地震波法超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在隧道施工中的運(yùn)用

肖坤林，劉 嬌，賈小杰

（中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071000）

目前隧道工程較多且地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，有灰?guī)r地區(qū)、花崗巖地區(qū)、黃土高原、第四季覆蓋等等，隧道施工中會遇到巖溶、空洞、軟土地段、地下暗河、構(gòu)造破碎帶等不良地質(zhì)環(huán)境，這給隧道施工增加了難度，同時也增加了隧道施工時發(fā)生安全事故的機(jī)率，所以進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報是十分重要的。最近幾年，以TSP為主的工程技術(shù)引起了中國工程技術(shù)人員的重視和認(rèn)同，在1996年，我國的鐵路部隧道工程局第一次引進(jìn)了TSP202儀器，之后為了解決隧道超前地質(zhì)預(yù)報和隧道地質(zhì)監(jiān)測這兩個方向的工作需要，北京市水電物探研究所，通過多年的努力研發(fā)，終于開發(fā)出TGP12多功能隧道超前地質(zhì)預(yù)報與檢測儀和與之相匹配的TGPWin軟件處理系統(tǒng)。目前地震波超前地質(zhì)預(yù)報的主要內(nèi)容有[2-6]：地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)體、地下水。進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報有以下幾個目的：①進(jìn)一步查清隧道開挖掌子面前方的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，指導(dǎo)工程施工的順利進(jìn)行；②降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)率和危害程度；

本文以湖南某隧道為例，結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料和隧道的施工設(shè)計圖，對預(yù)測段進(jìn)行分析處理。

1 地震預(yù)報的原理及現(xiàn)場工作

1.1 探測原理

隧道地震波超前地質(zhì)預(yù)報是利用地震波在巖體內(nèi)傳播過程中，遇到聲阻抗界面發(fā)生反射，利用儀器設(shè)備接收地震波信息，通過相關(guān)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合已有的地質(zhì)資料綜合分析，實現(xiàn)對隧道前方地質(zhì)條件的推斷，達(dá)到地質(zhì)超前預(yù)報的目的。

1.2 探測儀器簡介

地震波預(yù)報采用TGP206型隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)（TGP即Tunnel Geology Prediction 的英文縮寫，以下簡稱TGP系統(tǒng)）。TGP系統(tǒng)是北京市水電物探研究所專門為隧道及地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報研制開發(fā)的技術(shù)成果，已經(jīng)經(jīng)過國內(nèi)著名隧道專家組評審,鑒定為具有國際先進(jìn)技術(shù)水平。

TGP隧道超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)包括儀器主機(jī)、配件和處理軟件三部分。

1.3 探測方法

針對隧道掌子面巖體和測線布置進(jìn)行研究，在巖土體較穩(wěn)定位置設(shè)置接收孔。對炮孔的的里程、隧道掌子面進(jìn)行詳細(xì)記錄；逐炮孔安置帶會觸發(fā)線的炸藥卷；可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，作業(yè)過程中對周圍環(huán)境要求較高，完成數(shù)據(jù)采集后，對采集的結(jié)果進(jìn)行檢查確定無誤后方可結(jié)束現(xiàn)場測量工作。

1.4 采集參數(shù)和耦合劑的選擇

隧道進(jìn)口洞身圍巖為全—強(qiáng)風(fēng)化砂巖，多為膠狀，巖體破碎。采樣時間間隔設(shè)置為0.1ms；隧道可預(yù)報施工的距離有限，且圍巖巖性較軟，炮間距選擇為1m。隧道出口里程段預(yù)報時，接收檢波器采用的耦合劑是黃油，現(xiàn)場采集的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量很不好；隧道進(jìn)口里程段預(yù)報時 ，接收檢波器采用了膨脹土膠團(tuán)作為耦合劑，現(xiàn)場的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量有了很大的提高。

2 隧道K3+222～K3+342里程段地質(zhì)超前預(yù)報成果

2.1 工程地質(zhì)情況

隧道長度546m，最大埋深約為78m。隧道進(jìn)口洞身圍巖為全—強(qiáng)風(fēng)化砂巖，巖體破碎，多呈砂土狀及塊狀，多為泥質(zhì)膠結(jié)，軟硬不均，洞身圍巖存在灰?guī)r與砂巖不整合接觸帶，不整合接觸帶附近，巖體破碎，巖溶發(fā)育，易富水；地表水弱發(fā)育，地下水以基巖裂隙水及巖溶水為主，中等富水。

2.2 地震超前預(yù)報成果圖表

2.2.1 地質(zhì)構(gòu)造與結(jié)構(gòu)的參數(shù)

表1為隧道進(jìn)口方向K3+222～K3+342里程段的推斷主要地質(zhì)構(gòu)造與結(jié)構(gòu)面的參數(shù)。

2.2.2 縱橫波偏移成果

圖1～圖3分別為隧道進(jìn)口方向K3+222～K3+342里程段的縱波偏移圖、橫波SH偏移圖和橫波SV偏移圖。

圖1 縱波偏移圖

圖2 橫波SH偏移圖

表1 推斷地質(zhì)構(gòu)造與結(jié)構(gòu)面的參數(shù)

圖3 橫波SV偏移圖

2.2.3 地質(zhì)預(yù)報成果

圖4～圖5分別為隧道進(jìn)口方向K3+222～K3+342里程段的比速度圖、三分量對比圖。

圖4 地質(zhì)超前預(yù)報成果

2.3 地震超前預(yù)報分析與推斷[7-9]

結(jié)合地質(zhì)預(yù)報成果圖以及P波、SH波、SV波偏移圖推斷地質(zhì)構(gòu)造與結(jié)構(gòu)面參數(shù)表，可以看出隧道里程由K3+222～K3+342段的120m范圍內(nèi)：縱波速度在2640m/s左右，橫波速度在1390m/s左右，動彈性模量為11233MPa，動剪切性模量為4293MPa，巖體泊松比為0.308，巖體密度約為2.22t/m3。綜合地質(zhì)預(yù)報圖主要有5條縱波反射界面；5條橫波反射界面。圖中比速度曲線反映出120m范圍內(nèi)隧道圍巖呈現(xiàn)軟、硬巖相間的狀態(tài)。具體解釋如下。

圖5 隧道K3+222～K3+342里程段地質(zhì)超前預(yù)報綜合剖面圖

2.3.1 K3+222～K3+236段：長度14m

隧道圍巖與掌子面和炮孔段巖體基本一致,巖性主要為灰?guī)r。推斷該段節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖自穩(wěn)性較差，應(yīng)注意預(yù)防拱頂坍塌、冒頂、及掉塊，雨季或強(qiáng)降雨時洞內(nèi)地下水出水狀態(tài)為淋雨或涌狀水，應(yīng)注意排水。開挖時應(yīng)做好超前支護(hù)，遵循短進(jìn)尺，弱爆破的原則，嚴(yán)格按照設(shè)計施工。

2.3.2 K3+236～K3+275段：長度39m

根據(jù)綜合地質(zhì)預(yù)報成果圖分析，該段圍巖“比速度”有所上升,且存在較強(qiáng)的縱波和橫波反射界面，推斷K3+255～K3+267里程段為節(jié)理密集帶，節(jié)理裂隙較發(fā)育且富含水，應(yīng)注意預(yù)防坍塌冒頂，涌水涌泥。節(jié)理裂隙發(fā)育帶，巖體完整性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育，應(yīng)注意預(yù)防拱頂塌落和掉塊，以及裂隙水引起的圍巖滑塌；施工注意正臺階分部掘進(jìn)、開挖時應(yīng)做好超前支護(hù)，嚴(yán)格按照設(shè)計施工。

2.3.3 K3+275～K3+342段：長度67m

根據(jù)綜合地質(zhì)預(yù)報成果圖分析，該段圍巖“比速度”有所下降，推斷該段隧道圍巖與前一段比較，圍巖完整性相對前段有所降低，且該段的縱波和橫波速度都很低，推斷K3+295～K3+340里程段為巖溶發(fā)育區(qū)，可能存在溶洞，且富含巖溶水，應(yīng)注意預(yù)防坍塌冒頂，涌水、涌泥。開挖時應(yīng)做好超前支護(hù)，嚴(yán)格按照設(shè)計施工。

2.4 地震超前預(yù)報結(jié)果與實際圍巖情況對比

（1）隧道設(shè)計里程段K3+255～K3+364的縱斷面圖如下所示。

圖6 隧道的縱斷面圖

（2）隧道設(shè)計里程段K3+255～K3+364的隧道圍巖分級及其基本特征如下：圍巖分級為三級；圍巖基本特征：隧道洞身基巖為二疊系灰?guī)r弱風(fēng)化，中厚層狀，裂隙發(fā)育巖體較完整，巖溶中等發(fā)育，地下水為基巖裂隙水及巖溶水，中等富水，隧道洞身在巖體發(fā)育及巖體破碎地段開挖可能易局部坍塌，發(fā)生突水突泥現(xiàn)象。

（3）隧道預(yù)報里程段K3+255～K3+267推斷為節(jié)理密集帶，節(jié)理裂隙較發(fā)育且富含水。實際施工圍巖為灰?guī)r，裂隙節(jié)理發(fā)育，開挖后圍巖比較破碎，與預(yù)報結(jié)果基本吻合。

（4）隧道預(yù)報里程段K3+295～K3+340推斷為巖溶發(fā)育區(qū)，可能存在溶洞，且富含巖溶水。實際施工圍巖變化不大，溶蝕發(fā)育，富含巖溶水，與預(yù)報結(jié)果基本一致。

3 結(jié)語

（1）隧道地質(zhì)超前預(yù)報施工過程中，根據(jù)不同的圍巖巖性和施工環(huán)境，合理地選擇炮間距和檢波器耦合劑，能夠有效地提高原始數(shù)據(jù)質(zhì)量和超前地質(zhì)預(yù)報的精度。

（2）通過超前地質(zhì)預(yù)報，能夠及時發(fā)現(xiàn)異常情況，保證施工安全，節(jié)約成本。隧道地質(zhì)超前預(yù)報是復(fù)雜的，地質(zhì)工作是隧道地質(zhì)超前預(yù)報的基礎(chǔ)，我們必須充分了解隧道工程所處的地質(zhì)條件，明確隧道施工過程中可能遇到的地質(zhì)問題，才能制定正確合理的預(yù)報方案，有針對性地進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報工作。