TRT6000隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在牛欄江—滇池補(bǔ)水工程中的應(yīng)用

陶忠平,王建林,米 健,吳正昆,李德春

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,云南昆明 650021)

TRT6000隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在牛欄江—滇池補(bǔ)水工程中的應(yīng)用

陶忠平,王建林,米 健,吳正昆,李德春

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,云南昆明 650021)

TRT6000隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)是采用空間觀測(cè)方式和偏移成像方法,與TSP、TGP負(fù)視速度法、水平剖面法等比較,技術(shù)比較先進(jìn),能夠較好的分析判定掌子面前方隧道圍巖速度結(jié)構(gòu)特性,實(shí)現(xiàn)了隧道圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)的精確成像,是目前比較適合地下復(fù)雜地質(zhì)條件下的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)。要想在實(shí)際超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中取得好的預(yù)報(bào)效果,應(yīng)采用多種方法,地質(zhì)分析與工程物探相結(jié)合等,對(duì)不良地質(zhì)構(gòu)造、富水帶等有效的實(shí)現(xiàn)超前預(yù)報(bào)。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào);速度掃描;偏移成像;不良地質(zhì)構(gòu)造

1 概述

在隧道施工過(guò)程中,由于前方地質(zhì)情況不明,經(jīng)常會(huì)因遇到斷層、破碎帶、暗河等不良地質(zhì)體而導(dǎo)致隧道塌方、泥石流、涌水、突泥、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生。這些災(zāi)害的發(fā)生,往往會(huì)影響施工進(jìn)度,造成人員傷亡,進(jìn)而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在實(shí)際的隧道工程實(shí)施過(guò)程中,需要對(duì)前方不良地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確的超前預(yù)報(bào),以便及時(shí)地修正開(kāi)挖和支護(hù)設(shè)計(jì)方案,避免施工事故發(fā)生。

所謂超前地質(zhì)預(yù)報(bào),就是在隧道開(kāi)挖時(shí)對(duì)掌子面前方的圍巖與地質(zhì)情況作出超前預(yù)報(bào)并提出處理、防范措施。隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)包括如下內(nèi)容:

(1)不良地質(zhì)及災(zāi)害地質(zhì) 預(yù)報(bào)掌子面前方15～100 m范圍內(nèi)有無(wú)突水、突泥、坍塌等災(zāi)害地質(zhì),并查明其范圍、規(guī)模、性質(zhì),提出施工措施意見(jiàn);

(2)水文地質(zhì)預(yù)報(bào) 預(yù)報(bào)掌子面前方15～100 m范圍內(nèi)隧道涌水量大小及其變化規(guī)律,并評(píng)價(jià)其對(duì)環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)的影響;

(3)斷層及其破碎帶的預(yù)報(bào) 主要預(yù)報(bào)掌子面前方15～100 m范圍內(nèi)斷層的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀,是否為充水?dāng)鄬?并判斷其穩(wěn)定性程度,提出施工對(duì)策;

(4)圍巖類別及其穩(wěn)定性的預(yù)報(bào) 預(yù)報(bào)掌子面前方15～100 m范圍內(nèi)圍巖類別與設(shè)計(jì)是否吻合,并判斷其穩(wěn)定性,如遇到隧道圍巖類別與設(shè)計(jì)有差異時(shí),可及時(shí)修正開(kāi)挖和支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

2 超前預(yù)報(bào)技術(shù)現(xiàn)狀

(1)直接預(yù)報(bào)法 (超前水平鉆孔或超前導(dǎo)洞),該類方法占用施工作業(yè)時(shí)間長(zhǎng),費(fèi)用高;

(2)地質(zhì)分析法 (斷層參數(shù)猜測(cè)法和地質(zhì)體投射法),該方法的準(zhǔn)確可靠性取決于技術(shù)人員個(gè)體能力;

(3)短距離物探法 主要有紅外探水法、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法,通常效果較差、預(yù)報(bào)長(zhǎng)度較短(20～30 m),占用施工作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng);

(4)長(zhǎng)距離物探法 目前國(guó)外最新預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要有TSP203+(瑞士)、TRT6000(美國(guó));中國(guó)最新系統(tǒng)有TGP206(北京物探研究所)、TST(北京同度)。①TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)系統(tǒng)。TSP(Tunnel Seismic Prediction),是中國(guó)20世紀(jì)90年代從瑞士安伯格測(cè)量技術(shù)公司引進(jìn)的一套先進(jìn)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了回聲測(cè)量原理:地震波在指定的震源點(diǎn)(通常在隧道的左邊墻或右邊墻,大約24個(gè)炮點(diǎn)布成一條直線)用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生,產(chǎn)生的地震波在巖石中以球面波的形式向前傳播,當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性接口(即波阻抗接口,例如斷層、巖石破碎帶、巖性突變等)時(shí),一部分地震信號(hào)反射回來(lái),一部分地震信號(hào)透射進(jìn)人前方介質(zhì),反射的地震信號(hào)被兩個(gè)三維高靈敏度的地震檢波器(一般左、右邊墻各一個(gè))接收。通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行分析,便可推斷斷層、巖石破碎等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀及巖石力學(xué)參數(shù);②TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)系統(tǒng)。TST(Tunnel Seis mic Tomography)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)由北京同度工程物探技術(shù)有限公司于近幾年研制生產(chǎn),是通過(guò)可視化地震反射成像技術(shù)預(yù)告隧洞掌子面前方150 m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況,可準(zhǔn)確預(yù)告斷裂帶、破碎帶、巖溶發(fā)育帶以及巖體工程類別變化等地質(zhì)對(duì)象的位置、規(guī)模和性質(zhì)。與TRT技術(shù)有相似,該方法檢波器布置于隧洞內(nèi)掌子面、兩側(cè)、上頂和下底面,埋入巖體1～1.5 m,采用爆炸或錘擊激發(fā)地震波。在重慶(玉峰山隧道)、云南(明珠隧洞)等地公路隧道有成功應(yīng)用。

表1 隧道(洞)施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要技術(shù)方法歸納表Table 1 Summary of the main technicalmethods of TSP

圖1 TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)鉆孔布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of layout of drill hole in TSP system

圖2 TSP超前預(yù)報(bào)成果范例Fig.2 Results of TSP

圖3 TST觀測(cè)布置與采集技術(shù)Fig.3 Observation arrangement and acquisition technology of TST

圖4 TST在重慶玉峰山隧道的圍巖偏移圖像Fig.4 Migration imaging of the surrounding rock in Yufeng tunnel Chongqing City by TST

3 TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

TRT技術(shù)的全稱是“真正的反射層析成像”(True Reflection Tomography),是由美國(guó)NSA工程公司近年來(lái)提出的一種新方法。中國(guó)于2006年引進(jìn)TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

該方法在觀測(cè)方式和數(shù)據(jù)處理上與TSP法及負(fù)視速度法均有很大的不同,該方法采用的是空間多點(diǎn)激發(fā)和接收觀測(cè)方式,其檢波器和激發(fā)的炮點(diǎn)呈空間分布,以便獲得足夠的空間波場(chǎng)信息,從而使前方地質(zhì)缺陷的定位精度大大提高。TRT法不僅在接口定位、巖體波速及其類別劃分等方面具較高的精度,而且有較大的探測(cè)距離[1]。它的數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)是速度掃描和偏移成像,不需要走時(shí),因此,對(duì)巖體中反射界面位置的確定、巖體波速和工程類別的劃分都有較高的精度,具有較大的探測(cè)距離,并且可以獲得3D成果圖像,較TSP法有較大的改進(jìn)。

首先，從“多元互動(dòng)”這四個(gè)字中我們可得知，這種互動(dòng)就不只是我們常掛在嘴邊的師生互動(dòng)了。因?yàn)閹熒?dòng)只有兩個(gè)主體，即教師和學(xué)生；而“多元互動(dòng)”呢，則是涉及教師、學(xué)生和家長(zhǎng)這三個(gè)主體，否則就不能稱之為“多元”化的互動(dòng)了。這個(gè)解釋雖然通俗、簡(jiǎn)單，但是，其所富有的說(shuō)理性卻十分強(qiáng)烈。另外，根據(jù)“多元互動(dòng)”中教師、學(xué)生和家長(zhǎng)這三個(gè)主體，我們可以將教師擬合成學(xué)校教育，將家長(zhǎng)擬合成家庭教育或者是校外教育，而學(xué)生則是鏈接學(xué)校教育和校外教育的中介。換句話說(shuō)，也就是“多元互動(dòng)”將課堂從學(xué)校拓展到了家庭或者校外。

3.1 TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)使用方法

TRT6000系統(tǒng)的具體使用過(guò)程可分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分。

數(shù)據(jù)采集過(guò)程在需要進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的隧洞施工現(xiàn)場(chǎng)完成。首先在隧洞中掌子面附近選擇合適的洞段作為檢測(cè)區(qū)域,并進(jìn)行觀測(cè)布置和儀器安裝,TRT6000系統(tǒng)典型的觀測(cè)布置方法如圖5所示;儀器安裝完成后,進(jìn)行地震波數(shù)據(jù)的采集,地震波信號(hào)的傳遞過(guò)程如圖6所示,由地震源產(chǎn)生的沿隧道傳播的信號(hào)在巖體性質(zhì)發(fā)生改變的地方反射,這些反射信號(hào)被遠(yuǎn)程模塊接收,再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理,可以構(gòu)建描述隧道工作面前方及高于或低于隧道走向的不同地質(zhì)狀況(如異常巖體、巖性和喀斯特特征等)的三維層析掃描圖。在數(shù)據(jù)采集的同時(shí),還應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確獲得各個(gè)震源點(diǎn)和數(shù)據(jù)接收點(diǎn)的坐標(biāo),這樣才可能對(duì)掌子面前方的地質(zhì)異常體進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。

圖5 TRT6000觀測(cè)布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of observation arrangement of TRT6000

數(shù)據(jù)處理主要分為以下幾步:①下載地震波數(shù)據(jù)和震源、傳感器位置的坐標(biāo);②設(shè)定地層成像區(qū)域和最佳精度(節(jié)點(diǎn)數(shù)目的大小);③設(shè)定慮波器,選取每個(gè)記錄的直達(dá)波,并計(jì)算地震波的平均波速;④為所選區(qū)域構(gòu)建地震波速度模型;⑤為數(shù)據(jù)處理設(shè)定過(guò)濾參數(shù);⑥重復(fù)步驟③、④、⑤處理數(shù)據(jù),直到處理結(jié)果達(dá)到平衡,噪音干擾衰減到足夠小;⑦設(shè)定成像背景(比例、顏色)來(lái)顯示結(jié)果;⑧審查和分析在巖層中探測(cè)到的異常體的平面(二維)和立體(三維)繪圖。

圖6 TRT6000無(wú)線連接超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程示意圖Fig.6 Schematic diagram of data trans mission of TRT6000

3.2 TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在國(guó)際上的應(yīng)用情況

目前TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在美、歐、日本、新西蘭、奧地利、瑞士、澳大利亞等國(guó)家應(yīng)用較多,在中國(guó)的隧道工程中也有一些應(yīng)用,用戶評(píng)價(jià)較高。如瑞士公路隧道、美國(guó)加利福尼亞好萊塢的疏通隧道、美國(guó)懷俄明州的采礦隧道、日本Kamaishi(卡麥斯)附近高速公路雙硐隧道、中國(guó)武廣客運(yùn)專線行將山2號(hào)隧道、新疆吐魯番—庫(kù)爾勒二線鐵路隧道、滬蓉高速烏池壩隧道等,較典型的為奧地利通過(guò)阿爾卑斯山的鐵路雙線隧洞施工中進(jìn)行了全程超前預(yù)報(bào)[2]。

3.3 工程實(shí)例

本院在牛欄江—滇池補(bǔ)水工程近80 km的輸水隧洞施工中采用TRT6000系統(tǒng)進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

3.3.1 金奎地隧洞6#支洞

(1)工程地質(zhì)概況 金奎地隧洞6#施工支洞走向315°,隧洞埋深30～80 m,掌子面地層巖性為泥盆系上統(tǒng)宰格組(D3zg1)灰黃、灰白色夾肉紅色白云質(zhì)灰?guī)r,局部夾頁(yè)巖,呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)。巖層產(chǎn)狀130°∠35°。掌子面潮濕,有滲水、滴水現(xiàn)象。

隧洞位于化桃箐水庫(kù)西側(cè),與水庫(kù)最近距離280 m。在隧洞的南側(cè)發(fā)育區(qū)域性斷裂魯沖—車烏逆沖斷裂(Ⅰ級(jí)結(jié)構(gòu)面),斷層產(chǎn)狀300°∠65°,由于區(qū)域性斷裂的影響,上盤巖層均有扭曲現(xiàn)象,Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育。隧洞位于魯沖—車烏斷裂的上盤,距斷裂最近距離約200 m,斷裂對(duì)隧洞圍巖完整性影響較大,隧洞圍巖裂隙發(fā)育,巖體破碎,多呈碎裂結(jié)構(gòu),且有泥化現(xiàn)象。洞線多位于地下水位以下,隧洞涌水量大,圍巖不穩(wěn)定性,掌子面為Ⅳ類圍巖。

(2)預(yù)報(bào)結(jié)論 本院于2009年10月21日對(duì)該隧洞采用TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行了超前預(yù)報(bào),隧洞層析掃描成像如圖7所示。

圖7 金奎地隧洞6#支洞層析掃描成像圖Fig.7 Imaging of tomographic scanning of branch tunnel 6#in Jinkuidi tunnel

從圖7可以看出,圖中30～43 m(K0+153.6～K0+166.6 m)段為巖體破碎帶,結(jié)合地表地質(zhì)測(cè)繪情況,該洞段疑為褶曲構(gòu)造核部,且富含地下水,圍巖穩(wěn)定性極差,開(kāi)挖時(shí)極易坍塌,圍巖參考類別為Ⅴ類;圖中88～98 m(K0+211.6～K0+221.6 m)段隧洞右側(cè)為節(jié)理密集帶,巖體破碎,開(kāi)挖時(shí)隧洞頂拱及右側(cè)邊墻易坍塌,圍巖參考類別為Ⅳ類。

(3)預(yù)報(bào)結(jié)論評(píng)價(jià) 該洞段于2009年12月開(kāi)挖完成,并進(jìn)行了臨時(shí)支護(hù),開(kāi)挖揭露出來(lái)的地質(zhì)情況與超前預(yù)報(bào)結(jié)論基本吻合。全洞段隧洞涌水量大,K0+150.0～K0+170.0段進(jìn)行了管棚支護(hù),安全穿過(guò)了該破碎帶洞段,避免了重大安全事故的發(fā)生;在隧洞的K0+210.0～K0+225.0段,隧洞右側(cè)邊墻垮塌比較嚴(yán)重,經(jīng)過(guò)加強(qiáng)支護(hù)處理,隧洞處于基本穩(wěn)定狀態(tài),未見(jiàn)明顯的變形和拉裂現(xiàn)象。

3.3.2 大五山隧洞8#支洞

(1)工程地質(zhì)概況 大五山隧洞8#支洞為斜支洞,隧洞走向310°,隧洞埋深80～150 m。掌子面巖性為∈1l灰色、深灰色白云巖,巖體呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài),巖層產(chǎn)狀20°∠23°。隧洞南西側(cè)1.5 km處為野鴨湖,湖水位高程略高于隧洞掌子面。

隧洞位于兩條區(qū)域性斷裂(F13、F14)交匯的三角地帶,由于受區(qū)域性斷裂的影響,Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育,隧洞圍巖裂隙極發(fā)育,巖體極破碎,呈散體結(jié)構(gòu),圍巖基本無(wú)自穩(wěn)能力,掌子面圍巖類別為Ⅴ類。

(2)預(yù)報(bào)結(jié)論 本院于2009年11月25日對(duì)該隧洞采用TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行了超前預(yù)報(bào),隧洞層析掃描成像如圖8所示。

圖8 大五山隧洞8#支洞層析掃描成像圖Fig.8 I maging of tomographic scanning of branch tunnel 8#in Dawushan tunnel

從圖8可以看出,隧洞前方發(fā)育一條與隧洞軸線小角度相交的斷層,推測(cè)該斷層為壓性阻水?dāng)鄬?富含地下水。產(chǎn)狀:30°～50°∠65°～75°,由于該斷層與隧洞小角度相交,對(duì)隧洞掌子面前方的圍巖穩(wěn)定影響較大。推測(cè)發(fā)生突水、流砂等地質(zhì)災(zāi)害,建議施工中超前排水,超前固結(jié)灌漿,保證施工安前。

(3)預(yù)報(bào)結(jié)論評(píng)價(jià) 從隧洞開(kāi)挖情況來(lái)看,與預(yù)報(bào)結(jié)論基本吻合,全洞巖體結(jié)構(gòu)基本一致。該隧洞開(kāi)挖至圖中50 m位置處發(fā)生突水、流砂等地質(zhì)災(zāi)害,涌水量2 000 m3/d,預(yù)報(bào)準(zhǔn)確。但突水、流砂等地質(zhì)災(zāi)害還是發(fā)生了,僥幸的是沒(méi)有人員傷亡,只是耽誤了工期,主要原因是施工與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)配合不默契。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道施工中的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)是一個(gè)國(guó)際性的前沿課題,也是一個(gè)難題,各國(guó)都在不斷地開(kāi)發(fā)研究之中。隧道內(nèi)的電磁方法超前預(yù)報(bào),在觀測(cè)方法上和解釋方法上都有很多問(wèn)題有待解決。因而,目前的隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)中仍以反射地震方法為主,因?yàn)榈卣鸱椒ň哂刑綔y(cè)深度大、分辨率高、圖像直觀、操作方便等優(yōu)點(diǎn),其中TRT6000為目前操作最為簡(jiǎn)便、探測(cè)深度大、分辨率高、層析圖像最清晰直觀的一種方法。

由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況十分復(fù)雜,超前地質(zhì)預(yù)報(bào)尚存在很多的理論和應(yīng)用中的空白有待突破和填補(bǔ)。在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)過(guò)程中,儀器設(shè)備與使用人員的有機(jī)結(jié)合是提高預(yù)報(bào)精度的重要因素,即使用物探技術(shù)可以預(yù)測(cè)掌子面前方的巖體情況,為了正確預(yù)報(bào)隧洞前方可能出現(xiàn)的地質(zhì)異常情況,仍需要認(rèn)真調(diào)查、推斷、分析地質(zhì)問(wèn)題,如構(gòu)造情況、巖性情況、巖溶發(fā)育規(guī)律、水的補(bǔ)給情況、斷層的結(jié)構(gòu)、裂隙的連通及粘結(jié)咬合情況等。

[1] 趙永貴.國(guó)內(nèi)外隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)評(píng)述與推介[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2007,22(4):1 345-1 346.

[2] 趙永貴,蔣輝,趙曉鵬.TSP203超前預(yù)報(bào)技術(shù)的缺陷與TST技術(shù)的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2008,5(3):267-268.

(責(zé)任編輯:胡立智)

Application of TRT6000 Tunnel Seismic Prediction System in Niulanjiang-DianchiWater Supplement Project

TAO Zhongping,WANG Jianlin,MI jian,WU Zhengkun,LIDechun
(Yunnan Investigation,Design&Reserch Institute of WaterResources&Hydropower,Kunm ing,Yunnan650021)

TRT6000 Tunnel Seis mic Prediction(TSP)system adopted space observation and migration imaging,the technology of which is more advanced compared with TSP,negative watching velocity and horizontal profile method,velocity characteristic of the surrounding rock in front of the heading face can be decided by this method,accurately image of surrounding rock has been realized,it is suitable for Tunnel Seis mic Prediction with complicated geological conditions.Many methods should been used in order to obtained good effects of the TSP,such as the combination of geological analysis and engineering geophysics,which could make a effective prediction for harm geological structure and water enriched zone.

Tunnel Seismic Prediction;velocity scanning;migration imaging;har m geological structure

U452.1+1

A

1671-1211(2010)05-0522-05

2010-07-10;改回日期:2010-09-06

陶忠平(1950-),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,地質(zhì)專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。E-mial:tzp1950@163.com