綜合超前地質(zhì)預(yù)報在六盤山隧道施工中的應(yīng)用

王 凱

(中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西西安 710054)

1 工程概況

1.1 總體介紹

東毛高速六盤山隧道是東毛高速公路的控制性工程，全長9.49 km，按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計速度為每小時80 km，其進(jìn)口位于涇源縣東山坡，出口位于隆德縣東側(cè)。六盤山隧道設(shè)計為單洞分離式隧道，左右線間隔31 m～48 m，屬超長隧道。左線隧道起迄樁號為ZK6+270，ZK15+760，隧道長度9 490 m，左線進(jìn)口位于直線上，出口位于半徑為R=3060的圓曲線上，隧道縱坡為1.676/-2.782;右線隧道起迄樁號為K6+230，K15+710，隧道長度9 480 m，右線進(jìn)口位于直線上，出口位于半徑為R=3080的圓曲線上，隧道縱坡為1.68/-2.7。

1.2 氣象、水文

本項目所經(jīng)區(qū)域?qū)賰?nèi)陸性季風(fēng)氣候，地處中溫帶半濕潤向半干旱過渡地帶，四季不分明，冬長且冷，春秋涼爽，夏季短而溫和。晝夜溫差較大，春季升溫快，秋季降溫迅速，無霜期短;干旱、霜凍、冰雹等自然性災(zāi)害天氣頻繁。

該區(qū)域多晴朗天氣，日照較充足，年平均日照數(shù)為2 193.3h。年平均氣溫5.1℃，元月份最低，7月份最高，晝夜溫差較大，一般在20℃ ～22.3℃之間，歷年最低極端氣溫-25.7℃，最高極端氣溫31.4℃，近15年的月平均最低氣溫0.5℃。平均無霜期為124 d。主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)。區(qū)內(nèi)年平均降水量為745.4 mm，最大凍土深度為113 cm。全年降水量最多為8月份，占全年23%，最少為12月份，占全年0.6%。全年蒸發(fā)量為773 mm～978 mm。

六盤山為區(qū)域分水嶺，六盤山以東為涇河水系，以西為渭河水系。發(fā)育于六盤山以東的溝谷主要有頓家川、東山坡溝、黑溝渠，這些溝谷均具長年流水。發(fā)育于六盤山以西的渝河屬渭河水系，主要溝谷有清涼河(大峽、小峽)、直峽、黃家峽等，這些溝谷均具長年流水，尤以大峽與小峽流量頗大。并在工作區(qū)內(nèi)已建成清涼水庫、黃家峽水庫、直峽水庫等，清涼水庫是隆德縣城的唯一供水水源地。

1.3 地形、地貌

項目區(qū)地勢基本上為中間高兩側(cè)低，六盤山主脈地勢最高，海拔2 900 m左右，南北走向，為中低山嶺地貌，區(qū)內(nèi)峰巒疊嶂、溝谷縱橫、山大溝深，路線經(jīng)過處寬度約10 km。六盤山主脈西坡較緩，相對高差約為800 m，平均坡度約為10%，東坡較陡，相對高差約為1 000 m，平均坡度約30%。

項目區(qū)內(nèi)地貌按成因類型、形態(tài)可劃分為侵蝕構(gòu)造中低山、侵蝕構(gòu)造丘陵、渝河三級階地和侵蝕堆積河谷四種地貌類型。

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報

2013年1月21日，在東毛高速公路六盤山隧道A3標(biāo)斜井，采用TSP 203plus儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。震源點位于右側(cè)墻，設(shè)計24炮，實際激發(fā)22炮，炮點間距約1.5 m，傳感器樁號K1+076。本次探測范圍為斜井K0+997～K0+897，共100 m。同時在掌子面還實施了地質(zhì)雷達(dá)法超前地質(zhì)預(yù)報。

如圖1所示，探測掌子面圍巖的巖性為弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖體較完整，局部存在裂隙。

2.1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報

2.1.1 TSP預(yù)報方法原理

預(yù)報采用瑞士安伯格公司生產(chǎn)的TSP 203plus隧道地震超前預(yù)報系統(tǒng)。TSP測量系統(tǒng)是通過在掌子面后方一定距離內(nèi)的鉆孔中以微震爆破來發(fā)射信號的，爆破引發(fā)的地震波在巖體中以球面波的形式向四周傳播，在傳播過程中遇不良地質(zhì)體(如地層層面、層理面和節(jié)理面，特別是斷層破碎帶界面等)被反射回來，TSP測量系統(tǒng)用三分量傳感器將這些信號進(jìn)行采集并記錄，通過反射時間與地震波傳播速度的換算就可以將反射面的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進(jìn)面的距離確定下來，同時還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置方便的探測出來?，F(xiàn)場探測系統(tǒng)布置圖見圖2。

圖1 探測掌子面示意圖

圖2 探測系統(tǒng)布置示意圖

采集的TSP數(shù)據(jù)，通過TSPwin軟件進(jìn)行處理，獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面和反射層提取以及巖石物性參數(shù)等一系列成果。

在成果解釋中，以P波資料為主對巖層進(jìn)行劃分，結(jié)合橫波資料對地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。解釋中，遵循以下準(zhǔn)則:

1)正反射震幅表明硬巖層，負(fù)反射震幅表明軟巖層。

2)若S波反射較P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水。

3)Vp/Vs增加或δ突然增大，常常由于流體的存在而引起。

4)若Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加。

2.1.2 TSP探測成果

用TSPwin軟件對接收到的地震波信號進(jìn)行處理，得到掌子面前方巖體波速、界面及巖體物性參數(shù)等成果。并附有縱橫波偏移、反射界面圖和巖石物理力學(xué)參數(shù)曲線圖等。

結(jié)合地質(zhì)分析和地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果，本次TSP預(yù)報成果詳細(xì)解釋如表1所示。

表1 TSP預(yù)報成果詳細(xì)解釋

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法超前地質(zhì)預(yù)報

2.2.1 地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報原理

地質(zhì)雷達(dá)通過發(fā)射天線將高頻電磁波送入物體內(nèi)部，電磁波在傳播過程中遇到介電常數(shù)不同的層面發(fā)生反射和透射，接收天線收到反射波信號并將其數(shù)字化，對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，可根據(jù)反射波的旅行時間、幅度、相位和頻率等，判斷地下目標(biāo)體的空間位置和形態(tài)。

2.2.2 地質(zhì)雷達(dá)測線布置

本次探測在掌子面下端布置了一條測線，測線長度為10 m，如圖3所示。地質(zhì)雷達(dá)天線頻率為80 MHz。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)測線布置圖

2.2.3 本次地質(zhì)雷達(dá)探測成果

本次探測的地質(zhì)雷達(dá)結(jié)果如圖4所示，通過分析雷達(dá)圖像處理結(jié)果，推斷的探測結(jié)果如下:

1)在掌子面前方0 m～5 m范圍內(nèi)(K0+997～K0+992)，圍巖質(zhì)量與現(xiàn)有掌子面揭露情況較一致，圍巖較完整，無明顯水信號。

2)在掌子面前方5 m～20 m范圍內(nèi)(K0+992～K0+977)，雷達(dá)波信號嚴(yán)重衰減，在掌子面前方5 m～10 m范圍內(nèi)，存在雷達(dá)波強(qiáng)反射區(qū)域，在圖4中已標(biāo)出，推斷該區(qū)域內(nèi)圍巖裂隙較發(fā)育，可能出現(xiàn)滴、滲水現(xiàn)象。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果

2.3 建議

根據(jù)TSP探測成果推斷，掌子面前方K0+992～K0+988，K0+966～K0+960和K0+905～K0+902范圍內(nèi)裂隙和層面較發(fā)育，局部存在滴水或滲水現(xiàn)象。由于現(xiàn)場探測時接收孔深度不夠且部分炮孔封堵不夠好，導(dǎo)致探測結(jié)果受到較大影響。建議加強(qiáng)監(jiān)控量測和掌子面出水狀態(tài)觀察。再結(jié)合已有地質(zhì)資料、開挖揭露地質(zhì)情況和地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果分析，在掌子面前方0 m～20 m范圍內(nèi)圍巖較完整，局部可能存在裂隙和滴、滲水現(xiàn)象。建議加強(qiáng)施工監(jiān)控量測和掌子面圍巖狀態(tài)觀察，若出現(xiàn)異常情況，建議加強(qiáng)施工安全和防護(hù)措施。

3 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在公路、鐵路、水利等各領(lǐng)域，隧道工程將越來越多。六盤山隧道通過應(yīng)用綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，在施工中有效地規(guī)避了許多地質(zhì)風(fēng)險，避免和減少了由于地質(zhì)狀況不明而給施工帶來的嚴(yán)重?fù)p失，降低了施工風(fēng)險，保證了人員與儀器安全，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)。實踐證明綜合超前地質(zhì)預(yù)報，盡管存在對施工有一定的干擾、工序復(fù)雜等情況，但對隧道地質(zhì)災(zāi)害有較好的預(yù)報效果，起到了為隧道施工保駕護(hù)航的作用。

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