TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在丹洲二號隧道斷層破碎帶中的應(yīng)用

鐘乃龍

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛躍，交通事業(yè)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。山嶺地區(qū)采用隧道穿越是交通基礎(chǔ)建設(shè)的一大趨勢，然而因地形、地質(zhì)條件的復(fù)雜性給現(xiàn)場施工帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。盡管勘察階段投入了大量的財(cái)力、物力、時間，但因地形地貌的多變性、地質(zhì)條件的復(fù)雜性，加之交通行業(yè)勘察技術(shù)的現(xiàn)狀水平不高以及時間和經(jīng)費(fèi)的有限，勘察階段的地質(zhì)資料難免存在不準(zhǔn)確甚至錯誤的現(xiàn)象，從而誤導(dǎo)設(shè)計(jì)。因此，施工過程中進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是必要的[1-2]。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要是探測開挖面前方水文地質(zhì)情況，分析不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、規(guī)模等特征，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，避免因盲目的施工造成生命、財(cái)產(chǎn)損失，同時也是現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)計(jì)變更的有力依據(jù)。目前，國內(nèi)外施工階段主要采用的預(yù)報(bào)方法有地質(zhì)雷達(dá)法、電測深法、瞬變電磁法、地震波反射法、陸地聲吶法、現(xiàn)場取芯鉆孔法、掌子面地質(zhì)素描法等[3-5]。TGP是地震波反射法中的一種，其原理與TSP地震波反射法原理相似。國內(nèi)于20世紀(jì)90年代引進(jìn)隧道地震波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，同期鐵一院物探隊(duì)分別在侯月線云臺山隧道、寶中線頡河隧道、老爺嶺隧道成功運(yùn)用該技術(shù)。經(jīng)過幾十年的消化吸收、改進(jìn)，目前TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中已得到廣泛運(yùn)用，并在業(yè)內(nèi)得到很好的認(rèn)可[6]。基于TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，本文對三江至柳州高速公路丹洲二號隧道斷層破碎帶段進(jìn)行探測，對探測結(jié)果進(jìn)行了分析，并進(jìn)行開挖驗(yàn)證。

1 TGP工作原理

TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)是利用地震波在三維空間傳播遇到斷層破碎帶、溶洞及富水帶等不良地質(zhì)體分界面產(chǎn)生反射波，被傳感器接收，通過軟件處理后，達(dá)到準(zhǔn)確判斷地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、規(guī)模的目的。檢測結(jié)果分析應(yīng)遵循以下原則[6-7]：

(1)以左、右兩側(cè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析。

(2)判斷不良地質(zhì)規(guī)模、性質(zhì)，遵循縱波(P波)與橫波(SH、SV)相結(jié)合綜合分析判斷的原則?？v波主要判斷巖體完整性，波速越高完整性越好，反之，巖體完整性越差；橫波主要判斷地下水的富水量，橫波越低含水量越高，反之，地下水越發(fā)育。

(3)判斷不良地質(zhì)范圍，以縱波為主，橫波為輔。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

丹洲二號隧道左線長度為957 m，右線長度為902 m，屬于中隧道。隧道區(qū)屬低山地貌，地形起伏較大，溝谷發(fā)育。沿隧道走向地表部分地段基巖出露，坡殘積層覆蓋，植被茂密。隧區(qū)主要由殘坡積層粉質(zhì)黏土(Qdl+el)和中-強(qiáng)風(fēng)化狀上板溪群板巖(Ptb)組成?？辈煸O(shè)計(jì)階段ZK51+106～ZK51+256為斷層破碎帶段，存在較大的施工安全隱患，若未探測清楚地質(zhì)情況盲目開挖，極有可能出現(xiàn)突泥、涌水、坍塌等不良地質(zhì)災(zāi)害，危及現(xiàn)場施工人員生命安全，造成財(cái)產(chǎn)損失以及工期延誤。因此，對丹洲二號隧道斷層破碎帶段進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作是非常有必要的。

2.2 數(shù)據(jù)采集

TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是在靠近隧道左邊墻或右邊墻布置24個爆破孔，爆破孔布置于同一水平面上，布置總長度為69～81 m，孔深2.0 m，下傾10°～15°(保證水能封孔)的炮孔。第1個爆破孔距檢波器孔20～30 m，第24個爆破孔距開挖面3～5 m，爆破孔間距為2 m，接收孔(檢波器)應(yīng)布置于巖體完整性較好的地段，記錄接收孔里程、激發(fā)孔里程、掌子面里程。逐炮孔安置帶有計(jì)時線的炸藥卷，藥量控制在60～120 g。然后對逐炮地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集過程中避免洞內(nèi)施工噪音干擾，同時停止隧道內(nèi)振動作業(yè)。本次TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)檢測激發(fā)孔24個，實(shí)際激發(fā)23個，其中22個激發(fā)孔檢測數(shù)據(jù)良好，滿足數(shù)據(jù)處理和解釋要求。

2.3 預(yù)報(bào)成果解譯

2.3.1 地震波三分量記錄圖

將采集的TGP地震波數(shù)據(jù)導(dǎo)入TGPwin軟件，按采集的波速計(jì)算，管波傳播速度接近340 m/s，濾除管波干擾，如圖1所示。

2.3.2 縱橫波偏移成果圖

縱橫波偏位成果圖是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果演繹的重要依據(jù)，圖形中異常部分波形既有有效波生成的，也有干擾波生成的，因此，必須進(jìn)行繞射波偏移和歸位處理。根據(jù)偏移圖的異常推斷巖體不良地質(zhì)的位置、規(guī)模、性質(zhì)。圖2～4分別為ZK51+106～ZK51+256測段的縱波偏移成果圖、橫波SH偏移成果圖和橫波SV偏移成果圖。

圖1 地震波三分量示例圖

圖2 縱波(P波)偏移成果圖

圖3 橫波(SH)偏移成果圖

圖4 橫波(SV)偏移成果圖

2.3.3 地質(zhì)構(gòu)造與結(jié)構(gòu)參數(shù)(表1)

表1 地質(zhì)構(gòu)造與結(jié)構(gòu)參數(shù)表

由表1可知，ZK51+106～ZK51+256測段范圍內(nèi)，共有8條反射界面，其中縱波4條，橫波4條。分別根據(jù)波軸相似度、反射幅度比，將反射界面分為三類：(1)強(qiáng)反射界面2個(序號3、4)；(2)中等反射界面2個(序號7、8)；(3)弱反射界面4個(序號1、2、5、6)。上述反射界面8個，有4個正反射特征、4個負(fù)反射界面(見表1)。根據(jù)TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)基本原理判斷，負(fù)強(qiáng)反射為斷層破碎帶，負(fù)中等反射為節(jié)理裂隙發(fā)育帶，負(fù)弱反射為節(jié)理裂隙一般?？v波中正強(qiáng)反射界面處為由軟巖向硬巖的過渡；橫波中正強(qiáng)反射含水量大。測段范圍內(nèi)巖層走向與隧道軸線的水平夾角在61°～121°范圍內(nèi)。

2.3.4 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果(圖5)

圖5 TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果圖

采用TGPwin軟件分析，結(jié)合開挖面的水文地質(zhì)條件，對三江至柳州高速公路丹洲二號隧道ZK51+106～ZK51+256測段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析。

ZK51+106～ZK51+150測段縱橫波速較低，縱波出現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)反射，推測該段為破碎帶，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，自穩(wěn)能力較差。其中，ZK51+130～ZK51+150段處縱波出現(xiàn)強(qiáng)的負(fù)反射，且ZK51+135附近出現(xiàn)較大的橫波，推測此段為一處斷層破碎帶，該段施工中易出現(xiàn)掉塊、塌方等現(xiàn)象，施工中可能出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，做好防排水措施。ZK51+150～ZK51+190測段縱波波速較高，縱波出現(xiàn)中等正反射，推測測段圍巖以中風(fēng)化板巖為主，巖性較前段變好。ZK51+190～ZK51+256測段縱波波速較低，縱波出現(xiàn)中等負(fù)反射，推測測段圍巖以中-強(qiáng)風(fēng)化板巖為主，圍巖較前段變差，自穩(wěn)能力較差，施工中易出現(xiàn)塌方、掉塊等現(xiàn)象，可能出現(xiàn)點(diǎn)滴狀出水，施工中應(yīng)采取措施加強(qiáng)支護(hù)。

3 開挖驗(yàn)證

測段開挖驗(yàn)證，掌子面ZK51+106圍巖以中風(fēng)化為主，呈灰褐色，節(jié)理裂隙較發(fā)育，多呈閉合狀態(tài)，巖體為塊狀結(jié)構(gòu)、潮濕、巖質(zhì)堅(jiān)硬、自穩(wěn)能力一般。ZK51+138處以中-強(qiáng)風(fēng)化為主，灰褐色，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈塊碎狀結(jié)構(gòu)，黃褐色黏性土膠結(jié)，巖質(zhì)較硬，巖體有變差的趨勢，左側(cè)拱腰有滲水。ZK51+197以強(qiáng)風(fēng)化為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈塊碎狀結(jié)構(gòu)，黃褐色黏性土填充，拱部點(diǎn)滴狀出水，自穩(wěn)能力較差-差。隧道開挖揭露地質(zhì)情況基本與檢測結(jié)果相符，圍巖整體呈逐漸變差的趨勢，局部存在有破碎帶、黏性土填充，整體含水量變化不大，呈點(diǎn)滴狀出水。

4 結(jié)語

本文采用TGP206超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對三江至柳州高速公路丹洲二號隧道斷層破碎帶段進(jìn)行預(yù)報(bào)，對預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)際開挖揭露的水文地質(zhì)情況進(jìn)行對比分析，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際水文地質(zhì)情況基本吻合。

(1)TGP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)長度長、周期長，可減少對現(xiàn)場施工的干擾，操作簡易，預(yù)報(bào)結(jié)果準(zhǔn)確。

(2)TGP預(yù)報(bào)可以帶來較長時間上的超前性，現(xiàn)場施工人員可以較超前地了解開挖面前方水文地質(zhì)情況，提前采取有效的施工措施，有效地減少因不良水文地質(zhì)情況導(dǎo)致塌方、突泥、涌水等不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，減少經(jīng)濟(jì)損失，避免因不良水文地質(zhì)原因造成施工工期的延誤。

(3)經(jīng)開挖驗(yàn)證，本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際水文地質(zhì)情況基本吻合，較準(zhǔn)確地判斷了不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模以及性質(zhì)。

(4)TGP也存在一些問題，在判別不良地質(zhì)體時沒有明確的判定指標(biāo)，較多地依賴檢測地質(zhì)專家的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)。檢測過程對現(xiàn)場條件要求較高，現(xiàn)場施工對預(yù)報(bào)結(jié)果干擾性較大，且一次檢測時間較長，現(xiàn)場進(jìn)行檢測需要的作業(yè)空間較大。這些不良因素均是TGP預(yù)報(bào)系統(tǒng)今后一段時間必須進(jìn)行改進(jìn)的地方。