淺埋隧道塌方冒頂后TSP及監(jiān)控量測回顧性分析研究

周露

(1.長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙 410114；2.湖南華罡規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司， 湖南 長沙 410076)

目前，中國已有約1萬座公路、鐵路隧道，總長度5 000 km左右，隧道數(shù)量及總長度均居世界第一。在建隧道也很多，其中淺埋隧道塌方冒頂時有發(fā)生，特別是在雨季，有了水源、水量，常導(dǎo)致巖體滑層、垮塌。地質(zhì)超前預(yù)報(TSP)及監(jiān)控量測是隧道安全施工的重要技術(shù)手段。20世紀(jì)50年代，日本OYO在隧道兩側(cè)平行于隧道底板布置發(fā)射源和接收器，研發(fā)了HSP水平聲波剖面法。中國曾昭璜利用隧道垂直剖面獲得負(fù)視速度同相軸來識別掘進(jìn)頭前方的反射波標(biāo)準(zhǔn)，并據(jù)此推測反射界面，該方法即為隧道垂直地震剖面法(TVSP)。發(fā)展至今的TSP技術(shù)已成為一種多波多分量高分辨率的地震反射方法。隧道監(jiān)控量測作為新奧法的三大核心之一，主要是對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場分析、處理，為確定實際圍巖級別及變形特性提供準(zhǔn)確依據(jù)，并決定二次襯砌的施作時間等。

1 TSP和監(jiān)控量測簡介

如圖1所示，TSP是在隧道圍巖中用炸藥激發(fā)24個震源點，彈性波傳播中遇到構(gòu)造破碎帶、巖溶發(fā)育帶等分界面時，部分地震信號會反射回來，利用加速度傳感器接收反射波，使用專業(yè)軟件處理分析掌子面前方地質(zhì)體信息，達(dá)到地質(zhì)超前預(yù)測預(yù)報的目的。

隧道監(jiān)控量測主要是對隧道凈空收斂、拱頂下沉、錨桿抗拔力、地表下沉、圍巖位移、砼應(yīng)變等信息進(jìn)行監(jiān)控，為隧道施工中圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)、襯砌施作提供可靠信息，并為施工中調(diào)整圍巖級別、修改支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計和變更施工方法提供依據(jù)。

圖1 TSP原理示意圖

采用TSP303plus超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，其觀測系統(tǒng)主要包括炮孔布置、傳感器鉆孔布置、測試前準(zhǔn)備等，其中測線布置見圖2。

監(jiān)控量測使用的設(shè)備有地質(zhì)羅盤儀、光學(xué)水準(zhǔn)儀、銦鋼水準(zhǔn)尺、收斂儀、計算軟件等。監(jiān)測項目主要有地表沉降(22個測點位)、洞內(nèi)拱頂沉降(46個測點位)、洞內(nèi)凈空收斂(46個測點位)。

圖2 TSP觀測系統(tǒng)布置示意圖(俯視圖，單位：m)

2 TSP數(shù)據(jù)處理與分析

TSP數(shù)據(jù)基本處理流程為偏移距計算→數(shù)據(jù)準(zhǔn)備→數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)→數(shù)據(jù)設(shè)置→時變高截→帶通濾波→初至拾取→拾取管理→拾取處理→炮能量均衡→Q估計→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。首先輸入炮點、接收點和隧道相關(guān)信息，將質(zhì)量合格的地震道用于數(shù)據(jù)處理與解釋。若縱波速度減小，表明節(jié)理裂隙發(fā)育；若為正反射振幅，表明巖層堅硬；若為負(fù)反射振幅，表明軟弱巖層；反射振幅越強(qiáng)，反射系數(shù)、波阻抗差異越大；若縱波反射比橫波反射弱，表明巖層含水；若縱橫波速度比或泊松比突然增大，可能是由流體引起。

如圖3、圖4所示，該段圍巖主要為頁巖，受地層巖性、構(gòu)造影響，圍巖呈較破碎～破碎狀，局部含水，局部可能存在夾泥或軟弱夾層。預(yù)測預(yù)報的掌子面前方150 m內(nèi)，在后期進(jìn)入雨季時垮塌冒頂段的縱波波速為4 897～5 038 m/s、橫波波速為2 888～2 992 m/s，相對于其他正常段，波速偏低，但差異不明顯，推斷為雨季時節(jié)有了水源、水量，致使巖體滑層、垮塌。

圖3 巖石屬性圖

圖4 TSP二維成果圖

3 監(jiān)控量測統(tǒng)計與分析

如圖5所示，JGD35-1、JGD35-2、JGD35-3、JGD36 4個洞內(nèi)拱頂沉降測點的拱頂沉降測值中，沉降變化量最大的測點為JGD35-3和JGD36，最大累計變化量為-35 mm，日變化速率為-0.67 mm/d。

圖5 洞內(nèi)拱頂累計沉降曲線

如圖6所示，JSL35-1、JSL35-2、JSL35-3、JSL36 4個洞內(nèi)凈空收斂測點的收斂測值中，收斂變化量最大的測點為JSL35-3和JSL36，最大累計變化量為-20 mm，日變化速率為-0.38 mm/d。

圖6 洞內(nèi)凈空收斂累計曲線

4 結(jié)論

通過TSP回顧性分析、定量解釋，雖然該段圍巖強(qiáng)度有所增強(qiáng)、巖質(zhì)較硬，但巖體較破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育，施工中應(yīng)注意安全。根據(jù)監(jiān)控量測所得洞內(nèi)拱頂沉降、凈空收斂變化速率，隧道所處一定區(qū)域內(nèi)沉降、形變在雨季時的變化特征，特別是塌方冒頂前的極限累計變化量和日變化速率，可為隧道施工安全提供有力的技術(shù)支撐。