某圍巖隧道工程中TST超前預(yù)報(bào)的應(yīng)用研究

文∕何家范

1 牛埠坪隧道施工項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

通往連平的從化大光公路約178 公里，其中77 公里來(lái)自從化段。在這些隧道中，D4 合同段是一條14 米，12 米高的雙向6 車道牛埠坪隧道，左起為ZK161+393 至ZK171+820，右起為YK16+392 至YK16+900，在隧道施工過(guò)程將超前地質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù)和臺(tái)階法結(jié)合使用，可以使施工作業(yè)人員快速預(yù)測(cè)掌握掌子面的地質(zhì)情況，還能夠根據(jù)預(yù)測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)資料來(lái)制定相對(duì)科學(xué)合理地施工方案。

1.2 氣象水文

本隧道線路區(qū)屬半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，總體特征是冬冷夏熱，平均氣溫9.2～9.9C，年平均降雨量606.8～757.4mm，降水主要集中在6～8月，占該地區(qū)年降水量的70%左右，主要以暴雨形式出現(xiàn)；該地區(qū)冰凍期為11月中旬至翌年4月，最大凍土深度約為1.1 米。該線自北向南走向，區(qū)內(nèi)水系以河流為主，為常年性河流，經(jīng)地表繪制，隧道區(qū)附近沖溝有少量季節(jié)性地表匯水，匯水流量隨季節(jié)變化而變化，大氣降水后水量較大，以后逐漸減少，非雨季枯竭，2019年5月12日觀察水量10～15L/min。

2 TST 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)具體方法

本小節(jié)針對(duì)S30 段隧道左線出口ZK161+743～ZK16+643 段，對(duì) TS 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集各環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

2.1 實(shí)地探測(cè)

測(cè)試中選擇了12 臺(tái)檢波器，位于隧道兩側(cè)邊墻與地面高1.5 米處，左右各6 臺(tái)，每個(gè)檢波器間距為4.0 米，每孔1.0 米。在距地面1.5 米左右的兩側(cè)墻內(nèi)，爆炸源有6 個(gè)，每側(cè)3 個(gè)，其中掌子面上第一炮眼最靠近檢波器的位置為4.0 米；其余2個(gè)距離24.0米，孔深1.8 米，爆炸量300g。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況測(cè)量和數(shù)據(jù)采集

TST 系統(tǒng)的觀測(cè)坐標(biāo)需要更為精確的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量作為支撐，因此在測(cè)量過(guò)程中需要關(guān)注位置坐標(biāo)、偏移成像、速度分布掃描等影響因素，確保以上問(wèn)題不會(huì)造成精度過(guò)低的問(wèn)題。在儀器安裝之后，各個(gè)震源激發(fā)孔與檢波器接受孔的坐標(biāo)關(guān)系如下：

（1）以開孔里程計(jì)算坐標(biāo)x 和 z 值；

（2）通過(guò)測(cè)量鉆深來(lái)轉(zhuǎn)換孔底坐標(biāo)；

（3）測(cè)量檢波器孔的位置需要與掌子平面距離較近，以方便測(cè)量；

（4）對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)安排專人統(tǒng)一用Excel 表格作記錄，表格中樁號(hào)應(yīng)與坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)，同時(shí)用圖文標(biāo)解注明炮點(diǎn)和檢波器的編號(hào)和位置。

2.3 速度掃描和偏移成像

2.3.1 掃描速度

巖土速度掃描主要是由全局及局部速度掃描組成的，如果需要確定隧道附近圍巖波束的范圍，那么應(yīng)在 TST 掃描前進(jìn)行，一般為1km/s～5km/h。

2.3.2 構(gòu)造偏移成像

（1）基于波場(chǎng)分離和速度掃描的地質(zhì)構(gòu)造偏移成像技術(shù)，由以下三部分組成：

設(shè)定預(yù)測(cè)里程區(qū)間，并設(shè)定色標(biāo)參數(shù)；

（2）選擇涉及成像的地震射線；

（3）選擇一種速度結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行偏移成像。

2.3.3 方向?yàn)V波

方向?yàn)V波采用F-K 變換技術(shù)產(chǎn)生不同方向的回波。F-K 變換平面中，隧道上的下回波速度表觀最大，地震波信號(hào)主要分布在上方三角形區(qū)域。下三角形區(qū)域中，面波傳播速度最慢，隧道前回聲分布于中間三角形區(qū)域。

3 利用 TST 技術(shù)進(jìn)行隧道工程超前地質(zhì)預(yù)測(cè)的可行性分析

3.1 TST 技術(shù)在圍巖分類預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

彈性波速是采用 TST 法進(jìn)行圍巖分類的主要依據(jù)。數(shù)據(jù)匯總后，可確定不同類型圍巖的速度區(qū)間，從而確定圍巖種類?！惰F路隧道規(guī)范》提出了按圍巖彈性波速及不同波速范圍劃分圍巖類型的方法。

TST 法的主要基礎(chǔ)是彈性波速。通過(guò)資料統(tǒng)計(jì)對(duì)比，以此來(lái)確定圍巖速度區(qū)間以及坡度。在鐵路隧道標(biāo)準(zhǔn)中，還提出了一種根據(jù)圍巖的彈性波速、范圍對(duì)圍巖類型進(jìn)行分類的方法。計(jì)算隧道圍巖的彈性波速和圍巖坡度，得到隧道周圍巖石的地震速度分布散點(diǎn)圖，根據(jù)地震速度散點(diǎn)圖對(duì)圍巖進(jìn)行分類，并分析數(shù)據(jù)分析的預(yù)測(cè)一致性。Ⅱ類圍巖的14 個(gè)感測(cè)段的事實(shí)上彈性波速度的預(yù)測(cè)價(jià)值3500～5000m/s，其中9 個(gè)感應(yīng)間隔是64%的，預(yù)測(cè)價(jià)值符合標(biāo)準(zhǔn)的波速。圍巖41 個(gè)檢測(cè)區(qū)域的實(shí)際預(yù)測(cè)彈性波速為2000～4000km，其中30 個(gè)檢測(cè)區(qū)域的實(shí)際預(yù)測(cè)彈性波速為75%。其中，7 個(gè)檢測(cè)段的預(yù)期波速為70%。從圖3-1 可看出預(yù)報(bào)結(jié)果與施工過(guò)程中實(shí)際開挖的圍巖等級(jí)差異。

圖3-1 波速分布散點(diǎn)圖

從圖3-1 可以看出，預(yù)測(cè)的圍巖等級(jí)范圍與實(shí)際采掘的范圍有很大差異，在72 個(gè) TST探測(cè)段中，有24 個(gè)巖體的預(yù)測(cè)等級(jí)和實(shí)際采掘的環(huán)境條件與48 個(gè)巖石相同，巖坡不匹配，預(yù)測(cè)精度為66.7%。通過(guò)對(duì)圍巖等級(jí)預(yù)測(cè)精度的分析，發(fā)現(xiàn)該模型在預(yù)測(cè)精度上以 V 級(jí)為最高，達(dá)到71.4%， IV 級(jí)最小，精度為50%。結(jié)果表明，在24 個(gè)預(yù)測(cè)錯(cuò)誤斷面中，10 個(gè)斷面的圍巖等級(jí)比實(shí)際開挖斷面高43%，14 個(gè)斷面低57%。據(jù)上述統(tǒng)計(jì)數(shù)字，預(yù)期圍巖的級(jí)別會(huì)稍低。

3.2 使用TST 技術(shù)預(yù)測(cè)并確認(rèn)地質(zhì)異常和富水層

在隧道工程中，縫隙裂縫，斷裂帶和富水層是影響圍巖穩(wěn)定性的因素很多，特別是隧道附近水位較低的地下水因素。容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。缺陷區(qū)域和富水層通常具有與周圍介質(zhì)不同的獨(dú)特物理屬性，可以使用地震散射法（TST）來(lái)更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)隧道中的分布。

以 ZK161 + 393～ZK151 + 557，YK155 +939～Yk156+695 近1.1 公里的隧道截面作為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。表3.1 列出了對(duì)TST 先進(jìn)地質(zhì)預(yù)測(cè)的所有異常區(qū)域進(jìn)行的72 個(gè)小斷面的比較分析結(jié)果，包括節(jié)理裂縫、地下富水層等，可較為直觀的對(duì)異常區(qū)TST 預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行分析。

表3.1 異常區(qū)TST 預(yù)報(bào)情況

從表3.1 可得出TST 在不同地質(zhì)情況下的超前預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率情況，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表3.2。

表3.2 不同地質(zhì)體預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性

圖3-2 異常體預(yù)報(bào)數(shù)、準(zhǔn)確數(shù)示意圖

如圖3-2 所示，節(jié)理裂隙帶和地下水豐度的預(yù)測(cè)精度分別為61%和71%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了 TST 技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用，并從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、后期數(shù)據(jù)處理等方面闡述了 TST 地質(zhì)預(yù)報(bào)的先進(jìn)方法及技術(shù)特點(diǎn)。并對(duì)工程地質(zhì)勘查的初步報(bào)告、采掘面地質(zhì)描述及 TST 先進(jìn)地質(zhì)預(yù)測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比分析，綜合認(rèn)為 TST 提前地質(zhì)預(yù)報(bào)具有較高的可信度。