超前地質(zhì)預報方法在西延高鐵巖溶隧道中的應用

張文康

(陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西 西安 710003)

1 概述

西延高鐵銅川某隧道巖溶[1-2]高度發(fā)育，為了準確獲取隧道前方圍巖的地質(zhì)情況，提前規(guī)避施工風險，超前地質(zhì)預報[3-7]技術是不可或缺的預報手段，然而能否準確查明隧道前方巖溶發(fā)育規(guī)模，是國內(nèi)隧道預報檢測工作一項難題，本文通過對超前地質(zhì)預報TSP法從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、成果解譯、地質(zhì)雷達法[8]資料處理等多項工藝改進，準確的預報了銅川隧道前方巖溶的發(fā)育情況。

2 超前地質(zhì)預報技術基本原理

2.1 TSP法基本原理

TSP303超前預報系統(tǒng)依靠人工激發(fā)地震波，地震波以球面波[9]的形式向前傳播，當它遇到巖石物性界面的時候，一部分地震信號反射回來，一部分地震信號透射進入前方介質(zhì)，反射回的信號被接收器接收,通過對接收信號的運動學和動力學特征進行分析，可推斷斷層和巖石破碎帶等不良地質(zhì)體[10]的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀及巖石力學參數(shù)。

2.2 地質(zhì)雷達法基本原理

地質(zhì)雷達(SIR3000)將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式由發(fā)射天線定向送入被探測體，電磁波在被探測介質(zhì)中傳播，當遇到不同介電常數(shù)[11]的介質(zhì)交界面時，部分電磁波的能量被反射回地面，由接收天線接收。

GPR記錄的是被探測介質(zhì)波阻抗[12]界面的反射波時間序列，應用處理解釋軟件可將反射波的雙程走時Δt(ns)轉換成深度h(m)剖面，通過分析深度剖面中反射波的形態(tài)、頻譜、振幅等特征，確定異常區(qū)的位置、大小、形態(tài)，推斷地下地質(zhì)體(或結構)的空間位置、幾何形態(tài)和性質(zhì)等。

3 工程實例應用

3.1 地質(zhì)概況

銅川某隧道DK103+865處位于沖溝右岸斜坡處，斜坡坡度約30°，周圍植被較發(fā)育，雜草為主，沖溝內(nèi)有少量流水，隧址區(qū)位于中朝準地臺一級構造單元，陜甘寧臺坳二級構造單元，陜北臺凹三級構造單元，域內(nèi)地表多被厚層第四系地層覆蓋，隧道于DK103+950與銅川南二十里鋪背斜相交，該背斜走向N65°E，兩翼傾角約5°～10°地層主要為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r，淺灰色、灰白色，礦物成分以方解石為主，隱晶質(zhì)-細晶結構，中厚層狀構造，巖體破碎。

3.2 TSP法預報應用

3.2.1 數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的改進

眾所周知，原始數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量是預報后續(xù)工作的基礎，是決定一份預報成敗的關鍵所在。在硬質(zhì)圍巖區(qū)域，可以順利的布置TSP炮孔，然而，在軟質(zhì)巖區(qū)域，布置的TSP炮孔會造成塌孔，往往要工人清孔，這對我們開展工作造成很大不便，甚至在碎裂巖或特殊巖土(膨脹土)區(qū)域開展TSP工作，往往碎裂巖是由于斷層破碎帶等特殊地質(zhì)構造引起的，銅川某隧道屬于軟質(zhì)巖和碎裂巖區(qū)域，這樣復雜而特殊的地質(zhì)情況需要TSP法來預報前方，所以這又對我們的工作提出了艱巨挑戰(zhàn)。

理論來講，在數(shù)據(jù)的采集過程中，每孔的炸藥量和能量對接收信號的質(zhì)量影響很大，炸藥量越大，能量越大。通過大量的試驗，在Ⅴ級圍巖中，同樣的條件下，300 g的炸藥量比200 g的炸藥量接收到的信號能量好，但是，往往在遇到Ⅴ級圍巖的隧道時，施工方要求藥量越少越好，并且不能超過200 g，所以，針對銅川某隧道圍巖類似情況時，為了提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，我們采取新型工藝——PUC管作業(yè)法。經(jīng)過多次試驗之后，數(shù)據(jù)采集合格率大于90%，這樣不僅提高了信號能量強度，同時提高了信噪比[13]，既滿足預報要求，又減少隧道因為炸藥量大而引起的擾動坍塌。如圖1所示，右側PUC管作業(yè)法200 g炸藥量遠高于左側普通方法300 g的炸藥量后采集的信號能量，且右側PUC管作業(yè)法信噪比遠高于普通方法。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理的改進

在實際工作中，接收的地震波信號往往有多種頻率成分，其頻率主要集中在0 Hz～5 000 Hz之間，帶通濾波用于將這些不需要的噪聲信號和有用的信號進行分離，消除有效信號頻率范圍以外的噪聲信號，所以我們根據(jù)梯形帶通濾波原理，可以最大限度地防止信號失真。銅川某隧道巖性以灰?guī)r、碎裂巖為主，通過前期的TSP預報經(jīng)驗，在乳化炸藥作為震源的條件下，地震波主頻在800 Hz～1 500 Hz。

直達波速度的正確計算是TSP數(shù)據(jù)處理的基礎，也是最重要的環(huán)節(jié)，初至信號就是直達波以最快路徑從發(fā)生源傳播到接收器的地震信號，所以我們在TSP數(shù)據(jù)處理時運用了波速測井數(shù)據(jù)處理能量比法原理來拾取初至信號(見圖2)，它大大提高了計算結果的準確性和穩(wěn)定性，再結合隧道前期勘察彈性波速測井[14]資料進行直達波速度校正，從而避免了物探多解性[15]問題，提高了數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。

3.2.3 數(shù)據(jù)成果解譯分析

資料解譯原則上綜合隧洞地質(zhì)勘察資料、設計資料、施工地質(zhì)資料、反射波分析成果顯示圖及巖體物理力學參數(shù)等資料進行解譯，合理預測前方地質(zhì)情況，由于銅川某隧道前期地質(zhì)勘察資料存在偏差，伴隨著物探資料解譯的多解性難題，作者采用了新的解譯手段，引進工程地質(zhì)力學理論，結合巖溶的形成機制及巖溶的塌陷機制，可以計算出TSP的追蹤角δ。巖溶地質(zhì)理論則指出，巖溶發(fā)育與地質(zhì)構造密切相關，溶洞主要發(fā)育于溶蝕地層的斷層、背斜、向斜核部及側翼,而銅川某隧道于DK103+950與銅川南二十里鋪背斜相交，該背斜走向ωN65°E，銅川隧道走向ζ=85°～265°，δ=ζ-ω=15°～200°，通過地質(zhì)力學理論計算公式可以大致確定TSP的追蹤角δ，從而確定巖溶的發(fā)育情況。對于無填充型溶洞，二維反射層位圖(如圖3所示)顯示以強烈的負反射開始，以強烈的正反射結束，反射帶內(nèi)反射界面少，巖石屬性圖顯示縱波速度、橫波速、泊松比變化較??；對于塊石土填充型溶洞，反射帶內(nèi)反射界面多，正負反射相間，以強烈的負反射開始，以強烈的正負反射相間結束，巖石屬性圖顯示縱波速度升高，橫波速變化較小，泊松比變化較大。

從圖3可知，DK103+865～DK103+835段縱波速度、橫波速度、波動比數(shù)值變化較小，反射帶內(nèi)反射層較少，推斷為無填充型溶洞，其中DK103+865～DK103+845段溶洞延伸至拱頂上方30 m處，DK103+845～DK103+835溶洞延伸至拱頂上方10 m～15 m處；DK103+835～DK103+810段縱波速度升高且波動強烈，橫波速度變化不大，泊松比數(shù)值變化較大，反射帶內(nèi)反射層密集，推斷為串珠狀溶洞或塊石土填充型溶洞，溶洞延伸至DK103+835隧底18 m處及DK103+810拱頂上方28 m處。

3.3 地質(zhì)雷達法預報應用

地質(zhì)雷達法在常規(guī)隧道的超前地質(zhì)預報應用比較簡單，僅需要對原始數(shù)據(jù)進行簡單處理就可以直觀的得到前方地質(zhì)圍巖信息，但在復雜構造地層當中往往會對不良地質(zhì)體的深度、規(guī)模、發(fā)育情況作出誤判，其中介電常數(shù)的正確選擇至關重要，當不能正確選擇介電常數(shù)參數(shù)時，就需要對地質(zhì)雷達原始數(shù)據(jù)的介電常數(shù)進行校正，根據(jù)現(xiàn)有銅川某隧道勘察設計鉆孔資料，利用Cgssi軟件最終修正該地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)的介電常數(shù)為8.45，通過Radan軟件得到地質(zhì)雷達圖像如圖4,圖5所示。

從雷達影像圖得知，在DK103+865～DK103+835處雷達波頻率有明顯變化，且同相軸連續(xù)性差，雷達信號衰減較快，推斷存在大規(guī)模連續(xù)不規(guī)則溶洞。

3.4 預報成果綜合評價

本次通過工藝改進后TSP和地質(zhì)雷達法對銅川某隧道巖溶預報十分成功，取得了較大的經(jīng)濟效益。

結合TSP和地質(zhì)雷達法預報結果，查明了掌子面前方巖溶的分布情況和發(fā)育規(guī)律，在DK103+865～DK103+845段溶洞延伸至拱頂上方30 m處，DK103+845～DK103+835溶洞延伸至拱頂上方10 m～15 m處，DK103+835～DK103+810有多組小型溶洞，呈串珠狀或塊石土，溶洞延伸至DK103+835隧底18 m處及DK103+810拱頂上方28 m處，隨后，施工單位及時改進施工方案，規(guī)避施工風險，以探灌相結合的施工原則，加密布置超前水平鉆探和管棚鉆探。超前水平鉆孔揭示，DK103+865掌子面前方發(fā)育半充填型溶洞，溶洞形態(tài)不規(guī)則，主體主要發(fā)育在掌子面左拱部及拱頂，左拱部可見空腔，空腔深10 m～15 m，高3 m～8 m，寬0.5 m～2 m，朝左前方延伸；管棚鉆探揭示，DK103+865掌子面前方分布有空腔，延伸長度大于20 m，分布寬度10 m～20 m，高5 m～7 m；綜合鉆探揭示溶洞沿洞軸向小里程至少延伸18 m～30 m。

所以，超前地質(zhì)預報對于準確查明前方地質(zhì)體情況，使施工單位在正常區(qū)段內(nèi)可以放心大膽地掘進，保證工期，從而提高經(jīng)濟效益，在異常區(qū)段則要小心謹慎，這樣，就可以避免人員傷亡，事故發(fā)生延誤工期造成的巨大經(jīng)濟損失。

4 結語

通過對TSP法和地質(zhì)雷達法技術工藝多方面改進，能極大的提高預報的準確率，從而正確的指導施工，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益，然而由于物探解譯的多解性和解譯人員的工作知識積累不同，單純應用TSP和地質(zhì)雷達法進行超前地質(zhì)預報經(jīng)常出現(xiàn)較大誤差甚至判斷失誤，所以，還要結合地質(zhì)素描、瞬變電磁、隧道監(jiān)控量測多手段、高水平的預報，更好的為施工單位做好安全服務工作。