TGP206在下穿水庫段隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

韓立志

(中國鐵建股份有限公司華北區(qū)域總部，河北 石家莊 050011)

0 引 言

近年來，隨著中國綜合國力的快速提升和交通設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隧道工程的建設(shè)隨之迅猛發(fā)展。隧道作為交通建設(shè)項(xiàng)目的控制性工程，關(guān)系到施工的進(jìn)度和質(zhì)量，在交通工程建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。中國隧道工程的建設(shè)正朝著長隧道、大斷面的方向發(fā)展，并且隨著交通網(wǎng)的不斷完善，在復(fù)雜地質(zhì)條件地區(qū)將會修建更多的隧道。這給隧道建設(shè)者提出了更高的技術(shù)要求，如何保證隧道施工安全，是復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道施工面臨的主要問題。通過隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)可以較準(zhǔn)確地預(yù)測掌子面前方的地質(zhì)情況，有效地減少地質(zhì)災(zāi)害。隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)主要分為長距離和短距離兩類[1]。長距離預(yù)報(bào)主要包括地質(zhì)調(diào)查法、TSP地震預(yù)報(bào)法[2]等，短距離預(yù)報(bào)主要有地質(zhì)雷達(dá)法等。隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)已經(jīng)引起國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-5]。陳中學(xué)等[6]針對巖溶地區(qū)隧道施工的各種地質(zhì)災(zāi)害，對TGP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對八臺山隧道進(jìn)口避難通道進(jìn)行了超前預(yù)報(bào)，在分析了波速、反射界面后，發(fā)現(xiàn)掌子面后方存在溶洞。高文工等[7]結(jié)合工程實(shí)例，在研究地震反射波、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水3種地質(zhì)預(yù)報(bào)方法工作原理的基礎(chǔ)上，分析了每種方法在隧道涌水災(zāi)害中的應(yīng)用，結(jié)果證明，采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)所得的結(jié)果更接近實(shí)際情況。李天斌等[8]分析介質(zhì)物性差異并比較各種隧道超前預(yù)報(bào)方法，提出一個(gè)隧道綜合預(yù)報(bào)原則，并針對5種不良地質(zhì)情況建立了綜合評價(jià)體系，最后實(shí)踐表明，預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確率達(dá)到80%。

突水突泥致災(zāi)構(gòu)造是由地質(zhì)體構(gòu)成、具有突水突泥致災(zāi)性、蓄積地下水的空隙系統(tǒng)[9]。隧道存在于巖土體中，如果隧道周圍地下水發(fā)育或降水量大，地表有水庫等水源補(bǔ)給，并且?guī)r石裂隙或巖溶發(fā)育，會使隧道周圍地下水賦存量較大，若不注意采取安全措施，在隧道開挖過程中極易導(dǎo)致突水突泥災(zāi)害發(fā)生[10-12]，給隧道的施工帶來嚴(yán)重問題。因此，在隧道施工開始時(shí)，選擇合理的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)手段和方法，對隧道沿線掌子面前方的地質(zhì)體進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，最大限度探測到隧道沿線掌子面前方存在的各種不良地質(zhì)體，不僅可以指導(dǎo)隧道開挖施工，降低隧道地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率，減少人員傷亡，保證工程施工進(jìn)度，還可以在隧道開挖前對不良地質(zhì)體預(yù)先采取防范措施，有效避免嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害[13]。本文基于巖體裂隙發(fā)育地段隧道下穿水庫工程實(shí)例，采用TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法，對掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行探測，分析探測結(jié)果和不良地質(zhì)類型的判別，為類似的下穿水庫特殊區(qū)段的隧道工程施工提供參考。研究成果對保證隧道的安全施工具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

本文依托的隧道工程是商合杭高速鐵路施工的控制性工程。隧道設(shè)計(jì)全長3 354 m，其中Ⅲ級圍巖542 m，Ⅳ級圍巖893 m，Ⅴ級圍巖1 919 m。最小埋深僅為6.93 m，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大，技術(shù)要求高。該隧道地理位置及實(shí)地照片如圖1所示。

圖1 隧道工程

根據(jù)隧道的實(shí)際地質(zhì)情況采取了六步CD法及三臺階開挖方法進(jìn)行施工，同時(shí)打設(shè)洞身長管棚并改移洞身上方公路，安全渡過下穿水庫地段。在該隧道的4號洞口上方地表有處水庫，隧道洞身淺埋，洞口處洞身的圍巖為灰?guī)r、微晶灰?guī)r夾砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖，弱風(fēng)化，巖石軟硬相間，巖溶和巖溶水較發(fā)育，地下水主要為巖溶水，洞身地下水與隧道上部水庫地表水基本連通，預(yù)測最大單位涌水量為1.58 m3·d-1·m-1，可能存在溶洞、巖溶和巖溶水導(dǎo)致的突水突泥災(zāi)害。隧道沿線樁號K450+090附近為灰?guī)r與灰白色石英砂質(zhì)分界線。隧道洞口到巖性分界線之間的圍巖為灰白色石英砂質(zhì)，石英礫巖夾泥巖、泥質(zhì)砂巖弱風(fēng)化，巖性軟硬相間。洞口段隧道巖性分界線以內(nèi)巖性為灰?guī)r，洞身附近有可能存在溶洞，巖性分界線附近巖體的裂隙發(fā)育。水庫下方隧道施工采用三臺階臨時(shí)仰拱法。隧道地質(zhì)縱剖面如圖2所示。

圖2 隧道地質(zhì)縱剖面

2 TGP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)

2.1 TGP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的基本原理

TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的主要組成部分包括TGP206型儀器主機(jī)、接收傳感器、激發(fā)裝置、電纜等。隧道工程的地震波是在全三維環(huán)境下傳播的，相對于一般的地面上平面半無限空間條件，地震波在這種條件下的傳播要復(fù)雜得多。如果隧道工程地質(zhì)預(yù)報(bào)僅僅采用單一模態(tài)的地震波，很難準(zhǔn)確預(yù)測前方地質(zhì)情況，得到的結(jié)果實(shí)用價(jià)值不大。TGP系統(tǒng)強(qiáng)化采集隧道地震波的多波列信息，綜合分析利用地震波的多波列震相信息，使超前預(yù)報(bào)功能明顯得到增強(qiáng)[14]，預(yù)測的地質(zhì)情況更加準(zhǔn)確。

圖3 TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的工作原理

TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的工作原理是，利用少量炸藥產(chǎn)生的在隧道圍巖內(nèi)以排列方式激發(fā)的彈性波，使之在巖石的三維空間傳播，當(dāng)這種球面波遇到巖體彈性阻抗界面時(shí)(如地質(zhì)巖性變化的界面、破裂面、構(gòu)造破碎帶、溶洞和巖溶發(fā)育帶等缺陷)時(shí)，就會反射產(chǎn)生一個(gè)彈性波。同時(shí)，預(yù)先埋置在隧道圍巖內(nèi)的高靈敏度的地震檢波裝置可接收到這種反射信號。

TGP的探測數(shù)據(jù)處理首先計(jì)算縱波的傳播速度Vp。

Vp=X/T

(1)

式中：X為爆破孔與傳感器之間的距離(m)；T為直達(dá)縱波的傳播時(shí)間(s)。

根據(jù)地震波傳播速度，就可以通過測得的反射波傳播時(shí)間和式(1)計(jì)算的縱波傳播速度，推導(dǎo)出反射界面與接收器的距離以及反射界面與掌子面的距離，計(jì)算公式如下。

(2)

式中：t為反射波的傳播時(shí)間(s)；X1為爆破孔與反射界面之間的距離(m)；X2為傳感器與反射界面之間的距離(m)。

2.2 采集數(shù)據(jù)成果解釋的原則

現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過TGP地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)配套的TGPwin2.0軟件進(jìn)行處理和分析。TGP206隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的工作原理(圖3)與TSP203基本相同，對探測資料的分析主要有以下幾個(gè)原則[15]。

(1)探測結(jié)果的分析以縱波(P波)資料為主，橫波(Sh、Sv波)資料為輔；以激發(fā)孔同側(cè)(接收器1)的資料為主，對側(cè)為輔。

(2)隧道前方不良地質(zhì)位置判斷以縱波(P波)資料為主，橫波(Sh、Sv波)資料為輔。

(3)負(fù)反射能量條帶表明不良地質(zhì)段的巖體相對軟弱或破碎風(fēng)化。

(4)如果橫波(Sh、Sv波)反射能量明顯比縱波(P波)反射能量強(qiáng)，則說明此處為飽水的泥質(zhì)巖石或巖溶洞穴。

3 TGP系統(tǒng)探測下穿水庫隧道地質(zhì)實(shí)例

3.1 數(shù)據(jù)采集

在本文研究的隧道右壁靠近掌子面的同一側(cè)，距掌子面10 m，布置第一個(gè)激發(fā)孔，然后沿同一直線向外布設(shè)24個(gè)相鄰間隔1.5～2 m的激發(fā)孔，孔深2 m，接收孔向內(nèi)略向下傾5°～10°。在距最外端激發(fā)孔20 m的隧道洞壁布設(shè)孔深為2 m的1號接收孔，與激發(fā)孔高度一致，在洞壁另一側(cè)對稱布設(shè)2號接收孔。將TGP206系統(tǒng)的主機(jī)與接收孔內(nèi)的接收傳感器相連，在每個(gè)激發(fā)孔中安裝扎有回路電線的乳化炸藥并灌滿水，然后從洞內(nèi)向外依次引爆乳化炸藥以發(fā)射信號，同時(shí)通過主機(jī)采集接收器收到的信息。

3.2 預(yù)報(bào)成果解釋

本次TGP超前預(yù)報(bào)的范圍為該隧道的DK450+150～DK450+000地段，掌子面樁號為DK450+150。在對探測成果的解釋中，以P波的相關(guān)資料為主進(jìn)行地質(zhì)情況和巖性識別。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得到深度偏移(圖4)、同側(cè)綜合成果預(yù)報(bào)(圖5)。

圖4 深度偏移

根據(jù)有關(guān)資料對探測結(jié)果進(jìn)行分析，如圖4、5所示，解釋成果如下。

由圖4、5可知，DK450+150～DK450+100的巖體縱波反射較明顯，縱波波速較小，橫波S反射比P波強(qiáng)，表明該段巖層地下水含量大，且存在軟弱地質(zhì)體。由圖5可知，在DK450+120～DK450+100區(qū)段有負(fù)反射振幅，表明存在軟弱巖層。由圖4所示的同側(cè)縱波繞射成像相干幅度縱剖面可以看到，水平切面與垂直切面在 DK450+120附近有比較明顯的負(fù)反射帶，并且基本上已經(jīng)連通，說明該處巖體較軟弱，圍巖內(nèi)存在相對軟弱的不良地質(zhì)體或巖溶發(fā)育風(fēng)化嚴(yán)重，且掌子面貫通[16]。在圖5中，反射界面俯視圖在DK450+124和DK450+102附近分別有一個(gè)比較粗的反射界面(負(fù)反射振幅)，說明圍巖在該位置存在較發(fā)育的節(jié)理裂隙或軟弱夾層，且俯傾角較大，在施工中容易出現(xiàn)巖體滑落事故[17]。該處的不良地質(zhì)體與隧道左側(cè)的洞壁相交較早，不良地質(zhì)體左側(cè)的構(gòu)造先于右側(cè)露出來。從圖5中的比速度曲線可以看到，后方巖體波速與前方巖體波速的比值在DK450+124附近降低，巖體裂隙密度增加，表明該位置后方存在軟弱巖體，波速下降。

圍巖在DK450+120和DK450+100之間有多組反射界面存在，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，成為地下水流向隧道的通道，隧道開挖至此有涌水的可能。經(jīng)過分析可知，在DK450+120～DK450+100之間存在負(fù)反射，圍巖存在不良地質(zhì)體，且范圍較大，將會對隧道施工產(chǎn)生較大影響。不良地質(zhì)體位于隧道橫斷面的左側(cè)，該處隧道埋深較小，且在水庫的下方，地質(zhì)條件復(fù)雜，有巖溶、巖溶水存在的可能性，推測隧道在該位置施工時(shí)有滲水、漏水甚至突水的可能[18]。

圖5 同側(cè)綜合成果預(yù)報(bào)

由圖5可知，圍巖巖性在DK450+100之后逐漸轉(zhuǎn)好，同側(cè)縱波相干幅度縱剖面幾乎沒有負(fù)反射界面，俯視圖中反射界面減少，以及切片圖中隧道周圍基本呈均勻的淡綠色，都說明了在DK450+100之后隧道圍巖的等級較高，沒有不良地質(zhì)體[19]，施工相對較安全。根據(jù)預(yù)報(bào)成果推斷的結(jié)果如表1所示。

表1 TGP系統(tǒng)預(yù)報(bào)成果解釋

3.3 超前預(yù)報(bào)成果與實(shí)際開挖對比

在商合杭高速鐵路某下穿水庫隧道進(jìn)口段的實(shí)際開挖過程中，里程樁號為DK450+150～DK450+000之間的巖體性質(zhì)及地質(zhì)情況與TGP地質(zhì)預(yù)報(bào)的預(yù)測結(jié)果基本一致。在DK450+150～DK450+124區(qū)段隧道開挖時(shí)， 巖性為青灰色中厚層灰?guī)r，局部夾雜碳質(zhì)頁巖，局部巖溶發(fā)育，表現(xiàn)為局部滴水。DK450+124～DK450+102之間的巖體與探測分析的結(jié)果基本一致，洞身為灰?guī)r，微晶灰?guī)r夾砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖弱風(fēng)化，巖石軟硬相間，巖溶、巖溶水發(fā)育。在DK450+125附近施工時(shí)，在隧道洞身的左側(cè)洞壁發(fā)現(xiàn)一個(gè)傾斜向上、直徑約1 m的溶洞，并且洞內(nèi)不斷向外滴水，可能與地表的水庫相連通。在DK450+124之后的隧道開挖施工中，巖性基本為中厚層灰?guī)r，局部存在滲水，無不良地質(zhì)體。

4 結(jié) 語

使用TGP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對商合杭高速鐵路某下穿水庫隧道行了預(yù)報(bào)，將預(yù)報(bào)成果與實(shí)際開挖的地質(zhì)情況對比，發(fā)現(xiàn)預(yù)測效果比較理想，主要得出以下結(jié)論。

(1)TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)探測隧道地質(zhì)的精確度較高，基本能預(yù)測到掌子面前方的地質(zhì)情況，并且預(yù)測距離最遠(yuǎn)達(dá)到200 m。

(2)通過隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)可以準(zhǔn)確掌握掌子面前方地質(zhì)情況和不良地質(zhì)體位置，提前采取防治措施，有效地減少隧道施工地質(zhì)災(zāi)害，避免人員傷亡。

(3)在TGP的探測資料分析方面，需要有大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論知識，才能通過圖像準(zhǔn)確地預(yù)測隧道掌子面前方的圍巖情況。

(4)有些地方的地質(zhì)條件特別復(fù)雜，根據(jù)TGP預(yù)報(bào)的資料上很難準(zhǔn)確分析出實(shí)際的地質(zhì)狀況，需借助其他地質(zhì)超前預(yù)報(bào)手段，將各種探測手段的優(yōu)勢互補(bǔ)，才能準(zhǔn)確地預(yù)測前方地質(zhì)情況。