TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在柞水隧道施工中的應(yīng)用

郭孟宅

隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),就是利用一定的技術(shù)和手段收集隧道所在巖體的有關(guān)資料,并運(yùn)用相應(yīng)的理論和規(guī)律對(duì)這些資料進(jìn)行分析、研究,從而對(duì)施工掌子面前方巖體情況或成災(zāi)可能性做出預(yù)報(bào)。我國目前正在進(jìn)行大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中,包括有大量的鐵路、公路、引水等隧道(隧洞)建設(shè),其中有不少隧道處在復(fù)雜巖性、構(gòu)造、高地應(yīng)力地區(qū)。在我國隧道施工中由于對(duì)施工前方地質(zhì)條件的不了解造成的隧道坍塌、突水等事故時(shí)有發(fā)生。因此普遍在隧道施工中采用地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù),特別是采用國際先進(jìn)的(Amberg)技術(shù)公司TSP(Tunnel Seismic Prediction)波方法的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)提高我國隧道建設(shè)的水平有很大的幫助。

1 TSP方法簡介

1.1 原理、方法

TSP方法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)(通常在隧道的兩邊墻,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,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傳感器接收。數(shù)據(jù)通過TSPwin軟件處理,便可了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)、位置及規(guī)模。

1.2 TSP探測系統(tǒng)

1.2.1 TSP探測系統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)

TSP采集系統(tǒng)由記錄儀、接收儀和起爆裝置等組成(見圖1)。通常要求采用兩個(gè)接收儀和24個(gè)爆破孔組成,接收儀孔和爆破孔分別布置在掌子面附近兩面的邊墻上。接收儀是用來接收地震信號(hào)的儀器,安裝在一個(gè)被水泥或兩節(jié)環(huán)氧樹脂夾固定在巖層上的管套里面。起爆裝置是由一個(gè)常規(guī)的帶有發(fā)射回路的外部觸發(fā)盒的爆破器組成。

1.2.2 TSP處理系統(tǒng)

1)提取反射波。TSP記錄的各種波當(dāng)中,只有那些從掌子面前方和隧道旁邊反射過來的攜帶了巖石性質(zhì)的波才有用。這些有用的反射波可以通過濾波器從其他波里分離出來。2)分離P波和S波。把X,Y和Z方向上的記錄轉(zhuǎn)換成P波、SH波和SV波。P波為壓縮波(縱波),S波為剪切波(橫波),其中SV波表示質(zhì)點(diǎn)在垂直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的橫波,SH波表示質(zhì)點(diǎn)在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的橫波。3)接收數(shù)據(jù)分析。TSP采集到的數(shù)據(jù),通過 TSPwin軟件處理,獲得P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面和反射層提取以及巖石物性參數(shù)等成果。在提取的波形圖中,以P波為主對(duì)巖層進(jìn)行劃分,結(jié)合橫波資料對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象遵循以下準(zhǔn)則進(jìn)行解釋:a.正反射振幅表明硬巖層,負(fù)反射振幅表明軟巖層;b.若S波反射較P波強(qiáng),則表明巖層飽含水;c.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;d.若VP下降,則表明裂隙或孔隙度增加。

1.3 TSP的優(yōu)點(diǎn)

1)適用范圍廣。2)預(yù)報(bào)距離長。3)對(duì)隧道施工干擾小。4)探測時(shí)間短。5)提交資料及時(shí)。6)描繪出掌子面前方與隧道軸線相交的同相軸及邊界位面的2D,3D成果圖。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的開展

2.1 收集并熟悉資料

柞水隧道位于陜西省南部秦嶺山區(qū),穿越段地質(zhì)條件復(fù)雜,受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重,不良地質(zhì)現(xiàn)象比較集中。隧道穿過秦嶺褶皺帶,巖性普遍變質(zhì),斷層節(jié)理、片理發(fā)育。軟質(zhì)巖揉皺十分普遍,一般表現(xiàn)為巖層錯(cuò)位、產(chǎn)狀變化、地層缺失、巖體破碎、地貌特征及不良地質(zhì)發(fā)育等,都與斷層關(guān)系密切。

2.2 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作的實(shí)施

根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)資料,本次自檢波器位置至預(yù)報(bào)區(qū)(RK67+070～RK67+274)區(qū)段內(nèi)貫穿Ⅴ級(jí)圍巖、Ⅳ級(jí)深埋、Ⅲ級(jí)圍巖和Ⅱ級(jí)圍巖。目前,已經(jīng)開挖段實(shí)際情況是:在RK67+070～RK67+135區(qū)段地層巖性Ⅴ級(jí)圍巖為強(qiáng)風(fēng)化變粒巖,灰綠色～深灰色,片理、節(jié)理、裂隙發(fā)育,較雜亂,微張或張開,巖體破碎,呈角礫～碎石狀松散結(jié)構(gòu)。圍巖穩(wěn)定性差,有滴水及滲流現(xiàn)象。目前掌子面RK67+135處圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,巖性為變粒巖。

2.2.1 觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接收器位置在RK67+070,掌子面位置為 RK67+135,設(shè)計(jì)24個(gè)炮點(diǎn),2個(gè)接收器同時(shí)接收。觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)見表1,圖2。

2.2.2 儀器采集參數(shù)

數(shù)據(jù)采集時(shí),采用X—Y—Z三分量同時(shí)接收,采樣間距62.5 μ s,記錄長度451.125 ms(7 218采樣數(shù))。激發(fā)地震波時(shí),采樣無爆破延遲時(shí)的瞬發(fā)電雷管,防水乳化炸藥,裝藥量為75 g～100 g左右。實(shí)際激發(fā)22炮,記錄地震數(shù)據(jù)20炮。

表1 觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.3 資料分析

1)資料處理流程。處理流程為:原始數(shù)據(jù)→軟件計(jì)算→得到時(shí)間→深度剖面→提取參數(shù)→地質(zhì)解釋。2)誤差分析。隧道超前預(yù)報(bào)時(shí),地震波速離散性大,軟件處理時(shí)取波速平均值;當(dāng)兩個(gè)反射面間距不超過1 m,合并為一個(gè)界面,因此,薄層的軟、硬巖石互層軟件可能會(huì)合并成均質(zhì)巖石考慮;理論預(yù)報(bào)誤差為預(yù)報(bào)范圍的5%。本次檢測由于部分炮孔堵塞不好,對(duì)采集數(shù)據(jù)有一定影響,本次設(shè)計(jì)為雙檢波器,由于現(xiàn)場檢波器損壞,采用單檢波器。3)預(yù)報(bào)成果。此次TSP203地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在柞水隧道右線進(jìn)行。在對(duì)原始數(shù)據(jù)的軟件處理中,20炮數(shù)據(jù)參與分析,其余2炮沒有參與數(shù)據(jù)分析。通過對(duì)二維結(jié)果圖分析,主要存在問題的區(qū)段見表2(以目前掌子面(RK67+135)巖石情況為參照物)。

2.2.4 預(yù)報(bào)結(jié)論及建議

1)RK67+135～RK67+145(10 m)范圍內(nèi)巖性為強(qiáng)風(fēng)化變粒巖,圍巖強(qiáng)度與掌子面基本一致,節(jié)理裂隙發(fā)育,建議加強(qiáng)初期支護(hù)。2)RK67+145～RK67+160(15 m)范圍內(nèi)巖性分析為強(qiáng)風(fēng)化變粒巖,巖石強(qiáng)度與掌子面基本一致,節(jié)理裂隙發(fā)育,局部滲水,建議加強(qiáng)初期支護(hù)和防、排水工作。3)RK67+160～RK67+177(17 m)范圍內(nèi)巖性分析為強(qiáng)風(fēng)化變粒巖,圍巖強(qiáng)度較掌子面降低,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎,局部滲水,建議加強(qiáng)初期支護(hù)和防、排水工作。4)RK67+177～RK67+190(13 m)范圍內(nèi)巖性分析為強(qiáng)風(fēng)化變粒巖,巖石強(qiáng)度與掌子面基本一致,節(jié)理裂隙發(fā)育、局部滲水,建議加強(qiáng)初期支護(hù)和防排水。5)RK67+190～RK67+210(20 m)范圍內(nèi)巖性分析為強(qiáng)風(fēng)化變粒巖,巖石強(qiáng)度與掌子面基本一致,節(jié)理裂隙發(fā)育、局部滲水,建議加強(qiáng)初期支護(hù)和防排水。6)RK67+210～RK67+223(13 m)范圍內(nèi)巖性分析為強(qiáng)風(fēng)化變粒巖,巖石強(qiáng)度較掌子面低一些,節(jié)理裂隙發(fā)育、局部滲水,建議加強(qiáng)初期支護(hù)和防排水。7)RK67+223～RK67+239(16 m)范圍內(nèi)巖性分析為強(qiáng)風(fēng)化變粒巖,巖石強(qiáng)度較掌子面降低,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎,局部滲水,建議加強(qiáng)初期支護(hù)和防排水工作。8)RK67+239～RK67+273(34 m)范圍內(nèi)巖性分析為強(qiáng)風(fēng)化變粒巖,巖石強(qiáng)度與掌子面基本一致,節(jié)理裂隙發(fā)育,局部滲水,建議加強(qiáng)初期支護(hù)和防排水工作。

根據(jù)二維視圖以及巖石力學(xué)參數(shù)分析,隧道內(nèi)掌子面前方RK67+160～RK67+177段局部地段巖體較破碎,有滲水的可能,RK67+223～RK67+239段巖石較破碎,應(yīng)高度重視,加強(qiáng)初期支護(hù)工作,防止塌方。

表2 存在問題的區(qū)段及結(jié)果

3 結(jié)語

在施工過程中采用了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng),有效地保證了施工安全,提高了施工速度,在很大程度上消除了施工的盲目性,確保了施工的安全快速進(jìn)行,所以在高速公路施工中采用地質(zhì)超前預(yù)報(bào)是十分必要的。另外,由于地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果受到各種因素的影響,所以在分析處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況合理地選取地質(zhì)雷達(dá)測量參數(shù),并結(jié)合掌子面的實(shí)際情況合理地對(duì)隧道施工前方進(jìn)行有效的地質(zhì)條件預(yù)測。

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