TSP及TEM結(jié)合法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

菅永明

(貴州紫望高速公路建設(shè)有限公司，貴州 安順 560800)

近年來，我國交通事業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，隧道工程數(shù)量越來越多，施工難度和施工風險越來越高，各種施工事故不斷出現(xiàn)[1]。巖溶隧道施工中的涌水、涌泥、坍塌等施工風險則更為突出，對施工人員及設(shè)備安全產(chǎn)生巨大威脅。為有效減少隧道施工中的地質(zhì)災(zāi)害，在長大風險隧道施工中，超前地質(zhì)預(yù)報是隧道施工中必不可少的環(huán)節(jié)，有效促進了隧道信息化施工、災(zāi)害防治和安全保障工作[2]。超前地質(zhì)預(yù)報就是采用地質(zhì)及物探方法對隧道開挖面前方的巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育情況、溶洞及其充填、斷層破碎帶及其富水性隧道等不良地質(zhì)體進行預(yù)報，提示技術(shù)人員采取相應(yīng)的應(yīng)對技術(shù)措施，避免隧道涌水、涌泥、圍巖大變形及坍塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

目前國內(nèi)外用于隧道地質(zhì)超前預(yù)報的主要物探方法有TSP法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達、電測法、陸地聲納法等[3]。由于物探方法自身的特點與不足，在隧道施工中采用單一方法預(yù)報存在各自局限性，在預(yù)報不良地質(zhì)體的存在與否、空間位置和規(guī)模大小等方面往往與實際開挖情況存在較大的偏差，要提高預(yù)報的準確性和可靠性，就必須采用多種方法進行相互補充和相互印證[4-5]。

1 TSP法原理

TSP (Tunnel Seismic Prediction) 法，即隧道地震波預(yù)報法，其基本原理是在隧道開挖面后方邊墻一定范圍設(shè)置一定數(shù)量的激發(fā)孔，通過引爆孔內(nèi)炸藥激發(fā)地震波，所激發(fā)的地震波以球面波的形式向隧道圍巖中傳播，當圍巖的波阻抗發(fā)生變化時(如裂隙、巖溶、斷層或巖層的分界面)，一部分地震波透射邊界繼續(xù)向前傳播，另一部分將會被反射回來[6]，反射回來的地震波由高精度的三分量傳感器接收并傳遞到主機形成地震波記錄。由專門的軟件TSPwin對采集到的信號進行進一步的分析，得到隧道開挖面前方P波、SH波和SV波的時間剖面、深度偏移剖面、巖石的反射層位和物理力學參數(shù)等中間成果資料[7]，依據(jù)這些資料來判釋開挖面前方地層中是否存在異常地質(zhì)體。

2 TEM法原理

TEM法(Transient Electromagnetic Method)，即瞬變電磁法，是利用不接地回線向巖體中發(fā)送脈沖式一次電磁場，一次電場衰減使地質(zhì)體中產(chǎn)生渦流，用接收線圈感應(yīng)由該脈沖電磁場感應(yīng)的渦流衰減產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時間分布，從而來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時間域電磁法[8]。

瞬變電磁法的解譯成果是被探測巖體中視電阻率等值線圖。根據(jù)視電阻率等值線特征、視電阻率值的大小和坐標來判斷不良地質(zhì)體的形態(tài)及位置。圍巖中地下水越發(fā)育，巖體的視電阻率越小；反之若圍巖中地下水越不發(fā)育、越干燥，巖體的視電阻率越大。

3 工程概況

貴州紫望高速紫云隧道位于安順市紫云縣松山鎮(zhèn)、水塘鎮(zhèn)、火花鄉(xiāng)，為分離式隧道。隧道左線全長2 159 m，最大埋深約262.1 m；右線全長2 120 m，隧道最大埋深約255.2 m。紫云隧道區(qū)屬溶蝕峰林谷地及低中山地貌，山體自然坡度30～65°，植被較發(fā)育。隧道工程區(qū)灰?guī)r發(fā)育。

隧道穿越主要地層為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、砂巖夾灰?guī)r、砂巖、泥質(zhì)砂巖等，巖溶較發(fā)育。隧道線路出口右側(cè)發(fā)育有巖溶洼地，最低處有落水洞一處。為了盡可能降低紫云隧道施工中的涌水、涌泥及塌方等地質(zhì)災(zāi)害風險的發(fā)生，須進行超前地質(zhì)預(yù)報，以便技術(shù)人員及時采取合理的技術(shù)應(yīng)對措施。在隧道施工中，主要采取TSP和瞬變電磁法結(jié)合方法對隧道開挖面前方富水不良地質(zhì)體進行探測。

4 TSP法實施

4.1 實施過程

TSP法探測采用TSP203 Plus，其主要組成包括三分量檢波器、記錄單元及起爆裝置等，目前在我國廣泛應(yīng)用。采用檢波器接收地震波信號，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；起爆裝置用于引爆孔內(nèi)炸藥，實現(xiàn)人工激發(fā)地震波。

TSP法實施之前，在隧道右側(cè)壁上打設(shè)24個炮孔，鉆孔向下傾斜約15°，孔深1.5 m，孔徑42 mm，間距1.5 m。孔口距底板高度約1 m，靠近開挖面的1號孔距開挖面距離為2.3 m。傳感器鉆孔布置在與炮孔同側(cè)隧道壁同高度的延長線上，距離最外一個震源炮孔18.5 m。傳感器鉆孔傾角與爆源孔相同，孔深2.0 m，直徑50 mm。炸藥為巖石乳化防水炸藥，每孔用量150 g，雷管為瞬發(fā)電雷管。為了保證炸藥在爆炸時產(chǎn)生的地震波能量能夠盡可能地向地層中傳播，在各鉆孔內(nèi)炸藥起爆之前孔內(nèi)充滿水作為耦合劑。

4.2 預(yù)報成果

以紫云隧道右洞開挖面YK8+396～YK8+506段的地質(zhì)預(yù)報為例說明TSP的地質(zhì)超前預(yù)報成果。對所采集的TSP地震波數(shù)據(jù)采用TSPWin軟件分析后得到開挖面前方圍巖的物理力學參數(shù)及反射層，如圖1所示。

隧道開挖揭示YK8+396開挖面巖性主要為灰中-薄層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，有裂隙水滲出。結(jié)合開挖面圍巖特征和圖1成果圖對此段落圍巖地質(zhì)情況預(yù)報如下：

圖1 TSP反射層位及物理力學參數(shù)成果

(1) 開挖面YK8+396～YK8+430長度34 m范圍內(nèi)，圍巖的波速、密度和動靜楊氏模量等物理力學參數(shù)的變化量均很小，可以認為此段范圍內(nèi)的圍巖工程力學特性沒有明顯變化。推斷此段圍巖主要為中風化中薄層狀石灰?guī)r；結(jié)構(gòu)面發(fā)育，以層面為主，存在層間滑動，層間夾薄泥，巖體較破碎，巖體呈中薄層狀結(jié)構(gòu)；潮濕，局部滴水；巖體穩(wěn)定性較差，易層間剝落掉塊或小滑塌。圍巖級別可判定為Ⅳ級。

(2) YK8+430～YK8+480長度50 m范圍內(nèi)，圍巖的波速、密度和動靜楊氏模量等物理力學參數(shù)明顯減小，因而認為此段范圍內(nèi)的圍巖工程力學特性顯著變差。推斷此段落圍巖主要為中薄層狀石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，受構(gòu)造影響較重，結(jié)構(gòu)面很發(fā)育，以層面和構(gòu)造節(jié)理裂隙為主，推測存在層間滑動面或揉皺破碎帶，巖體較破碎，巖體呈中薄層狀結(jié)構(gòu)，局部碎裂狀結(jié)構(gòu)，可能發(fā)育有小型溶隙，導水性好；含水量可能較大，局部可能出現(xiàn)股狀涌水；巖體穩(wěn)定性較差，易掉塊或局部坍塌。圍巖級別可判定為Ⅴ級。

(3) YK8+480～YK8+506長度26 m范圍內(nèi)，圍巖的波速、密度和動靜楊氏模量等物理力學參數(shù)又有所增大，因而可以認為此段圍巖的總體穩(wěn)定性轉(zhuǎn)好。推斷此段落圍巖主要為中層狀白云質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r；結(jié)構(gòu)面發(fā)育，以層面為主，巖體較破碎，巖體呈中薄層狀結(jié)構(gòu)；潮濕；巖體穩(wěn)定性較差，易掉塊。圍巖級別可判定為Ⅳ級。

5 瞬變電磁法實施

5.1 實施過程

本次預(yù)報采用ProtemEM-47型瞬變電磁儀，其主要組成部件包括發(fā)射機和發(fā)射線圈(Tx)、接收機和接收線圈(Tr)以及主機等。

瞬變電磁儀的發(fā)射機通過外接電源在發(fā)射線圈中產(chǎn)生一直流電流，當線圈中的電流被突然切斷時，在被測巖體中激發(fā)磁場渦流。發(fā)射機采用外接12 V電源，使電流達到1.5 A，發(fā)射頻率為25 Hz，發(fā)射框尺寸2 m×2 m。接收機通過直徑1 m的接收線圈(Rx)感知巖體中磁場渦流等的變化，并通過專用軟件對采集數(shù)據(jù)進行分析從而判斷隧道開挖面前方地層的富水性。接收機與接收線圈集成在一起，接收機將接收線圈感應(yīng)到的圍巖渦流二次場數(shù)據(jù)傳給主機。利用專用分析軟件將主機采集到的數(shù)據(jù)進一步分析，得到隧道開挖面前方圍巖的視電阻率等值云圖。

瞬變電磁儀對圍巖進行探測時，由于開挖面空間的限制，發(fā)射線圈和接收線圈采用共軸方式。發(fā)射線圈靠近開挖面，發(fā)射線圈距接收線圈距離10 m，接收線圈與發(fā)射線圈中心共軸在開挖面上等距移動。本次探測共布置11條測線，如圖2所示。為減少干擾源，在瞬變電磁儀探測之前將隧道施工臺架移至距開挖面30 m以外。

圖2 瞬變電磁法測線布置圖

5.2 預(yù)報結(jié)果

利用專用軟件對開挖面前方圍巖中渦流二次場的衰減數(shù)據(jù)進行分析，得到以距隧道斷面中線的距離為橫軸、以距開挖面的距離為縱軸的前方圍巖視電阻率等值線云圖，如圖3所示。

圖3 圍巖視電阻率等值線云圖

從圖3可以看出，隧道開挖面前方存在一個低視電阻率異常區(qū)，位于開挖面前方40～75 m(YK8+436～+471)。結(jié)合開挖面揭示圍巖巖性、TSP預(yù)報開挖面前方出現(xiàn)富水區(qū)及對應(yīng)里程(YK8+430～YK8+480)，推測此低電阻率異常區(qū)可能為富水裂隙發(fā)育帶或富水小型溶槽、溶隙或溶腔，并有向左前方延伸趨勢。為保證隧道施工安全，建議在后續(xù)隧道施工中做好排水工作。

6 兩種預(yù)報結(jié)果對比及開挖驗證

6.1 兩種預(yù)報結(jié)果對比

TSP預(yù)報結(jié)果顯示，在YK8+430～YK8+480范圍內(nèi)，圍巖物理力學參數(shù)明顯減小，推測此段落為裂隙發(fā)育帶或充水溶槽、溶隙及小型溶洞。TEM法結(jié)果顯示在YK8+436～+471范圍內(nèi)存在低阻區(qū)，這是此段圍巖中存在大含水量構(gòu)造的依據(jù)。另外，此段圍巖巖性為灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r等可溶巖，因而可以判斷開挖面前方Y(jié)K8+436～+471存在富水異常區(qū)，可能發(fā)育有充水溶槽、溶隙及小型溶洞。

6.2 開挖驗證

隧道進一步的開挖施工揭示出在開挖面里程YK8+463處有小型溶腔，溶洞口出現(xiàn)小規(guī)模涌水。剛揭露時溶洞口出水呈噴射狀，噴射距離約2.8 m。2 h后變成股狀涌水，隨后水量越來越小，涌水總持續(xù)時間約9 h。

7 結(jié)束語

隧道常用的地質(zhì)超前預(yù)報方法有多種，但每種方法都有自己的不足，采用多種方法進行超前地質(zhì)預(yù)報可以有效提高預(yù)報結(jié)果的準確度。