傳播，因此無(wú)論是在洞壁激發(fā)，還是在洞壁接收，面波的干擾都是較大的。面波的壓制，主要采用爆破孔內(nèi)注水耦合，因此，激震源起爆時(shí)注水好壞對(duì)信號(hào)質(zhì)量有很大的影響。

4)降低管道波的干擾。接收孔鉆孔深度一般不小于1.9 m，采用水泥漿耦合時(shí)要保證水泥漿的稠度，必要時(shí)對(duì)接收管露出部分進(jìn)行防護(hù)。

4.3 提高不良地質(zhì)體解譯技術(shù)

對(duì)不良地質(zhì)體的解譯，采用深度偏移影像圖(尤其是P波的深度偏移圖)與巖體動(dòng)曲線對(duì)照解譯，并結(jié)合地質(zhì)條件判斷不良地質(zhì)體的規(guī)模性質(zhì)及空間位置，總結(jié)出對(duì)不良地質(zhì)體的判斷基本原則。

1)要充分利用隧址的地質(zhì)資料和掌子面信息。

2)綜合分析P、SH、SV分量的偏移影像圖，根據(jù)相似性取舍反射面。

3)巖性分界面的劃分應(yīng)以激發(fā)、接收在同一側(cè)的縱波(P波)為主，激發(fā)、接收不在同一側(cè)的為輔;

4)綜合分析各分量相似反射面的屬性，正反射界面后巖體趨好，負(fù)反射界面后巖體趨差;

5)有無(wú)水的判釋?xiě)?yīng)綜合分析各分量的同一反射面，縱波(P波)偏移影像弱，橫波(SH波)偏移影像強(qiáng)，可判有水。反之可判無(wú)水。

6)巖溶隧道采用TSP203進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)預(yù)報(bào)距離不應(yīng)大于100 m。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在本工程中取得了較為成功的應(yīng)用。該系統(tǒng)具有適用范圍廣、預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)、對(duì)隧道施工干擾小、提交資料及時(shí)、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確、精度高等優(yōu)點(diǎn)。TSP203是地球物理勘探的一個(gè)手段，有它的應(yīng)用條件和適用范圍(如順洞線不良地質(zhì)體的探測(cè)，該系統(tǒng)將受到限制)，目前我國(guó)還沒(méi)有相應(yīng)的國(guó)家和行業(yè)規(guī)范，因此要求預(yù)報(bào)人員要掌握一定的地質(zhì)基本知識(shí)和理論，不斷豐富和積累地質(zhì)實(shí)踐和解釋經(jīng)驗(yàn)，提高TSP解釋水平，才能在隧道施工中發(fā)揮更大作用。

[1] 劉志剛，趙勇.隧道隧洞施工地質(zhì)技術(shù)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2001.

[2] 劉志剛，婁國(guó)充.向莆鐵路棋盤(pán)石隧道 3#橫洞 H3DK1+148-H3DK1+048 TSP203地質(zhì)超前預(yù)報(bào)報(bào)告(棋第04號(hào))［R］.中鐵十四局向莆鐵路指揮部，福建省尤溪縣，2009.

[3] 劉志剛，婁國(guó)充.向莆鐵路棋盤(pán)石隧道3#橫洞 H3DK1+124地質(zhì)雷達(dá)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)報(bào)告(棋第02號(hào))［R］.中鐵十四局向莆鐵路指揮部，福建省尤溪縣，2009.

[4] 郎玉光.隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合技術(shù)［J］.鐵道建筑，2007(12):48-50.