TGP超前預(yù)報(bào)方法在川西公路隧道建設(shè)中的應(yīng)用

朱 炯，韓自強(qiáng)

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

TGP超前預(yù)報(bào)方法在川西公路隧道建設(shè)中的應(yīng)用

朱 炯，韓自強(qiáng)

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

采用TGP超前預(yù)報(bào)方法，對(duì)川西某在建公路隧道開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。超前預(yù)報(bào)現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，按照TGP工作要求采集數(shù)據(jù)，且采集到的三分量數(shù)據(jù)直達(dá)波明顯，縱橫波分明，各道相關(guān)性較好，原始數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。并按TGP資料處理流程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，且同、對(duì)側(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果相關(guān)性較好，解釋結(jié)果真實(shí)可靠。TGP預(yù)報(bào)結(jié)果表明：該公路隧道預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際開(kāi)挖結(jié)果相吻合，TGP同側(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果優(yōu)于對(duì)側(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果。因此，實(shí)際工作中應(yīng)堅(jiān)持“同對(duì)側(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果相互比對(duì)，以同側(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果為準(zhǔn)的原則”對(duì)超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行分析解釋。

TGP；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；同側(cè)；對(duì)側(cè)；破碎帶

隨著我國(guó)公路隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多長(zhǎng)大高速公路隧道已建成或正在建設(shè)中。長(zhǎng)大高速公路隧道由于線路長(zhǎng)、埋深大，前期地質(zhì)勘查未必能準(zhǔn)確查明隧道穿越路線的水文及地質(zhì)情況，從而導(dǎo)致施工過(guò)程中突發(fā)一些地質(zhì)災(zāi)害，如巖溶、突泥突水、坍塌等。這些地質(zhì)災(zāi)害往往會(huì)造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致隧道建設(shè)停工、更改線路等，致使工期延誤[1-5]。因此，為了彌補(bǔ)隧道建設(shè)前期地質(zhì)勘查的不足，查明地質(zhì)災(zāi)害體的詳細(xì)分布，以便在臨近地質(zhì)災(zāi)害體時(shí)能采取相應(yīng)的措施，對(duì)隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)十分必要。此外，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)也是隧道動(dòng)態(tài)信息化施工的重要組成部分，根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)論并結(jié)合地質(zhì)情況，可及時(shí)調(diào)整圍巖級(jí)別和支護(hù)參數(shù)，為優(yōu)化工程設(shè)計(jì)及施工方案提供地質(zhì)依據(jù)[6-9]。

目前國(guó)內(nèi)采用的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法主要有物探方法、鉆探方法及地質(zhì)綜合分析方法。物探方法主要包括地震類方法和電磁類方法[10-12]。其中，地震類預(yù)報(bào)方法利用地震波的反射和繞射來(lái)探測(cè)掌子面前方圍巖的地質(zhì)情況，其所測(cè)得的巖石力學(xué)參數(shù)可為圍巖級(jí)別的劃分提供有力依據(jù)。TGP超前預(yù)報(bào)方法作為地震類預(yù)報(bào)方法之一，具有儀器整機(jī)性能好、檢波器靈敏度高、檢波器與圍巖耦合效果好、觸發(fā)誤差小的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，并取得了較好的預(yù)報(bào)成果[13-15]。本文采用TGP超前預(yù)報(bào)方法，對(duì)川西某高速公路隧道開(kāi)展了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

1 TGP方法工作原理

TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作原理主要是在隧道邊墻圍巖內(nèi)采用排列方式激發(fā)地震波，地震波在向三維空間傳播的過(guò)程中，遇到巖體彈性波阻抗界面即地質(zhì)巖性變化的界面、構(gòu)造破碎帶、巖溶和巖溶發(fā)育帶等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生地震波反射現(xiàn)象，這種反射波將通過(guò)預(yù)先埋置在隧道圍巖內(nèi)的檢波裝置被接收下來(lái)，如圖1所示。TGP處理系統(tǒng)鎖定掌子面前方一定范圍，提取反射波并對(duì)其旅行時(shí)間、傳播衰減及相位變化等進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)隧道掌子面前方的巖體地質(zhì)條件作出預(yù)報(bào)和判斷，為施工措施和施工方案提供預(yù)報(bào)資料。

圖1 TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作原理示意

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

某高速公路隧道位于四川省阿壩藏族羌族自治州鷓鴣山西坡與縣城之間，沿梭磨河大峽谷布置，與G317國(guó)道平行。該隧道為傍山隧道，雙向4車道，設(shè)計(jì)速度80 km/h。

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查與鉆探揭露，隧道區(qū)域出露地層為第四系全新統(tǒng)泥石流堆積層(Q4sef)，主要成分為碎石土；第四系全新統(tǒng)崩坡積層(Q4c+dI)，主要成分為碎石土；第四系更新統(tǒng)沖洪積層(Q2-3al+pl)，主要成分為漂、卵石土；三疊系上統(tǒng)新都橋組(T3x)，主要為板巖和千枚巖；三疊系上統(tǒng)侏倭組(T3zh)，主要為變質(zhì)砂巖、板巖和千枚巖不等厚互層；三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2z)，主要為板巖與變質(zhì)砂巖互層，局部夾少量千枚巖。

隧道位于松潘—甘孜地槽褶皺系1級(jí)構(gòu)造單元內(nèi)，其屬于馬爾康北西向斜3級(jí)構(gòu)造單元。隧址區(qū)內(nèi)巖層總體走向310°～325°，地層主要為三疊系一套變質(zhì)巖系地層，因受擠壓作用強(qiáng)烈，巖層多近直立，甚至倒轉(zhuǎn)，尖棱狀褶曲十分發(fā)育。因此，構(gòu)造地形由一系列倒轉(zhuǎn)的復(fù)背斜、復(fù)向斜組成。

本次TGP預(yù)報(bào)在隧道進(jìn)口右洞展開(kāi)，掌子面里程為YK211+785，預(yù)報(bào)里程為YK211+785～YK211+885，預(yù)報(bào)長(zhǎng)度100 m。預(yù)報(bào)段設(shè)計(jì)圍巖分級(jí)情況見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，預(yù)報(bào)段設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為III2級(jí)，圍巖由板巖和變質(zhì)砂巖組成，含千枚巖，局部夾少量炭質(zhì)板巖和炭質(zhì)千枚巖。YK211+785掌子面目前按III2級(jí)圍巖施工，圍巖主要以板巖和變質(zhì)砂巖為主，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整，無(wú)地下水。

2.2 TGP數(shù)據(jù)采集

采用TGP 206G型隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)該隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。該系統(tǒng)采用整體機(jī)箱式結(jié)構(gòu)，其具有整機(jī)性能高，適應(yīng)隧道環(huán)境條件功能強(qiáng)的特點(diǎn);采用三分量速度型檢波器，在高靈敏度、高指向性方面具有突出優(yōu)勢(shì)，并能適應(yīng)巖體地震波檢測(cè)的高頻寬帶特性，且檢波器采用“耦合劑”耦合方式，其通過(guò)耦合劑直接與鉆孔圍巖接觸，且孔口采用高吸聲衰減材料封堵，對(duì)于避免和壓制干擾波，以及保真采集地震波信號(hào)具有優(yōu)勢(shì)；采集觸發(fā)方式采用閉合回路斷開(kāi)式觸發(fā)，該方式具有觸發(fā)時(shí)間一致性好，觸發(fā)時(shí)間誤差小的特點(diǎn)。

表1 預(yù)報(bào)段設(shè)計(jì)圍巖分級(jí)

開(kāi)展TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)前，需預(yù)先在隧道洞壁鉆孔。本次預(yù)報(bào)設(shè)24個(gè)激發(fā)孔(炮孔)，其均位于隧道右壁，炮孔間距為2 m；設(shè)2個(gè)接收孔，其分別位于隧道右壁和左壁，偏移距為20 m，與炮孔在同一側(cè)的接收孔稱為同側(cè)接收孔，另一個(gè)為對(duì)側(cè)接收孔。接收孔和炮孔高度均約為1.2 m，均用50 mm孔徑鉆孔，炮孔均下傾10°，如圖2所示。

圖2 TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)示意

為了滿足數(shù)據(jù)采集需求，得到較好的原始數(shù)據(jù)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)采取了以下措施：

1) 要求隧道內(nèi)可能產(chǎn)生震動(dòng)的一切工作均停工；

2) 檢波器安置時(shí)采用黃油耦合，盡量推到孔底，并采用高吸聲衰減材料封堵接收孔；

3) 安裝炸藥時(shí)盡可能將炸藥推到炮孔底，以確保炸藥安裝深度基本一致，并將炮孔注滿水；

4) 儀器設(shè)備連接好后，按順序逐一激發(fā)接收，如遇啞炮或未觸發(fā)情況，須補(bǔ)炮。

2.3 TGP資料處理

TGP方法依然屬于地震勘探類方法，其數(shù)據(jù)處理流程與常規(guī)地震勘探數(shù)據(jù)處理流程基本一致，主要為：1) 建立觀測(cè)系統(tǒng)，確保接收點(diǎn)、激發(fā)點(diǎn)和預(yù)報(bào)掌子面的實(shí)際位置正確；2) 進(jìn)行振幅均衡，一般距離接收點(diǎn)較近地震道減小其增益，增加距離接收點(diǎn)較遠(yuǎn)的地震道增益，并確保每道地震波形振幅均衡，初至波明顯；3) 初至拾取需要調(diào)整初至波到達(dá)時(shí)間，使每道初至波起跳點(diǎn)均位于1條直線上，并提取出縱、橫波波速；4) 進(jìn)行縱、橫波分離，并生成預(yù)報(bào)范圍內(nèi)的縱、橫波偏移成像圖和縱、橫波速度與界面估計(jì)圖，然后進(jìn)行解釋。TGP資料處理流程如圖3所示。

2.4 TGP成果解釋

在隧道進(jìn)口右洞掌子面(YK211+785)進(jìn)行TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)后，得到如圖4所示的三分量波形圖。從圖4可見(jiàn)，同側(cè)X、Y、Z分量直達(dá)波明顯，縱橫波分明，各道相關(guān)性較好。因此，本次采集到的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，可靠性較高，可進(jìn)一步處理、解釋。

圖3 TGP資料處理流程

圖4 TGP探測(cè)得到的同側(cè)三分量波形

同、對(duì)側(cè)縱波偏移成像如圖5所示。由圖5(a)可以看出，YK211+785位置存在一強(qiáng)反射，該反射為掌子面位置的強(qiáng)反射；YK211+790～YK211+810段無(wú)明顯反射，推斷圍巖較均勻，與掌子面巖體類似；YK211+810～YK211+830段存在連續(xù)強(qiáng)反射，推斷圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性差；YK211+830～YK211+885段無(wú)明顯反射，推斷圍巖較均勻，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整。由圖5(b)可以看出，YK211+785～YK211+810段無(wú)明顯反射，推斷圍巖較均勻，與掌子面巖體類似；YK211+810～ YK211+825段存在連續(xù)強(qiáng)反射，推斷圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性差；且推斷YK211+810～YK211+830段可能存在破碎帶。YK211+825～YK211+885段無(wú)明顯反射，推斷圍巖較均勻，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整。由上述分析可知，同、對(duì)側(cè)縱波偏移成像結(jié)果相關(guān)性好，從而進(jìn)一步保障了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)解釋結(jié)果的可靠性。

同、對(duì)側(cè)縱橫反射界面與波度估計(jì)分別如圖6、圖7所示。圖7中，上側(cè)曲線表示預(yù)報(bào)段圍巖縱波屬性的變化，下側(cè)曲線表示橫波屬性的變化。由圖7(a)可以看出，YK211+790～YK211+810段縱波波速與掌子面巖體波速一致，可推斷該段圍巖與掌子面巖體類似；YK211+810～YK211+826段縱波波速急劇降低，可推斷該段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性差；YK211+826 ～YK211+885段縱波波速與掌子面巖體一致，可推斷該段圍巖與掌子面巖體類似。由圖7(b)可以看出，YK211+790～YK211+808段縱波波速與掌子面巖體波速一致，可推斷該段圍巖與掌子面巖體類似；YK211+808～YK211+818段縱波波速急劇降低，可推斷該段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性差；且推斷YK211+808～YK211+826段可能存在破碎帶。YK211+818～YK211+885段縱波波速與掌子面巖體一致，可推斷該段圍巖與掌子面巖體類似。由上述分析可知，同、對(duì)側(cè)縱波速度變化情況相關(guān)性較好，低速異常明顯，說(shuō)明超前地質(zhì)預(yù)報(bào)解釋結(jié)果的可靠性。

圖5 TGP探測(cè)結(jié)果同、對(duì)側(cè)縱波偏移成像

圖6 TGP探測(cè)結(jié)果同、對(duì)側(cè)縱橫波反射界面

圖7 TGP探測(cè)結(jié)果同、對(duì)側(cè)縱橫波速度估計(jì)

本文結(jié)合TGP預(yù)報(bào)結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)觀察和相關(guān)勘察設(shè)計(jì)資料，經(jīng)綜合分析得出預(yù)報(bào)結(jié)論，見(jiàn)表2。由表2可知，YK211+785 ～YK211+808和YK211+830～ YK211+885段圍巖與掌子面巖體類似，主要以板巖和變質(zhì)砂巖為主，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整，建議圍巖級(jí)別為III2，與設(shè)計(jì)一致；YK211+808～YK211+830段圍巖主要以板巖和變質(zhì)砂巖為主，千枚巖含量增加，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，完整性差，可能存在含水?dāng)嗔哑扑閹?，建議圍巖級(jí)別為V級(jí)。建議施工接近YK211+808～YK211+830段時(shí)采取“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)”方式開(kāi)挖，并做好超前支護(hù)工作。

2.5 TGP預(yù)報(bào)成果驗(yàn)證

本次TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)束后，為了驗(yàn)證預(yù)報(bào)是否準(zhǔn)確，對(duì)隧道實(shí)際開(kāi)挖情況進(jìn)行了跟蹤，并對(duì)開(kāi)挖后圍巖的實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行了及時(shí)反饋。開(kāi)挖結(jié)果表明，在YK211+810位置圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地下水豐富，呈小股狀涌出，巖體部分呈軟泥塑狀，自穩(wěn)能力極差，如圖8所示。開(kāi)挖結(jié)果與之前TGP預(yù)報(bào)結(jié)果相吻合，且與TGP同側(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果極度接近。由此可知，TGP同側(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果優(yōu)于對(duì)側(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果，同側(cè)結(jié)果能更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出破碎巖體的范圍，這是由于觀測(cè)系統(tǒng)中距離等因素存在誤差，導(dǎo)致對(duì)側(cè)地震直達(dá)波估計(jì)存在誤差所致。因此，應(yīng)堅(jiān)持“同對(duì)側(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果相互比對(duì)，以同側(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果為準(zhǔn)的原則”對(duì)實(shí)際TGP超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行分析解釋。

3 結(jié)論

本文采用TGP方法對(duì)川西某在建高速公路隧道開(kāi)展了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并得到以下結(jié)論：

表2 綜合預(yù)報(bào)結(jié)論

圖8 YK211+810掌子面

1) 開(kāi)展TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，須嚴(yán)格按照TGP工作要求采集數(shù)據(jù)。本次超前預(yù)報(bào)采集到的三分量數(shù)據(jù)直達(dá)波明顯，縱橫波分明，各道相關(guān)性較好，原始數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，為后期數(shù)據(jù)處理解釋提供了基礎(chǔ)。

2) 處理TGP數(shù)據(jù)時(shí)，須按照TGP資料處理流程進(jìn)行。本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)處理結(jié)果中，同、對(duì)側(cè)相關(guān)性較好，解釋結(jié)果真實(shí)可靠。

3) 本次TGP預(yù)報(bào)結(jié)果表明，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際開(kāi)挖結(jié)果相吻合，TGP同側(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果優(yōu)于對(duì)側(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果，故實(shí)際工作中應(yīng)堅(jiān)持“同對(duì)側(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果相互比對(duì)，以同側(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果為準(zhǔn)的原則”對(duì)地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行解釋。

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Application of TGP Advanced Forecasting Method in Construction of Expressway Tunnel in Western Sichuan

ZHU Jiong,HAN Ziqiang

In this paper,the advanced geological forecast is carried out for certain road tunnel under construction in western Sichuan by using the TGP advanced forecasting method. During field forecasting,the data are collected per the TGP working requirements,and the direct wave of the collected three-component data are significant and the vertical and transverse waves are distinct. They have good relativity and relatively good primary data quality. The data is processed per TGP data process flow,the ipsilateral data and contralateral data processing results have good relativity,the interpretation results are true and reliable. The results of TGP forecast show that the results of the road tunnel forecast are in good agreement with the results of the actual excavation,and the result of TGP ipsilateral forecast is better than that of the contralateral forecasting. Therefore,we should stick to the principle of "comparing with the ipsilateral and contralateral forecasting results with the ipsilateral forecast as standard",to analyze and explain the advanced forecast data..

TGP; advanced geological forecasting; ipsilateral; contralateral; fracture zone

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.024

重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014jcyjA30020，cstc2015jcyjBX0118)

2016-08-12

朱 炯(1986-)，男，重慶市人，碩士研究生，工程師。

1009-6477(2016)06-0110-05

U459.2

A