超前地質(zhì)預報技術在隧道探測中的應用

藍志杰,張成良

(昆明理工大學國土資源工程學院,云南昆明 650093)

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超前地質(zhì)預報技術在隧道探測中的應用

藍志杰,張成良

(昆明理工大學國土資源工程學院,云南昆明 650093)

摘要:通過超前地質(zhì)預報技術,可有準備地做好各項預防和施工措施,從而提早改變施工方法,做好應急預案,保證隧道工程的順利進行。文中結合工程實例,采用地質(zhì)雷達(GPR)、TSP地震波、高密度電阻率法等超前地質(zhì)預報技術對隧道進行探測,判斷隧道地層巖性、風化程度、節(jié)理發(fā)育、圍巖級別等性質(zhì),對隧道易產(chǎn)生的地質(zhì)災害進行分析并對隧道施工提出相關建議。

關鍵詞:隧道;超前地質(zhì)預報;地質(zhì)雷達(GPR);TSP地震波;高密度電阻率法

進入21世紀,伴隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的啟動,鐵路、公路工程建設明顯增多。受隧道長度、埋深等因素的影響,地質(zhì)條件越趨復雜。由于隧道埋深大,在初期勘探中采用宏觀的地面調(diào)繪、鉆探、波速測井等方法很難準確查明微觀水文、地質(zhì)條件及不良地質(zhì)體的賦存狀態(tài),導致施工過程中突水、突泥、坍塌等事件時有發(fā)生,給施工帶來極大困難,造成施工人員和施工設備的重大安全事故。在隧道施工過程中進行超前地質(zhì)預報,通過對每部分地質(zhì)段的分析,并根據(jù)圍巖的穩(wěn)定性對施工最為不利地段作出判斷,進而在開挖前切實做好預防措施,可減少施工盲目性,保證隧道施工安全。

1 超前地質(zhì)預報技術的運用

依據(jù)設計圖紙?zhí)峁┑牡刭|(zhì)資料、現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查資料及洞內(nèi)圍巖觀測資料,在隧道施工中采取長距離宏觀預報與短距離準確預報相結合,采用不同原理的方法對隧道進行超前地質(zhì)預報。

1.1 探測方法及流程

目前超前地質(zhì)預報主要使用以下3種方法:1)地質(zhì)雷達(GPR),適合短期超前地質(zhì)預報;2)TSP地震波,適合中期超前地質(zhì)預報;3)高密度電阻率法,適合長期超前地質(zhì)預報。隧道超前地質(zhì)預報工作流程見圖1。

1.2 超前地質(zhì)預報數(shù)據(jù)的處理分析

(1)根據(jù)隧道預報區(qū)域的工程與水文地質(zhì)簡介繪制開挖掌子面的地質(zhì)素描圖并制作地質(zhì)編錄。

(2)采用物探的工作原理、設備簡述,根據(jù)現(xiàn)場的實際設計觀測系統(tǒng)。

(3)對物探數(shù)據(jù)進行處理,提供典型圖例,對規(guī)定測試內(nèi)容提出明確結論及建議。

(4)對物探數(shù)據(jù)進行解釋,結合地質(zhì)方法,對隧道掌子面前方一定距離內(nèi)的地質(zhì)結構和含水性進行描述,對存在的不良地質(zhì)體和地質(zhì)災害進行預警,提供預報地質(zhì)圖件。

(5)描述隧道圍巖類別劃分,對隧道施工提出有針對性的建議。

圖1 超前地質(zhì)預報工作流程

1.3 工程概況

北山隧道位于云南省曲靖市太平哨至青山繞城高速公路,進口設計高程1 886.09 m,出口設計高程1 887.97 m,最大埋深約85 m。該隧道穿越不同地質(zhì)帶,地質(zhì)構造尤為復雜,儀器探測精度對隧道超前地質(zhì)預報的開展有著重大影響。隧道圍巖以玄武巖為主,可能有凝灰?guī)r巖體和溶洞、地下暗河等不良地質(zhì)體,這也是探測工作的難點之一。凝灰?guī)r巖體可能含有蒙脫石、高嶺石等黏土礦物,這些礦物遇水極不穩(wěn)定,可能導致隧道底鼓和變形,對施工的正常進行產(chǎn)生極大阻礙。測區(qū)上部覆蓋層巖體完整性較差,全～強風化,呈砂狀、角礫狀,少量碎石樁狀、土狀,巖體極破碎,節(jié)理極發(fā)育,富水性較為貧乏。下面采用上述3種方法對該隧道進行超前地質(zhì)預報。

2 GPR超前地質(zhì)預報

2.1 GPR原理及系統(tǒng)組成

利用GPR進行無損檢測是地球物理探測技術中的一種方法,在隧道質(zhì)量檢測中得到廣泛應用。GPR是使用高頻甚至超高頻段的地下電磁波反射探測技術,主要利用寬帶高頻時域電磁脈沖波的反射探測目標體,可根據(jù)測得的雷達波走時自動求得反射物的深度z并進一步界定其范圍、判定其性質(zhì)。其工作原理見圖2。

圖2 GPR工作原理示意圖

2.2 北山隧道GPR探測與解釋

使用意大利IDS-RIS-K2型GPR對北山隧道進行探測。探測的有效距離取20 m,根據(jù)隧道施工設計圖及隧道施工現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查進行探測斷面布置(見圖3)。

圖3 GPR探測測線布置示意圖

由GPR探測反射波剖面圖像(見圖4)可知:測線在20 m深度內(nèi),局部反射波強,同向軸呈較連續(xù)狀態(tài),振幅、頻率變化不大。據(jù)GPR探測得到的反射波圖像,結合該工程地質(zhì)實際,K51+284—264段圍巖為玄武巖,節(jié)理裂隙很發(fā)育,巖體很破碎,地下水不豐富,局部出水狀態(tài)為點滴狀滲水。

圖4 GPR探測反射波剖面圖像

2.3 GPR探測結論

根據(jù)GPR探測結果和掌子面地質(zhì)調(diào)查,北山隧道圍巖地質(zhì)情況為:

(1)巖性及風化程度。巖體為灰綠色、褐黃色塊狀玄武巖,中等～強風化。

(2)節(jié)理裂隙發(fā)育情況。節(jié)理裂隙發(fā)育3組以上,且雜亂,一組左傾,一組右傾,主要一組近直立微向右傾,構成不利結構面組合;巖體破碎,巖體完整性較差,呈碎石狀壓碎結構。

(3)地下水。地下水不豐富,局部出水狀態(tài)為點滴狀滲水。

(4)巖石的堅硬程度。玄武巖原巖屬于硬質(zhì)巖,但受構造影響很嚴重,在地下水和風化等綜合作用下,圍巖的堅硬程度有所降低。

(5)圍巖級別。根據(jù)JTG C20-2011《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》關于隧道圍巖分類的有關規(guī)定,判定圍巖級別為Ⅳ級。

2.4 北山隧道施工建議

鑒于探測段圍巖穩(wěn)定性較差,拱部無支護時可能產(chǎn)生較大坍塌,側壁經(jīng)常發(fā)生小坍塌,宜采用“多循環(huán)、及支護、早成環(huán)”的方式進行隧道施工。具體措施如下:

(1)巖體節(jié)理裂隙很發(fā)育,巖體被切割成碎石、角礫狀,開挖后易產(chǎn)生掉塊和塌方,需采用光面爆破控制輪廓面的開挖,并嚴格控制開挖進尺和單響最大藥量,最大程度減少爆破震動對圍巖的擾動。

(2)圍巖強度較低,自穩(wěn)能力較差,開挖前采用超前支護,開挖后立即進行初期支護,減少圍巖的暴露時間,避免開挖不當或支護不及時造成圍巖失穩(wěn);同時進行仰拱施工,盡早成環(huán)。

3 TSP法超前地質(zhì)預報

3.1 TSP法原理和系統(tǒng)組成

TSP法的基本原理:在隧道邊墻一定范圍內(nèi)布置激發(fā)點,人工激發(fā)地震波,所產(chǎn)生的地震波在隧道圍巖中傳播,當圍巖強度發(fā)生變化(如遇巖溶、斷層或巖層的分界)時,一部分地震波將被反射回來,另一部分地震波將繼續(xù)向前傳播,反射的地震波由高精度的接收器接收并傳遞到主機形成地震波記錄(見圖5)。TSP230系統(tǒng)的組成及測試見圖6。

圖5 TSP法波形記錄

圖6 TSP230系統(tǒng)的組成及測試示意圖(單位:m)

3.2 TSP探測與參數(shù)成果

預報時掌子面里程為K51+264,預報里程為K51+264—164(即預報掌子面前方100 m)。該測區(qū)位于“山”字形構造前弧東翼,路線所經(jīng)區(qū)域構造體系行跡主要為華夏系、新華夏系及北西向構造體系,各種構造行跡交織,復合形式復雜多樣。隧道處于新華夏構造體系阿角村向斜西翼,受構造影響不強,巖石破碎,風化強烈,隧道范圍內(nèi)無斷層通過。

布置一個地震波信息接收孔和23個激發(fā)孔分別激發(fā)地震波進行探測。TSP法反射層位及物理力學參數(shù)與二維推斷分析成果見圖7。

3.3 TSP法探測結論和建議

(1)K51+264—254段:長約10 m,圍巖為灰綠色塊狀玄武巖,原巖屬堅硬巖,強度較高,中等～強風化,受構造影響很嚴重,節(jié)理裂隙發(fā)育3組以上,結構面結合程度差,巖體破碎,巖體呈碎石狀壓碎結構,硐室圍巖穩(wěn)定性較差;掌子面潮濕,地下水不豐富,含基巖裂隙水,出水狀態(tài)為點滴狀滲水;圍巖級別為Ⅳ級。建議該段施工時加強超前支護,防止塌方。

圖7 TSP法二維推斷分析成果

(2)K51+254—200段:長約54 m,圍巖為灰綠色塊狀玄武巖,原巖屬堅硬巖,強風化,結構面結合程度很差,受構造影響很嚴重,節(jié)理裂隙很發(fā)育且雜亂,巖體很破碎,巖體呈角(礫)碎(石)狀松散結構,局部地段為軟弱巖層,硐室圍巖穩(wěn)定性差;地下水不豐富,含基巖裂隙水,出水狀態(tài)以點滴狀為主; K51+254—248、K51+236—217、K51+203—200段圍巖節(jié)理裂隙雜亂,巖體很破碎,地下水較豐富,推測可能為巖體破碎帶,應注意加強超前支護;圍巖級別為Ⅴ級。建議該段施工時加強支護,防止坍塌。

(3)K51+200—164段:長約36 m,圍巖為灰綠色塊狀玄武巖,原巖屬堅硬巖,強度較高,中等～強風化,受構造影響很嚴重,節(jié)理裂隙發(fā)育3組以上,結構面結合程度差,巖體破碎,巖體呈碎石狀壓碎結構,硐室圍巖穩(wěn)定性較差;地下水不豐富,含基巖裂隙水,出水狀態(tài)為點滴狀滲水;圍巖級別為Ⅳ級。建議該段施工時加強支護,防止坍塌。

4 高密度電阻率法超前地質(zhì)預報

4.1 工作方法及原理

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法,也稱自動電阻率系統(tǒng),是直流電法的發(fā)展,其功能相當于三極測深與電剖面法的結合。觀測中設置較高密度的測點,通過電極向地下供電形成人工電場,其電場分布與地下巖土介質(zhì)的電阻率ρ的分布密切相關。其工作系統(tǒng)見圖8。

圖8 高密度電阻率法工作系統(tǒng)示意圖

4.2 北山隧道勘察成果和分析

運用高密度電阻率法,利用相關觀測儀器對北山隧道進行觀測,根據(jù)所得視電阻率圖像判斷隧道圍巖節(jié)理發(fā)育情況和整體完整性,得出對施工最為不利的地質(zhì)段有4段(見表1)。

表1 北山隧道不良地質(zhì)段

4.3 北山隧道探測結論

綜合地質(zhì)勘察、高密度電阻率法和地表地形地質(zhì)調(diào)查結果,得出如下結論:

(1)隧址區(qū)經(jīng)歷了較長時期強烈的地質(zhì)構造及區(qū)域地質(zhì)作用,巖體破碎,風化強烈,完整性差,隧道圍巖級別低,對施工安全不利。

(2)對施工最為不利的地段有4段,總長318 m,超過隧道總長的1/2,對隧道施工影響較大。

(3)隧道圍巖節(jié)理發(fā)育,巖體切割破碎,風化程度高,圍巖的整體完整性差,圍巖級別為Ⅴ級。

4.4 施工建議

(1)對可能存在和產(chǎn)生涌水、坍塌的地段,為防止突發(fā)性地質(zhì)災害的發(fā)生,開挖前切實做好預防措施,施工中及時做好支護及排水,防止坍塌。

(2)針對高密度電阻率法超前預報提出的施工最為不利地段,在施工過程中進一步采用地質(zhì)雷達法、TSP法加強短期和中期超前預報,以提高預報精度,更好地指導施工,確保施工安全。

5 結語

隧道埋藏于地下一定深度,天然地質(zhì)體中存在節(jié)理裂隙、應力和地下水,在隧道施工中需采用不同儀器設備進行探測,對不良地質(zhì)類型進行預報,以達到隧道開挖和支護工程優(yōu)化配置的目的。超前地質(zhì)預報是保證隧道安全施工的關鍵,采用地質(zhì)雷達法、TSP地震波、高密度電阻率法等技術對隧道進行探測,可探明隧道中斷裂破碎帶、富水帶等不良地質(zhì)現(xiàn)象的分布,查清工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特征。采用不同的儀器設備探測同類不良地質(zhì)類型,通過相互印證和判斷,可提高對不良地質(zhì)類型預報的準確性。

為保證信息快速反饋到施工一線,確保施工安全,隧道地質(zhì)短距離預測應在每次掌子面爆破后進行,如根據(jù)掌子面地質(zhì)情況結合地質(zhì)勘察、TSP探測判斷前方短距離內(nèi)存在不良地質(zhì)體,應第一時間將不良地質(zhì)體的類型、大致規(guī)模、應采取的防范措施和應急措施告知現(xiàn)場技術人員和施工人員,保證隧道施工的順利進行。

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收稿日期:2015-11-19

中圖分類號:U456.3

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0216-04