隧道地震勘探(TSP)在某隧道含水構(gòu)造預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

李麗燕 王 剛

(安徽省煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，安徽宿州 234000)

0 引言

近十年來(lái)，隨著我國(guó)交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，西部山嶺地區(qū)隧道在鐵路公路中所占比重不斷增大，隧址區(qū)的工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜多變。涌突水、塌方、瓦斯等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，給人民的財(cái)產(chǎn)安全和人身安全帶來(lái)了重大危害。因此，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)減少施工事故的發(fā)生起到了非常重要的作用。為降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的幾率和危害程度，對(duì)不良地質(zhì)段應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并采取長(zhǎng)、短距離相結(jié)合的預(yù)報(bào)方法。為了預(yù)測(cè)、預(yù)防突涌水，縮小涌突水帶來(lái)的危害，需要有針對(duì)性地科學(xué)的布置實(shí)施勘察、預(yù)報(bào)工作。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)通常包括常規(guī)地質(zhì)分析法［1，2］、物探法［3-6］、超前鉆探、超前導(dǎo)坑和工程類(lèi)比法等。宏觀地質(zhì)分析法，可預(yù)報(bào)斷層、巖溶等不良地質(zhì)體的賦存范圍，為物探方法選擇提供依據(jù)，但預(yù)報(bào)精度和準(zhǔn)確性有限;超前鉆探和超前導(dǎo)坑的鉆孔斷面小且少量鉆孔，由于“一孔之見(jiàn)”的問(wèn)題，容易遺漏重大災(zāi)害源，隧道建設(shè)時(shí)選取部分或局部進(jìn)行地表鉆探、洞內(nèi)鉆探及導(dǎo)坑，這不能準(zhǔn)確反映隧址區(qū)地質(zhì)條件，許多潛在災(zāi)害隱患未能察覺(jué);工程類(lèi)比法對(duì)整體地質(zhì)情況把握較好，但類(lèi)比條件比較苛刻，需要積累總結(jié)大量的工程案例;物探方法預(yù)報(bào)精確度高且距離遠(yuǎn)，能對(duì)勘察報(bào)告已經(jīng)推斷存在的涌突水位置進(jìn)行較為真實(shí)的驗(yàn)證，判斷地表發(fā)育的涌突水構(gòu)造，探測(cè)可能未被發(fā)現(xiàn)的含水地質(zhì)構(gòu)造，它的特點(diǎn)是對(duì)隧道施工干擾小。

隨著隧道地震預(yù)報(bào)技術(shù)的不斷發(fā)展，隧道地震預(yù)報(bào)系統(tǒng)(TSP)已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于隧道不良地質(zhì)超前預(yù)報(bào)當(dāng)中。TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是瑞士20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)的，該方法利用了地震波在不均勻地質(zhì)體內(nèi)產(chǎn)生的反射波特性來(lái)預(yù)報(bào)隧道前方及周?chē)R近區(qū)域的地質(zhì)情況，能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧道掌子面前方100 m～200 m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，是目前在該領(lǐng)域的較為先進(jìn)的探測(cè)手段，在預(yù)報(bào)隧道前方巖性的變化、斷層破碎帶及裂隙發(fā)育帶、軟弱地層的分布、水、溶洞等方面有不少成功案例，通過(guò)探測(cè)為隧道工程施工以及變更施工工藝提供依據(jù)，大大降低了隧道施工的危險(xiǎn)性，減少人員和財(cái)物損傷。因此，TSP203超前預(yù)報(bào)方法具有巨大的經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)效益。

1 TSP203的工作原理

1.1 工作原理

無(wú)損地球物理探測(cè)——隧道地震勘探(TSP)，可以預(yù)測(cè)即將開(kāi)挖隧道相關(guān)地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其周?chē)刭|(zhì)狀況，同時(shí)也可以對(duì)其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。在大多數(shù)巖層結(jié)構(gòu)中，它的有效預(yù)報(bào)范圍可達(dá)100 m(以隧道掌子面為基準(zhǔn))，在堅(jiān)硬的巖層中甚至可高達(dá)200 m，同時(shí)整個(gè)測(cè)量工作對(duì)隧道施工不會(huì)有干擾或者僅有細(xì)微的干擾。

TSP203 plus隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)是通過(guò)在掌子面后方一定距離內(nèi)的炮孔中引爆炸藥產(chǎn)生地震波來(lái)發(fā)射信號(hào)的，地震波在巖體中以球面的方式向四周擴(kuò)散，其中一部分向隧道掌子面方向傳播，遇到隧道前方的地質(zhì)界面地震波反射回來(lái)，接收桿中的傳感器接收反射信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大。從起爆到發(fā)射信號(hào)被接收的這段時(shí)間是與反射面的距離成比例的。通過(guò)反射時(shí)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(xiàn)的夾角以及與隧道掘進(jìn)面的距離確定下來(lái)，同時(shí)還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置探測(cè)出來(lái)。觀測(cè)系統(tǒng)與隧道關(guān)系如圖1所示。

1.2 布孔要求

地震波來(lái)自隧道邊墻上特定位置激發(fā)的小型爆破產(chǎn)生的能量傳遞，一般情況下，在隧道一側(cè)壁上沿洞軸線(xiàn)方向布設(shè)24個(gè)炮孔(爆破點(diǎn))，所有炮孔成一條直線(xiàn)，炮孔間距為1.5 m，深為1.5 m，炮孔傾向?yàn)檠剡厜ο蛳?0°～15°，有助于灌水堵孔。遠(yuǎn)離掌子面方向并距離最后的炮孔15 m～20 m處布置接收器點(diǎn)(單側(cè)或雙側(cè))，接收孔孔深為2 m，垂直于邊墻向下15°，用以布設(shè)地震波接收傳感器。

1.3 探測(cè)解釋

施測(cè)過(guò)程中，在設(shè)備連接無(wú)誤后，逐次接線(xiàn)并電激發(fā)各炮孔中的炸藥(約50 g～150 g，依不同圍巖情況而調(diào)整)，所產(chǎn)生的地震波在隧道圍巖中傳遞，當(dāng)遇到巖體中的節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面、地層層面、破碎巖體縫隙、溶洞以及暗河等不良地質(zhì)體時(shí)，將產(chǎn)生反射波，反射波的大小與方向、反射時(shí)間能夠反映相對(duì)應(yīng)反射面的地質(zhì)情況，包括巖層的性質(zhì)及其與接收器的距離。在所有爆破點(diǎn)依次引爆后，采用TSP win軟件系統(tǒng)對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的處理，可獲取地震波傳遞過(guò)程中的P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面圖，并能顯示深度剖面圖、反射層提取剖面圖以及包含地震波波速、縱橫波速比、泊松比、密度、靜態(tài)楊氏模量、動(dòng)態(tài)楊氏模量的巖體物性圖。在成果解譯過(guò)程中，主要以P波分析數(shù)據(jù)對(duì)探測(cè)段的巖性進(jìn)行劃分，并結(jié)合S波數(shù)據(jù)對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行綜合描述，應(yīng)遵循以下原則:

1)反射振幅反映巖體性質(zhì)，正振幅表示硬性巖體，負(fù)振幅表示軟性巖體。2)若S波反射強(qiáng)于P波，表明該處巖層賦存水。3)若縱橫波速比Vp/Vs增加或泊松比μ陡然增大，常常為流體的作用。4)若縱波波速Vp出現(xiàn)下降，表明巖體節(jié)理裂隙或孔隙度增大。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某隧道是左線(xiàn)起訖樁號(hào)ZK64+292～ZK66+796，長(zhǎng)2 504 m;右線(xiàn)起訖樁號(hào)YK64+300～YK66+800，長(zhǎng)2 500 m。

隧道區(qū)基巖露頭均為沉積巖地層，隧道區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主體構(gòu)造規(guī)模巨大的有通城河斷裂帶?；九c通城河相伴平行展布，系由一組寬約1 km～2 km的斷裂帶組成。斷裂切割二疊系，三疊系和白堊系，形成了控制遠(yuǎn)安地塹的西側(cè)斷裂帶。地貌上沿?cái)嗔褞毡橐?jiàn)由遠(yuǎn)安地塹所形成的負(fù)地形，斷裂沿線(xiàn)斷層陡崖和斷層三角面發(fā)育，斷層顯示上盤(pán)下降的正斷層，斷面傾向東，或北東。隧道區(qū)還發(fā)育北東向曾家溝斷裂，某斷裂，北北西向的任家溝斷裂。隧道地層為上白堊系羅鏡灘組石灰質(zhì)礫巖，地表巖溶發(fā)育，分布大量的巖溶洼地，落水洞，漏斗，大氣降水直接通過(guò)落水洞，漏斗灌入地下，并通過(guò)地下河排向深切河谷，K65+900兩側(cè)發(fā)育有漏水洞，為典型的強(qiáng)巖溶隧道，施工風(fēng)險(xiǎn)極大。隧道開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)突水工程事故。

2.2 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

2013年5月18日，利用TSP203 plus系統(tǒng)對(duì)該隧道左線(xiàn)進(jìn)口段進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，此次預(yù)報(bào)中成功激發(fā)19炮，炮孔間距為1.5 m，接收器布設(shè)于隧道左邊墻內(nèi)(面向掌子面)接收。掌子面樁號(hào)為ZK64+855，傳感器樁號(hào)為ZK64+805。采集系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定為:采樣率62.5 μs，記錄長(zhǎng)度7 218樣點(diǎn)，X-Y-Z三分量接收。該次探測(cè)段里程為ZK64+855～ZK64+980，共125 m。

2.3 成果解釋

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析結(jié)果，在ZK64+916～ZK64+944段地震波在圍巖傳播時(shí)波速顯著下降，特別是在ZK64+916～ZK64+920段密度亦出現(xiàn)顯著下降，表明在此段圍巖風(fēng)化程度較高，含水量高，且軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，根據(jù)目前掌子面滲水情況，結(jié)合預(yù)報(bào)分析，此段極有可能發(fā)生突水事故。建議該段施工時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，做好排水與積水疏導(dǎo)，并做好掉塊落石的主動(dòng)防御工作。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)超前鉆探結(jié)果

隧道施工到ZK64+916時(shí)，掌子面圍巖揭露為風(fēng)化礫巖與風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖交界處，根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料知此段隧道處于巖溶水系統(tǒng)的補(bǔ)給，徑流區(qū)，屬包氣帶，且構(gòu)造發(fā)育，巖溶水系統(tǒng)通過(guò)本段容易產(chǎn)生突涌水。5月31日凌晨在里程ZK64+916處進(jìn)行超前鉆探，孔位位于掌子面左上角拱肩處，鉆孔深至2 m時(shí)，突然出現(xiàn)股狀涌水，涌水量約200 m3/h。

3 結(jié)語(yǔ)

1)TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)隧道掌子面前方不良地質(zhì)體的探測(cè)是準(zhǔn)確的，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)突水進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)保證了隧道的施工安全。做到能夠提前預(yù)防，提前治理。

2)通過(guò)對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果的解釋?zhuān)贸龅卣鸩ㄔ趪鷰r傳播時(shí)波速下降，密度亦出現(xiàn)顯著下降，表明在此段圍巖風(fēng)化程度較高，含水量可能較大，施工時(shí)應(yīng)控制進(jìn)尺，加強(qiáng)支護(hù)，保護(hù)巖體的承載力，仰拱二襯及時(shí)跟進(jìn)，盡早封閉成環(huán)，并做好監(jiān)控量測(cè)。

3)通過(guò)對(duì)某隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)例，在準(zhǔn)確判斷不良地質(zhì)體的過(guò)程中應(yīng)結(jié)合TSP探測(cè)結(jié)果及地質(zhì)勘察資料，進(jìn)行科學(xué)判斷，綜合分析。

［1］鐵道部第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1999.

［2］張 煒，李治國(guó)，王全勝.巖溶隧道涌突水原因分析及治理技術(shù)探討［J］.隧道建設(shè)，2008，28(3):257-260.

［3］方俊波.圓梁山隧道向斜段地表及地下連通性分析［J］.隧道道建設(shè)，2004，24(5):16-20.

［4］利奕年，王國(guó)斌.TRT隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化［A］.自主創(chuàng)新與持續(xù)增長(zhǎng)第十一屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)論文集［C］.重慶:中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，2009.

［5］范占鋒，李天斌，孟陸波.探地雷達(dá)在公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2010，34(1):119-122.

［6］竇 順，韓成海，趙常要.瓦窯坡隧道巖溶地質(zhì)超前預(yù)報(bào)綜合技術(shù)［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011，7(2):366-370.