HSP法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在大涼山1號(hào)TBM施工隧道中的應(yīng)用

楊玲潔，楊卓文，王 冬,楊朝棟

(1.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731；2.四川綿九高速公路有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621700)

1 引 言

隨著我國(guó)隧道建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，復(fù)雜地質(zhì)條件隧道工程越來越多，遭遇溶洞、破碎帶、斷層等不良地質(zhì)的概率越來越大，誘發(fā)各種洞內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)極高。為確保隧道施工安全，精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)隧道穿越區(qū)的不良地質(zhì)位置與規(guī)模已成為當(dāng)前隧道施工所亟需解決的重要問題[1-6]之一。國(guó)內(nèi)外專門針對(duì)或適用于盾構(gòu)及掘進(jìn)機(jī)施工的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)有ISP(原ISIS系統(tǒng))、BEAM系統(tǒng)、TRT系統(tǒng)、TSP(Tunnel Seismic Prediction)等，主要分為兩類，一類為探測(cè)前方斷層破碎帶、軟弱夾層等依托介質(zhì)阻抗差的探測(cè)方法；另一類為探測(cè)前方地下富水情況的探測(cè)方法，其主要依托介質(zhì)溫度場(chǎng)、介電差異、極化特性等。各系統(tǒng)間均有各自的特點(diǎn)，也取得了一定的成效。

針對(duì)以下情況：①掌子面無法直接布置測(cè)線；②空間狹小，需鉆探測(cè)孔地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，操作不便、且費(fèi)時(shí)；③如采用炸藥震源激發(fā)的預(yù)報(bào)方法，應(yīng)采用特殊處理，費(fèi)時(shí)，且存在安全風(fēng)險(xiǎn)；④盾構(gòu)掘進(jìn)速度較快，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求時(shí)間短、成果提交速度快等。本文采用HSP法對(duì)大涼山1號(hào)TBM(Tumel Boring Machine)施工隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，其中，HSP法(水平聲波/地震波剖面法)是采用電火花、錘擊、爆破等作為激發(fā)震源的一種隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法[6-9]。文中通過介紹方法原理、設(shè)備系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理等，并通過多個(gè)測(cè)線預(yù)報(bào)案例分析，總結(jié)了HSP法下TBM施工的應(yīng)用特點(diǎn)與效果。

2 HSP法預(yù)報(bào)技術(shù)

2.1 HSP法簡(jiǎn)介

HSP法由中鐵西南科學(xué)研究院研發(fā)，技術(shù)成果已獲多項(xiàng)國(guó)家專利，測(cè)試便捷、無需爆破或錘激震源、無需TBM停機(jī)，以及測(cè)前準(zhǔn)備工作等，具有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)間短、檢波點(diǎn)布設(shè)迎合性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，能夠高效探測(cè)巖溶、斷層、軟弱夾層、節(jié)理密集帶等多種存在彈性波阻抗差異的不良地質(zhì)。系統(tǒng)主機(jī)如圖1所示。表1為HSP系統(tǒng)的主要參數(shù)。

圖1 HSP217地質(zhì)超前預(yù)報(bào)儀Fig.1 HSP 217 geological advanced prediction instruments

表1 新HSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)儀主要參數(shù)

2.2 技術(shù)原理及布置方案

HSP法以彈性波理論的基礎(chǔ)，傳播過程遵循惠更斯-菲涅爾原理和費(fèi)馬原理[10]，波場(chǎng)在任意介質(zhì)中傳播時(shí)，當(dāng)其傳播到該介質(zhì)與另一介質(zhì)的分界面時(shí)，一部分產(chǎn)生反射，另一部分穿過界面產(chǎn)生折射，繼續(xù)在另一介質(zhì)中傳播，公式為：

式中：R為反射系數(shù)，ρ1、ρ2為上下巖層的密度；v1、v2為地震波在上下巖層中的傳播速度。

當(dāng)掘進(jìn)過程中，隧道工作面前方巖體中若出現(xiàn)如斷層、破碎帶、溶洞等不良地質(zhì)體，存在比巖體小很多的波阻抗。因此，其反射波易于識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)[11]。

結(jié)合TBM結(jié)構(gòu)、施工及預(yù)報(bào)要求，提出以TBM掘進(jìn)過程中刀盤滾刀破巖產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)作為激發(fā)震源，開展適于TBM施工的HSP法預(yù)報(bào)探測(cè)。通過隧道輪廓空間檢波點(diǎn)陣列式布置，在接收圍巖震動(dòng)回波的同時(shí)，同步接收TBM機(jī)身震動(dòng)噪聲，見圖2。在TBM完全掘進(jìn)狀態(tài)下，連續(xù)接收同一時(shí)段內(nèi)的震動(dòng)信號(hào)，數(shù)據(jù)量應(yīng)足夠大，通常不少于10 min。

圖2 適用TBM施工的HSP法測(cè)試布置示意圖Fig.2 Test layout of HSP method for TBM construction

2.3 數(shù)據(jù)處理

TBM掘進(jìn)時(shí)，刀盤滾刀剪切巖石所激發(fā)的震動(dòng)信號(hào)，在地層的“濾波效應(yīng)”下，其震動(dòng)信號(hào)被測(cè)試系統(tǒng)接受；并通過濾波、信號(hào)提取、相關(guān)干涉、聚集成像等處理，定位TBM刀盤前方的不良地質(zhì)情況，從而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的[12-14]，關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理步驟如下：

2.3.1 虛源的獲取

通道間在同一時(shí)間接收的信號(hào)中子波序列具有相同的排序特征，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)干涉處理，獲取虛擬震源道和反射特征曲線[15]。

首先，要對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析[16]，將布設(shè)在隧道輪廓上的檢波器所接收的信號(hào)濾除機(jī)身自體的震動(dòng)噪聲信號(hào)，對(duì)記錄下的信號(hào)做相關(guān)的干涉處理，獲取探測(cè)的等效虛擬震源點(diǎn)[17-19]，即以某個(gè)接收點(diǎn)為震源點(diǎn)，其他收點(diǎn)為接收點(diǎn)的共炮記錄集。在多組共炮記錄點(diǎn)進(jìn)行反射成像，采用橢球理論，包含2個(gè)步驟，分別是對(duì)掌子面前方空間進(jìn)行速度修正和橢球聚焦成像，最終獲取地層特征數(shù)據(jù)。

2.3.2 三維成像

采用能量疊加最大化原理，對(duì)特征波形曲線進(jìn)行反演與散射聯(lián)合反演成像[19-21]，獲取全空間地層的三維反射能譜圖和掌子面前方速度分布圖，如圖3所示。

圖3 HSP預(yù)報(bào)成果Fig.3 Prediction result of HSP method

2.4 TBM施工隧道HSP法實(shí)施

HSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)軟件采用儀器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集軟件、與該儀器采集數(shù)據(jù)匹配的專用反射譜分析和反演成像分析軟件，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查方法，確保了探測(cè)的快速、資料的準(zhǔn)確和分析結(jié)果的可靠。具體如下：通過在刀盤后方隧道輪廓上布置陣列式檢波器接收地震波場(chǎng)信號(hào)，在隧道兩側(cè)壁各布置一定數(shù)量并具有一定偏移距的接收檢波器，采用多源地震干涉技術(shù)，對(duì)反射與散射信號(hào)進(jìn)行聚焦成像，實(shí)現(xiàn)前方不良地質(zhì)體的預(yù)報(bào)，如圖4所示。

3 TBM破巖波場(chǎng)正演研究

TBM施工時(shí)主要靠刀盤滾刀破巖，所產(chǎn)生的震源為持續(xù)震源，結(jié)合多源地震技術(shù)，依托于大涼山1號(hào)隧道實(shí)際采集的TBM破巖信號(hào)(圖5)作為激發(fā)震源，對(duì)TBM施工環(huán)境下所產(chǎn)生地震波的傳播規(guī)律進(jìn)行了模擬。

選用有限元法進(jìn)行隧道中地震波傳播的數(shù)值模擬，模擬了TBM施工方式下地震波場(chǎng)的變化規(guī)律及HSP方法的可靠性。

3.1 TBM施工斷層破碎帶模型模擬研究

TBM施工斷層模型主要參數(shù)如圖6(縱波速度分布圖)所示。模型大小為400 m×400 m，隧道截面寬10 m，位于模型垂直方向的195～205 m。震源點(diǎn)位于掌子面上，隧道已開挖40 m。斷層距離掌子面垂直距離110 m，寬度為2 m，貫穿整個(gè)模型。數(shù)值模擬相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 TBM施工斷層數(shù)值模擬主要參數(shù)

數(shù)值模擬中被動(dòng)震源以實(shí)際采集的連續(xù)震動(dòng)信號(hào)作為持續(xù)的脹縮源進(jìn)行加載，圖7為TBM施工斷層模型數(shù)值模擬的波場(chǎng)圖，從圖中可看出，在斷層位置處，波場(chǎng)發(fā)生了明顯的反射。

圖7 TBM施工斷層模型數(shù)值模擬波場(chǎng)Fig.7 Wave field diagram of numerical simulation of TBM construction fault model

檢波點(diǎn)位于掌子面兩側(cè)，每側(cè)均布設(shè)3個(gè)檢波點(diǎn)(圖6)，兩側(cè)第一個(gè)檢波點(diǎn)距離掌子面距離為4 m,相鄰兩個(gè)檢波點(diǎn)間的間距相同為2 m。進(jìn)行持續(xù)接收，采集時(shí)長(zhǎng)為10 min(圖8為部分時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù))，采樣間隔為62.5 ms。對(duì)所采集的原始記錄采用HSP法進(jìn)行成像，結(jié)果如圖9所示。反演成像結(jié)果顯示,在距掌子面前方110 m位置處存在強(qiáng)反射異常，與所設(shè)置的斷層位置相符合，表明所采用的適于TBM施工的HSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法能夠?qū)η胺降漠惓ｓw進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

圖9 HSP反演成像Fig.9 Inversion result of HSP method

4 工程概況

大涼山1號(hào)特長(zhǎng)隧道全長(zhǎng)約15.3 km，隧道首次采用10 688 m平導(dǎo)TBM+主洞鉆爆法組合施工工法，為國(guó)內(nèi)首座運(yùn)用該工法的高速公路隧道。

隧址區(qū)位于云貴高原與川西南山地過渡帶，東北部與四川盆地毗連，地勢(shì)西高東低，呈北東向領(lǐng)斜，屬大涼山系。最高頂峰東北部大風(fēng)山，海拔4 042 m，最低處美姑河與金沙江匯合口，海拔440 m，一般高程2 000 m左右。山脈走向與構(gòu)造線展布方向大體一致，呈南北向和北東向延伸。區(qū)內(nèi)地勢(shì)陡峻，屬構(gòu)造侵蝕深切割高山區(qū)。屬侵蝕構(gòu)造高山地貌，地貌基本形態(tài)主要受地質(zhì)構(gòu)造控制，并與地層巖性密切相關(guān)，擬建隧址區(qū)高山逶迤，穿過背斜核部，為典型背斜成山地貌形態(tài)，“V”形橫向谷比較發(fā)育，植被茂密。隧道區(qū)出露的主要地層有：第四系、侏羅系、三疊系、二疊系。該隧道區(qū)主要不良地質(zhì)有斷層破碎帶、巖溶等，對(duì)施工極具挑戰(zhàn)性，其地質(zhì)縱斷面如圖10所示。

圖10 大涼山1號(hào)隧道地質(zhì)縱斷面Fig.10 Geological profile of Daliangshan tunnel 1

5 案例分析

實(shí)際測(cè)試時(shí)對(duì)檢波點(diǎn)采用空間陣列式布置方法，在TBM隧道兩側(cè)拱腰位置各布設(shè)3個(gè)檢波點(diǎn)(圖11)，采用三分量檢波器進(jìn)行接收，在盾構(gòu)完全掘進(jìn)狀態(tài)下，連續(xù)采集震動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)不少于10 min，數(shù)據(jù)記錄在1 200道以上。

圖11 HSP法觀測(cè)系統(tǒng)布置示意圖Fig.11 Layout of HSP observation system

本文分析了PDK88+511～PDK88+411、PDK88+168～PDK88+068與PDK87+996～PDK87+896里程段這3個(gè)案例運(yùn)用HSP法探測(cè)隧道掌子面前方圍巖工程地質(zhì)情況。

對(duì)上述3個(gè)案例運(yùn)用HSP法預(yù)報(bào)，探測(cè)成果見圖12，具體對(duì)比統(tǒng)計(jì)情況如表3所示。

圖12 三維反射能譜Fig.12 Three-dimensional reflection energy spectrum

表3 地質(zhì)預(yù)報(bào)測(cè)試結(jié)果表及揭露對(duì)比

續(xù)表3

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)典型預(yù)報(bào)段進(jìn)行了詳細(xì)的揭露驗(yàn)證，如圖13所示。從圖可知,預(yù)報(bào)成果在PDK88+476、PDK88+125、PDK87+950處與實(shí)際揭露情況一致性較好，有效指導(dǎo)了隧道施工。

圖13 實(shí)際揭露Fig.13 Actual excavation site exposure map

6 結(jié) 論

本文采用HSP法在樂西高速大涼山1號(hào)TBM隧道預(yù)報(bào)，結(jié)論如下：

1)HSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試便捷、安全，無需采用炸藥震源，避免了預(yù)報(bào)過程中的爆破安全風(fēng)險(xiǎn)；

2)該方法檢波點(diǎn)布設(shè)適應(yīng)性強(qiáng)，可布置于隧道輪廓任何位置；

3)HSP法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試不影響TBM施工，觀測(cè)系統(tǒng)布置，以及傳感器埋置約15 min，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集約15 min，顯著提高了預(yù)報(bào)效率。

本次探測(cè)案例的揭露驗(yàn)證表明,HSP法對(duì)斷層破碎帶、節(jié)理密集帶的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，有效指導(dǎo)了TBM的安全施工，具有良好的應(yīng)用前景。