高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道裂隙水超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與應(yīng)用

陳樹(shù)見(jiàn) 李榮華 張以澤

(云南第二公路橋梁工程有限公司，云南昆明 650205)

0 引言

隨著我國(guó)隧道、礦山以及其他地下工程建設(shè)的迅猛發(fā)展，遇到的地質(zhì)條件也越復(fù)雜。地下工程修建過(guò)程中將會(huì)遇到更多的巖溶和不良地質(zhì)災(zāi)害，其中巖溶突涌水已成為巖溶地區(qū)隧道施工中主要的地質(zhì)災(zāi)害之一［1，2］。

隧道地震勘探法(TSP)是施工期非破壞性長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要方法之一，基于TSP方法適用范圍廣、預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)、施工干擾小、探測(cè)時(shí)間短以及資料提交及時(shí)等諸多優(yōu)點(diǎn)，TSP方法已經(jīng)成為長(zhǎng)大隧道信息化施工中應(yīng)用最廣泛的物探方法之一。

目前探測(cè)巖溶裂隙水的技術(shù)方法主要有水文地質(zhì)法、地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)、瞬變電磁法和紅外探水法等。TSP方法對(duì)工作面前方遇到與隧道軸線近垂直的不連續(xù)體(節(jié)理、裂隙、斷層破碎帶等)界面的測(cè)量結(jié)果比較可靠，但在工作中發(fā)現(xiàn)，TSP對(duì)巖溶裂隙水的存在也有一定的反應(yīng)。

1 TSP探測(cè)原理

TSP測(cè)量系統(tǒng)是通過(guò)在掌子面后方一定距離內(nèi)的鉆孔中以微震爆破來(lái)發(fā)射信號(hào)的，爆破引發(fā)的地震波在巖體中以球面的形式向四周傳播，其中一部分向隧道前方傳播，經(jīng)隧道前方的界面反射回來(lái)，反射信號(hào)經(jīng)接受傳感器轉(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方便的探測(cè)出來(lái)。

TSP地震波數(shù)據(jù)處理的第一步是根據(jù)測(cè)得的從震源直接到達(dá)傳感器的縱波傳播時(shí)間由式(1)換算出地震波的傳播速度:

其中，T1為直達(dá)縱波的傳播時(shí)間，s;L1為爆破孔至傳感器的距離，m。

確定反射界面位置的關(guān)鍵，是在準(zhǔn)確判定反射界面的基礎(chǔ)上給出發(fā)射波的傳播時(shí)間。由式(1)求得地震波的傳播速度，就可以通過(guò)測(cè)得反射波傳播時(shí)間來(lái)推導(dǎo)出發(fā)射界面與接收傳感器的距離以及與隧道端面的距離，整個(gè)推導(dǎo)過(guò)程可由式(2)導(dǎo)出:

式中:T2——反射波的傳播時(shí)間;

L2——爆破孔至反射面的距離;

L3——傳感器至反射面的距離。

接收傳感器將接受到的反射波數(shù)據(jù)傳輸給記錄儀電腦儲(chǔ)存起來(lái)，利用處理軟件對(duì)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成反映隧道相關(guān)界面的隧道影像點(diǎn)圖，由分析人員進(jìn)行解釋，得到前方的地質(zhì)情況?？梢愿鶕?jù)公式求出預(yù)測(cè)洞段的泊松比、靜態(tài)揚(yáng)氏模量等信息，以用來(lái)對(duì)掌子面前方的不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報(bào)。

泊松比:

動(dòng)態(tài)彈性模量:

式中:VS——橫波波速;

VP——縱波波速;

ρ——巖石密度。

2 工程概況

峽口隧道位于興山縣峽口鎮(zhèn)總長(zhǎng)6 487.0 m，隧道最大埋深約1 500 m，屬深埋特長(zhǎng)隧道。

隧道所處區(qū)域地貌單元屬構(gòu)造剝蝕層狀單斜低中山地貌，地形起伏大，巖溶較為發(fā)育。隧道區(qū)大地構(gòu)造屬于構(gòu)造剝蝕層狀單斜低中山嶺地貌，山體由寒武系～三疊系碳酸鹽巖夾碎屑巖地層構(gòu)成，以堅(jiān)硬碳酸鹽巖砂巖為主、夾半堅(jiān)硬泥頁(yè)巖，峰嶺走向受地層走向控制，呈南北向條帶展布。隧道所穿越的河間地塊為單斜構(gòu)造區(qū)，由寒武系～奧陶系碳酸鹽巖地層、志留系～泥盆系碎屑巖地層、二疊系～三疊系碳酸鹽巖地層構(gòu)成，地層走向近南北，中等傾斜，傾向西～西南。

3 TSP203系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理和解釋

本次預(yù)報(bào)采用的是TSP203plus系統(tǒng)，對(duì)隧道ZK108+580～ZK108+450段進(jìn)行探測(cè)。沿隧道右側(cè)洞壁布置24個(gè)爆破點(diǎn)，爆破點(diǎn)平行于隧道底面呈直線排列，孔距1.5 m，孔深1.5 m，炮孔垂直于邊墻向下傾斜15°～20°。圖1為T(mén)SP深度偏移圖。

根據(jù)TSP探測(cè)成果可知，在ZK108+488附近，深度偏移圖中P波反射較S波弱，且S波負(fù)反射能量較正反射強(qiáng);速度圖中P波處于高速區(qū)，S波處于低速區(qū);反射層提取圖中S波出現(xiàn)較明顯負(fù)反射面;巖性圖中S波曲線明顯下降，縱橫波波速比VP/VS和泊松比δ顯著增大，巖體密度ρ和動(dòng)態(tài)楊氏模量E.Dyn明顯下降;因此，可推斷此處巖體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育且含較多裂隙水。

圖1 深度偏移圖

4 實(shí)際開(kāi)挖結(jié)果驗(yàn)證

當(dāng)隧道施工至ZK108+488時(shí)，掌子面節(jié)理裂隙發(fā)育，拱部呈破碎狀，掌子面出現(xiàn)大面積淋水，且拱頂中部有兩股狀出水點(diǎn)，兩個(gè)出水點(diǎn)相距約1.5 m。掌子面涌水情況如圖2所示。

圖2 掌子面涌水圖

通過(guò)開(kāi)挖結(jié)果驗(yàn)證比較，TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)ZK108+488處涌水預(yù)報(bào)基本準(zhǔn)確，對(duì)隧道的安全施工起到了指導(dǎo)作用。

5 結(jié)語(yǔ)

1)TSP對(duì)與隧道軸線近垂直的不連續(xù)體界面探測(cè)結(jié)果比較可靠，而在不連續(xù)體界面與隧道軸線斜交的情況下，探測(cè)結(jié)果存在一種不確定的(或遠(yuǎn)或近)誤差。

2)TSP不僅可以準(zhǔn)確可靠的探測(cè)節(jié)理、裂隙、斷層破碎帶等不良地質(zhì)體的位置，還可以準(zhǔn)確的探測(cè)裂隙水的賦存情況。

3)本次TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)基巖裂隙水的探測(cè)結(jié)果基本準(zhǔn)確，通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，能及時(shí)掌握掌子面前方的地質(zhì)情況，為隧道施工和及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)，有效地控制和避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

［1］肖書(shū)安，吳世林.復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道地質(zhì)超前探測(cè)技術(shù)［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2004，1(2):159-164.

［2］王洪勇.綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在圓梁山隧道中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004，41(3):55-56.

［3］鐘世航，孫宏志，王 榮，等.隧道掌子面前方地質(zhì)預(yù)報(bào)的現(xiàn)狀及發(fā)展之路［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2007，4(3):180-185.

［4］許振浩，李術(shù)才，張慶松，等.TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)地震波反射特性研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008，4(4):640-644.