TSP預(yù)報和地質(zhì)雷達在榮家灣隧道中的應(yīng)用

李 夢

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川成都 611756)

國內(nèi)西南部地區(qū)的高鐵建設(shè)往往面臨著許多隧道工程。且有許多長大深隧道工程，受技術(shù)和成本的限制，地質(zhì)勘察時難以將諸如巖溶、暗河、斷層、軟弱夾層等不良地質(zhì)體的情況詳細反映出來，這常常會導(dǎo)致涌水、突泥、坍塌等不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，給人身以及施工安全造成巨大災(zāi)難。為保障長大深高風險隧道的施工安全，需對其存在的不良地質(zhì)情況進行精確及時的超前地質(zhì)預(yù)報。

在國內(nèi)外長大隧道的施工中，已將超前地質(zhì)預(yù)報列為必不可少的技術(shù)環(huán)節(jié)。在用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報方面，主要采用地質(zhì)與物探相結(jié)合的方式。地質(zhì)預(yù)報是對工作面前方地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,包括圍巖類型、類別、涌水量、突水、突泥、塌方地段的預(yù)報等[1]。超前鉆探準確率雖然高,但是預(yù)報距離有限，且其成本高、周期長。因此常常用于監(jiān)測中、長期不良地段[2]。由于大長深隧道高風險地質(zhì)問題十分復(fù)雜,地質(zhì)方法預(yù)報的準確率很低,為了提高預(yù)報的準確率，必須結(jié)合物探方法進行預(yù)報。

目前國內(nèi)外主流物探方法有TSP、地質(zhì)雷達、瞬變電磁法、紅外線測水、微分電測深、陸地聲納法等。然而隧道施工中應(yīng)用的各種超前預(yù)報方法具有一定的缺陷，單一方法預(yù)報存在各自局限性，在預(yù)報不良地質(zhì)體的空間位置和規(guī)模大小上往往與實際開挖情況存在較大的偏差。其準確性和可靠性還有待提高[3-4]。為了提高預(yù)報精度和效率。在宜萬鐵路榮家灣隧道工程實際探測工作中采用長短距離預(yù)報相結(jié)合，地震方法與電磁方法相結(jié)合，多種方法相互配合，共同解決不良地質(zhì)構(gòu)造、含水構(gòu)造等其他構(gòu)造的超前預(yù)報問題。

1 TSP法原理簡介

TSP(Tunnel Seismic Prediction)法，即超前地質(zhì)預(yù)報，它的基本原理基于在隧道掌子面附近邊墻一定范圍內(nèi)布置激發(fā)孔，通過在孔中人工激發(fā)地震波，所產(chǎn)生的地震波以球面波的形式在隧道圍巖中傳播，當圍巖波阻抗發(fā)生變化時(例如遇巖溶、斷層或巖層的分界面)，一部分地震波將會被反射回來，另一部分地震波將會繼續(xù)向前傳播。反射的地震波由高精度的接收器所接收并傳遞到主機形成地震波記錄(圖1)[5-6]。

對TSP203 Plus儀器采集的數(shù)據(jù)利用TSPwin軟件進行處理，可以獲得隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的時間剖面、深度偏移剖面、巖石的反射層位、物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等中間成果資料，同時還可得到反射層的二維和三維空間分布[7]。

圖1 TSP法工作原理示意

2 地質(zhì)雷達法原理概述

地質(zhì)雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)是利用高頻電磁脈沖的反射探測地下目標體的空間位置及分布形態(tài)的一種技術(shù)，在工作過程中，由發(fā)射天線向被檢測體內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，當高頻電磁波傳至被檢測體內(nèi)兩種不同介質(zhì)的分界面時，由于兩種介質(zhì)的介電常數(shù)不同而使電磁波發(fā)生反射、折射，入射波、反射波和折射波的傳播遵循反射定律和折射定律，反射波返回被檢測體的表面，并由地質(zhì)雷達的接收天線所接收，形成雷達圖像[8]。

雷達圖像包含了被檢測體的豐富信息，根據(jù)雷達圖像特征對被檢測體(如：不密實帶、空洞、反射界面等)進行定性判釋，再根據(jù)式(1)可對被檢測體的異常部位作定量解釋。

h=v·t2

v=cεr

h=c·t2·εr

(1)

式中：v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度；t為電磁波從檢測體表面?zhèn)鞑ブ翙z測體中異常部位(或不同介質(zhì)分界面)后反射回表面的雙程時間；c為電磁波在空氣中的傳播速度；h為異常體(或不同介質(zhì)分界面)深度；εr為材料的相對介電常數(shù)[9]。

3 工程概況

榮家灣隧道平導(dǎo)起訖里程為PDK621+600～PDK626+105，全長4 505 m。隧址區(qū)屬溶蝕中低山、地勢陡峻，河谷深切，碳酸鹽巖分布廣泛，巖溶槽谷地貌區(qū)，丘脊槽谷相間出現(xiàn)。隧道位于橫石溪背斜北翼，受小構(gòu)造影響，巖層產(chǎn)狀差異大，巖體較破碎。

隧道主要穿越地層為三疊系中統(tǒng)巴東組二段(T2b2)泥巖夾砂巖、巴東組一段(T2b1)泥質(zhì)灰?guī)r、三疊系下統(tǒng)嘉陵江組三段(T1j3)灰?guī)r。PDK621+618～PDK627+475段地下水以巖溶水為主，隧道位于巖溶水垂直滲流帶與季節(jié)交替帶，地下水發(fā)育，不良地質(zhì)主要為巖溶、順層及順層偏壓、危巖落石及松軟土。

3.1 TSP現(xiàn)場探測成果

TSP203 Plus儀器主要由三分量檢波器、記錄單元及起爆裝置組成。三分量檢波器用來接收地震波信號；記錄單元將接收到的地震波信號進行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄，同時還進行測量過程控制；起爆裝置則用于引爆電雷管和炸藥,人工激發(fā)地震波。

在榮家灣隧道進口平導(dǎo)PDK622+775.3的左邊墻和右邊墻位置分別布置一個地震波信息接收孔，孔徑均為50 mm，左右邊墻孔深均約為1.8 m，左右邊墻孔高均約為2.0 m；在PDK622+799.5～PDK622+830.4段的右邊墻，按約1.3 m的間距布置24個激發(fā)孔分別激發(fā)地震波，孔徑均為45 mm，每個激發(fā)孔孔深為1.2～1.5 m不等，每個激發(fā)孔向下傾斜0～4°不等；1～12號激發(fā)孔裝填的藥量均約為200 g，13～24號激發(fā)孔裝填的藥量均約為100 g；所有地震波激發(fā)孔與接收孔基本位于同一水平面上。所采集TSP數(shù)據(jù)經(jīng)過TSPwin軟件處理后得到反射層位及物理力學(xué)參數(shù)圖(圖2)。本次預(yù)報時掌子面里程為：PDK622+841，預(yù)報里程范圍為PDK622+841～PDK622+959段(即掌子面前方118 m)。結(jié)合掌子面開挖地質(zhì)資料，對圖2進行解譯，解譯結(jié)論(超前地質(zhì)預(yù)報解釋成果表)如表1所示。

表1 TSP 預(yù)報成果

圖2 TSP反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果

TSP整個預(yù)報里程段隧道穿越地層巖性主要為灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，受溶蝕作用和地層巖性構(gòu)造影響，圍巖較破碎～破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育～發(fā)育，局部地段巖溶中等～強烈發(fā)育，存在灰?guī)r與泥質(zhì)灰?guī)r的不同巖性互層和夾黃泥等現(xiàn)象，局部地段含水(推測呈滲水狀～股狀)，推測PDK622+929～PDK622+959段圍巖存在泥質(zhì)半充填型溶洞等巖溶現(xiàn)象。

施工中可產(chǎn)生掉塊、塌方、突水、突泥等工程地質(zhì)災(zāi)害。施工過按設(shè)計要求務(wù)必采用超前鉆孔和加深炮孔對掌子面前方圍巖破碎情況、巖溶發(fā)育情況及地下水含量作進一步的探測，同時應(yīng)短進尺、多循環(huán)、弱爆破、及時施作初期支護，防止掉塊、塌方、突水、突泥等工程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，確保隧道工程及施工安全。

3.2 地質(zhì)雷達探測

地質(zhì)雷達法作為短距離超前地質(zhì)預(yù)報方法，對隧道開挖實行跟蹤預(yù)報，它利用電磁波雙程走時的長短差別來確定前方地質(zhì)體的形態(tài)和屬性，是一種應(yīng)用電磁波的探測技術(shù)(圖3)。

圖3 地質(zhì)雷達探測測線布置示意

通過分析TSP203采集數(shù)據(jù)結(jié)果，推測PDK622+929～PDK622+959段圍巖存在泥質(zhì)半充填型溶腔、溶蝕裂隙等巖溶現(xiàn)象。為進一步驗證，采用SIR-4000型地質(zhì)雷達，在榮家灣隧道進口平導(dǎo)PDK622+915的開挖面上水平布置兩條測線，探測側(cè)線布置圖如圖3所示，測線長度均為8.0 m，采用100 MHz天線對掌子面前方的地質(zhì)情況進行探測。本次預(yù)報時掌子面里程為PDK622+915,預(yù)報里程范圍為PDK622+915～PDK622+945段(即掌子面前方30 m)。所采集的地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后得到地質(zhì)雷達探測成果圖(圖4)。

圖4 地質(zhì)雷達探測解釋成果

破碎帶的預(yù)報：通過分析地質(zhì)雷達深度剖面圖，掌子面前方0～3 m、9～15 m深度范圍內(nèi)(對應(yīng)里程分別為PDK622+915～PDK622+918和PDK622+924～PDK622+930段)電磁波反射波相對正常，同相軸連續(xù)性略有斷續(xù)，結(jié)合掌子面地質(zhì)情況、TSP資料、設(shè)計資料綜合分析得樁號PDK622+915～PDK622+918和PDK622+924～PDK622+930段圍巖破碎，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在不同巖性的互層和夾泥等現(xiàn)象，推斷該兩段范圍內(nèi)分別存在破碎帶。施工時對該段圍巖注意及時支護，防止掉塊、塌方。

巖溶的預(yù)報：同樣通過分析地質(zhì)雷達深度剖面圖，掌子面前方3～9 m、15～30 m深度范圍內(nèi)(對應(yīng)里程為PDK622+918～PDK622+924和PDK622+930～PDK622+945段)電磁波反射信號較凌亂，波形有畸變，同相軸連續(xù)性較差，振幅較強。經(jīng)綜合分析推斷樁號PDK622+918～PDK622+924和PDK622+930～PDK622+945段段圍巖破碎，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶中等～強烈發(fā)育，存在不同巖性的互層和夾泥等現(xiàn)象，局部含水(推測呈滲水狀～滴水狀)，推測PDK622+918～PDK622+924段隧道右部圍巖存在泥夾碎石半充填型溶洞、PDK622+930～PDK622+945段隧道右部與中部圍巖存在泥夾碎石半充填型溶洞。受其影響，PDK622+918～PDK622+924和PDK622+930～PDK622+945段段圍巖自穩(wěn)能力較差。施工時對PDK622+918～PDK622+924段圍巖注意及時支護，防止掉塊、塌方、突泥，雨季注意水量變化。

地質(zhì)雷達整個預(yù)報里程段隧道穿越地層巖性主要為灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，受溶蝕作用和地層巖性構(gòu)造影響，圍巖較破碎，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖溶中等～強烈發(fā)育，存在不同巖性的互層和夾泥等現(xiàn)象，局部地段含水(推測呈滲水狀～滴水狀),推測PDK622+918～PDK622+924段隧道右部、PDK622+930～PDK622+945段隧道右部與中部圍巖存在泥夾碎石半充填型溶洞。施工中可產(chǎn)生掉塊、塌方、突泥等工程地質(zhì)災(zāi)害。施工過程中對PDK622+915～PDK622+945段圍巖按照設(shè)計要求采用超前鉆孔和加深炮孔對掌子面前方圍巖破碎情況、巖溶發(fā)育情況及含水量作進一步的探測，同時應(yīng)短進尺、多循環(huán)、弱爆破、及時施作初期支護，防止掉塊、塌方、突泥等工程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，確保隧道工程及施工安全。

3.3 實際開挖結(jié)果

通過上述兩種方法相結(jié)合對榮家灣隧道PDK622+841～PDK622+959范圍內(nèi)展開的超前地質(zhì)預(yù)報，準確的該范圍內(nèi)的破碎帶。切在榮家灣隧道進口平導(dǎo)施工至PDK622+931時,于掌子面右側(cè)揭示一溶洞(圖5)。溶洞內(nèi)無水，長度約40 m，寬度2～3 m不等，高度5～30 m不等，洞壁鐘乳石發(fā)育，洞壁及洞底充填硬塑狀黃色黏土，掌子面與溶縫內(nèi)暫時穩(wěn)定。開挖結(jié)果與預(yù)報結(jié)果較為吻合，但是在精確度上還有待提高，且在預(yù)報不良地質(zhì)體的具體里程和規(guī)模上和實際開挖還存在一定差異。

圖5 溶洞照片

4 結(jié)論

榮家灣隧道巖溶強烈發(fā)育，施工時遇巖溶大廳及溶腔的可能性大，突水涌水風險高。對于類似大長高風險隧道。對掌子面前方的不良地質(zhì)體進行精確預(yù)報是非常必要的。

盡管TSP超前預(yù)報系統(tǒng)能在長距離地質(zhì)預(yù)報中預(yù)報出掌子面前方的圍巖類別、斷層、破碎帶、巖溶等不良地質(zhì)體。但是其預(yù)報的準確度和精度還有待提高。地質(zhì)雷達技術(shù)在預(yù)報與水和空洞有關(guān)的不良地質(zhì)情況時較敏感，正好填補了TSP預(yù)報系統(tǒng)的不足。采用TSP超前預(yù)報系統(tǒng)和地質(zhì)雷達技術(shù)相結(jié)合長、短距離預(yù)報相互印證，可提高超前地質(zhì)預(yù)報的準確度和效率，有效的保障隧道施工安全。建議在類似的隧道施工中結(jié)合TSP預(yù)報系統(tǒng)和地質(zhì)雷達技術(shù)，或在此基礎(chǔ)上加入其它超前預(yù)報技術(shù)進行綜合預(yù)報。