綜合超前地質(zhì)預報法在構(gòu)造區(qū)隧道中的應用

黃智海 黃保勝

摘要：為確保隧道開挖的安全性，降低地質(zhì)災害的概率和破壞程度，開展隧道施工超前地質(zhì)預報工作是目前最有效的方法。文章采用地質(zhì)調(diào)查法和TSP地震預報法在某構(gòu)造區(qū)隧道進行綜合超前地質(zhì)預報應用研究，并進行了開挖結(jié)果驗證分析。研究結(jié)果顯示：穿越構(gòu)造區(qū)的隧道圍巖軟硬程度分明，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查的TSP地震預報法結(jié)果能很好地反映軟弱巖帶及破碎帶等不良地質(zhì)體位置;采用地質(zhì)調(diào)查法和TSP地震預報法的綜合超前地質(zhì)預報法在構(gòu)造區(qū)隧道施工超前地質(zhì)預報中是實用的和有效的。

關(guān)鍵詞：構(gòu)造區(qū);地質(zhì)調(diào)查法;TSP地震預報法;綜合超前地質(zhì)預報法

0 引言

隨著高速公路網(wǎng)建設(shè)不斷推進，新建高速公路越來越向偏遠山區(qū)發(fā)展。隧道是跨越崇山峻嶺的最有效方法，因此不斷出現(xiàn)大量隧道建設(shè)[1]。隧道區(qū)址構(gòu)造發(fā)育、地質(zhì)情況復雜是目前山區(qū)隧道建設(shè)中經(jīng)常遇到的難題。隧道建設(shè)過程中往往由于隧道區(qū)址地形地貌復雜導致無法進行有效的前期勘察，施工單位只求進度盲目施工，加上客觀地質(zhì)情況復雜多變等等因素導致出現(xiàn)突水突泥、冒頂崩塌等工程事故，甚至進一步引發(fā)地表塌陷、建筑物下沉及破裂、地下水枯竭等嚴重生態(tài)環(huán)境問題，對隧道施工安全、人民及財產(chǎn)安全造成了極大的影響[2-4]。為了更詳細具體地探測查明隧道開挖面前方的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)情況，指導工程建設(shè)的順利開展，降低地質(zhì)災害的概率和破壞程度，為優(yōu)化工程設(shè)計提供地質(zhì)依據(jù)，開展隧道施工超前地質(zhì)預報工作是目前最有效的方法。隧道施工超前地質(zhì)預報方法分為物探類和地質(zhì)類方法。地質(zhì)類方法主要有超前鉆探法、超前導坑預報法和地質(zhì)調(diào)查法等[5-7]。地質(zhì)調(diào)查一般為超前地質(zhì)預報必做內(nèi)容。隧道施工超前地質(zhì)預報應用較多的物探方法主要有地震波法和電磁法[8-11]。地震波法主要為TSP/TGP地震預報法、TRT地震反射層析成像法等;電磁法主要為GPR探地雷達法和TEM瞬變電磁法。TSP是地震波發(fā)射法的其中一種，具有較大的預報長度，對隧道施工干擾小，對軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等不良地質(zhì)體預報靈敏，是整體把控隧道掌子面前方地質(zhì)災害風險的重要手段，這也是TSP較電磁法具有的獨特優(yōu)點，在國內(nèi)外隧道建設(shè)中廣泛應用。本文通過采用地質(zhì)調(diào)查法和TSP地震反射法的綜合地質(zhì)預報法在構(gòu)造區(qū)隧道進行超前地質(zhì)預報，探討預報效果并與開挖結(jié)果進行比對分析。

1 地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法是以隧道工程地質(zhì)勘察、洞內(nèi)外地質(zhì)觀察素描等資料為基礎(chǔ)，將隧道開挖所揭露的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、不良地質(zhì)、地下水出露等地質(zhì)情況準確記錄下來并繪制成圖表，使用趨勢分析、地質(zhì)作圖和常規(guī)地質(zhì)理論等技術(shù)手段進而判定隧道掌子面附近圍巖的完整性、穩(wěn)定性和推斷掌子面前方一定范圍內(nèi)將會出現(xiàn)的地質(zhì)情況。

2 TSP地震預報法

TSP地震預報法是一種多波多分量高分辨率地震反射法[2]。在設(shè)計的震源點用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生地震波，為了能夠接收到有效的反射波通常將震源點布置在地層或構(gòu)造的走向與隧道軸向相交成銳角的邊墻上，大約24 個炮點。在巖石波阻抗存在差異的位置（如巖性變化、斷層和破碎帶等）時，有一部分地震波會反射回來，有一部分地震波會透射進入前方介質(zhì)繼續(xù)向前方傳播。具有高靈敏度的加速度地震傳感器將接收并以數(shù)字形式記錄下來反射回來的地震信號，采用專門的數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合隧道勘察資料、洞內(nèi)外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，綜合分析隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等）、位置及規(guī)模[2]。

TSP地震預報法數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集工作主要包括：根據(jù)隧道現(xiàn)場具體情況合理靈活布置觀測系統(tǒng)，按照設(shè)計要求規(guī)范鉆孔、安裝套管，通過試驗或根據(jù)經(jīng)驗進行炸藥裝填，儀器連接與測試，噪音檢查，進行數(shù)據(jù)采集。

TSP地震預報法數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容主要有[5]：根據(jù)探測目的長度設(shè)置數(shù)據(jù)長度、帶通濾波去除噪聲干擾、初至拾取及拾取處理獲取直達波速、炮能量均衡進行能量補償、Q因子估算、反射波提取、縱橫波分離、速度分析、深度偏移、反射層提取等。其中Q因子估算、速度分析等環(huán)節(jié)尤為關(guān)鍵。

目前很多從業(yè)人員解譯TSP結(jié)果原則千姿百態(tài)，這是因為TSP結(jié)果中幾個巖石力學參數(shù)可能存在互相矛盾之處，比較成熟可靠的還是根據(jù)縱波波速推斷前方地質(zhì)情況。綜合較多文獻及實際工作經(jīng)驗，本次結(jié)果解譯主要采用最為穩(wěn)妥的縱波Vp進行地質(zhì)解譯。

3 實例應用

3.1 工程概況及地球物理特征

百布隧道位于靖西縣地州鄉(xiāng)樂村百布屯，為連拱隧道。隧道區(qū)屬巖溶峰叢谷地地貌，山峰陡峻高大，地形起伏較大，山體連綿起伏。擬建隧道穿越一山體，谷地和山頂高程為759～873 m，相對高差約115 m，最大埋深約90 m。隧道兩端為灰?guī)r出露區(qū)，中間為頁巖出露區(qū)。進口段為一坡積裙，覆蓋殘坡積黏土、塊石等，斜坡自然坡角為20°～25°。出洞口段山體斜坡自然坡角為40°～45°。地表植被一般發(fā)育，主要為松木、雜草、灌木等。隧道區(qū)場地覆蓋層主要為第四系殘坡積層黏土和粉質(zhì)黏土覆蓋，基巖有三迭系下統(tǒng)羅樓組灰?guī)r和三迭系中統(tǒng)平而關(guān)群頁巖，山體基巖出露完好灰?guī)r和零星頁巖。場地內(nèi)褶曲發(fā)育，巖層產(chǎn)狀多變，灰?guī)r與頁巖二者為平行不整合接觸關(guān)系。隧道約2K21+220～2K21+350段位于上屯向斜核部，受向斜構(gòu)造影響，該段巖層褶曲發(fā)育，巖體極破碎。由上述可見：隧道洞身圍巖完整性主要受巖性和地質(zhì)構(gòu)造控制，隧道穿越一套完整向斜地層，圍巖風化、破碎、裂縫發(fā)育程度等方面存在明顯差異，從而導致圍巖波速存在明顯差異，為TSP應用提供了物性基礎(chǔ)。

3.2 地質(zhì)調(diào)查

隧道約2K21+220～2K21+350段位于上屯向斜核部，受向斜構(gòu)造影響，該段巖層褶曲發(fā)育，巖體極破碎。本次超前地質(zhì)預報掌子面里程樁號為2K21+250，掌子面素描圖見圖1。巖性主要為深灰色中風化頁巖，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁理構(gòu)造，巖質(zhì)軟，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體破碎-較破碎，巖體開挖易發(fā)生層狀剝離松動，易剝落掉塊，圍巖無自穩(wěn)能力。調(diào)查時掌子面呈稍濕狀，未見明顯滲水。隧道出口前方約70 m為自西向東橫切測區(qū)的隴金逆斷層，斷層走向為300°，傾向為南西，傾角為30°～50°。受該斷層影響，隧道出洞口灰?guī)r被擠壓切割呈塊狀、巨塊狀。隧址區(qū)的巖溶地下水類型主要為管道-裂隙型，主要接受大氣降雨入滲補給，區(qū)內(nèi)地下水位處于隧道底板以下，水量不豐富，一般情況下隧道施工不會發(fā)生突泥、突水地質(zhì)災害。但是由于有斷層構(gòu)造和巖溶不良地質(zhì)存在，不排除由于雨季施工時區(qū)內(nèi)地下水補給量的增大，從而引發(fā)突泥、突水地質(zhì)災害。

3.3 綜合超前地質(zhì)預報法結(jié)果

本次TSP地震波反射法探測接收器位置布置在中導洞2K21+185，2個三分量接收器分別位于中導洞左、右邊墻，設(shè)計24個炮孔，位于中導洞左邊墻，炮孔間距約為1.5 m，2D預報成果見圖2，由掌子面向大里程方向進行預報。綜合地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，預報結(jié)果分析如下：

（1）掌子面前方0～46 m（2K21+250～2K21+296）范圍縱波速整體相對較高，局部降低，橫波波速整體較低，局部有波動，縱橫波速度比和泊松比多在正常值范圍。推斷該范圍為與掌子面情況相近，巖性為中風化頁巖，巖體較破碎-破碎，巖體裂隙較發(fā)育-發(fā)育，地下水弱發(fā)育。圍巖整體穩(wěn)定性較差，詳細定級為Ⅳ級。

（2）掌子面前方46～80 m（2K21+296～2K21+330）范圍縱波速整體較低，局部急劇降低，橫波波速整體較高。推斷該范圍為隧道區(qū)向斜構(gòu)造的核部，巖性為中風化頁巖，受向斜構(gòu)造及斷層構(gòu)造的影響，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體極破碎，地下水較發(fā)育。圍巖穩(wěn)定性極差，詳細定級為Ⅴ級。

（3）掌子面前方80～104 m（2K21+330～2K21+354）范圍縱波速度增大，橫波波速整體較高，縱橫波速度比和泊松比增大。推斷該范圍為巖層接觸帶，巖性為中風化頁巖、灰?guī)r，受向斜核部及巖性接觸帶共同影響，巖體破碎-極破碎，裂隙發(fā)育-極發(fā)育，巖溶較發(fā)育。圍巖自穩(wěn)能力差-極差，詳細定級為Ⅴ級、局部Ⅳ級。

（4）掌子面104～128 m（2K21+354～2K21+378）范圍縱波速降低，橫波波速較高，縱橫波速度比和泊松比在合理范圍。該范圍為隧道出口淺埋段，巖性為中風化灰?guī)r，局部夾土，受隧道出口前方隴金逆斷層影響，巖體以巨塊狀、塊狀結(jié)構(gòu)為主，裂隙極發(fā)育，巖體極破碎，掘進開挖時巖體松動位移、掉塊。圍巖自穩(wěn)能力極差，詳細定級為Ⅴ級。

3.4 開挖驗證

本次預報范圍內(nèi)隧道穿過向斜核部及巖性接觸帶，該處圍巖的軟硬程度、破碎程度、裂隙發(fā)育程度等與相鄰段圍巖有著顯著變化。通過預報結(jié)果與開挖結(jié)果分析，驗證超前地質(zhì)預報的效果。2K21+312掌子面巖性為強-全風化頁巖，淺黃-灰黑色，薄層狀構(gòu)造，巖體極破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育，質(zhì)軟，遇水松散軟化，巖層傾向較陡，圍巖穩(wěn)定性極差。開挖結(jié)果表明2K21+312前后段為向斜核部及巖性變化過渡帶，與綜合超前地質(zhì)預報法2K21+296～2K21+330段縱波波速顯著降低結(jié)果一致吻合，對應性非常好。施工單位根據(jù)綜合超前地質(zhì)預報結(jié)果在該段提前把開挖方法由全斷面開挖變更為環(huán)形開挖留核心土法，采用短進尺、強支護施工方法，避免了坍塌等不良地質(zhì)災害的發(fā)生，有效地保證了隧道開挖掘進的安全性。

4 結(jié)語

（1）構(gòu)造區(qū)隧道圍巖地質(zhì)完整性存在明顯差異，采用地質(zhì)調(diào)查法和TSP地震預報法的綜合超前地質(zhì)預報法能很好地反映軟弱巖帶及破碎帶等不良地質(zhì)體位置，在構(gòu)造區(qū)隧道施工超前地質(zhì)預報中是實用的和有效的。

（2）采用地質(zhì)調(diào)查法和TSP地震預報法的綜合超前地質(zhì)預報法進行長距離預報，整體把控風險是可行的，在進行地質(zhì)解釋時尤其要注意與已知地質(zhì)資料相結(jié)合。

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