TGP與地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的綜合應(yīng)用

李曉渭

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

目前,TSP地震預(yù)報、地質(zhì)雷達(dá)(GPR)、紅外探水、超前水平鉆探等方法已在我國隧道工程中被廣泛應(yīng)用[1-2]。某鐵路隧道全長3940.186 m,位于低中山區(qū),地形高低起伏。隧道地層巖性由新到老主要為第四系全新統(tǒng)坡積塊石土、沖洪積漂石土、泥盆系中統(tǒng)片巖、變質(zhì)砂巖、大理巖、片巖夾大理巖、華力西期閃長巖,節(jié)理發(fā)育,地層巖性變化較大,隧址有F4斷層經(jīng)過,在斷層帶與大理巖巖性接觸帶區(qū)域是圍巖節(jié)理裂隙密集帶,為地下水的運移提供了通道。該區(qū)域可能存在巖體坍塌掉塊、突涌水、巖溶等不良地質(zhì)災(zāi)害。

對該隧道出口處進(jìn)行預(yù)報。根據(jù)地質(zhì)資料、地質(zhì)調(diào)查及設(shè)計資料發(fā)現(xiàn),該區(qū)段地質(zhì)構(gòu)造為閃長巖與大理巖夾片巖的不整合接觸帶,巖體破碎,富水,以裂隙水及碳酸巖巖溶水為主。由隧道設(shè)計縱斷面圖(見圖1)發(fā)現(xiàn),該段落埋深100 m左右且山體上有較大地表徑流溝谷存在,巖性接觸帶的分界線穿過溝底,設(shè)計圍巖等級為Ⅴ級,初步分析該段落可能出現(xiàn)坍塌、突涌水及巖溶現(xiàn)象,需密切觀察水質(zhì)及水量變化,提前做好施工安排,預(yù)防不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

圖1 隧道縱斷面Fig.1 Tunnel profile

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 TGP超前預(yù)報數(shù)據(jù)采集

根據(jù)已開挖的隧道地質(zhì)情況,對炮孔及接收孔進(jìn)行選址。炮孔及接收孔盡量選擇在巖體相對完整、沒有洞室開挖的一側(cè)壁進(jìn)行布設(shè),布設(shè)要求第一個炮孔距離隧道掌子面3～5 m,背向掌子面方向間隔1.5～2.0 m垂直隧道軸向依次布設(shè)24個炮孔,炮孔盡量布設(shè)在同一標(biāo)高上,孔深2.0 m略向下傾斜,確?？梢杂盟畞矸饪灼鸬今詈献饔?。接收器孔布設(shè)在距離最后一個炮孔20～30 m處,在兩側(cè)壁的同一里程斷面垂直隧道軸向分別布設(shè)1個,孔深2.0 m略向上傾斜并與炮孔布設(shè)在同一標(biāo)高上,接收孔內(nèi)需清理干凈,避免接收探頭難以放入,影響耦合效果。檢查炮孔及接收孔符合要求后,在每個炮孔內(nèi)放入事先準(zhǔn)備好的炸藥(一支瞬發(fā)電雷管+100 g左右的乳化炸藥),用水封孔,完成儀器的安裝及調(diào)試,通知準(zhǔn)備依次進(jìn)行微震爆破,采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)(GPR)超前預(yù)報數(shù)據(jù)采集

采用地質(zhì)雷達(dá)探測時,根據(jù)現(xiàn)場開挖工藝進(jìn)行測線布設(shè)。掌子面一般布設(shè)兩條測線,若現(xiàn)場需要可布設(shè)成“井”字型或網(wǎng)格形式。測線布設(shè)完成后,通過現(xiàn)場試驗測試,選取合適的天線工作參數(shù),條件允許時探測宜采用連續(xù)測量方式,測線布設(shè)要盡量長,以獲取更多數(shù)據(jù)。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時,工作場所環(huán)境較復(fù)雜,干擾較多,要時刻注意數(shù)據(jù)采集質(zhì)量是否滿足要求,確保采集數(shù)據(jù)的真實有效,便于后期數(shù)據(jù)分析處理[3]。

2 預(yù)報數(shù)據(jù)處理與成果解譯

2.1 TGP預(yù)報數(shù)據(jù)處理與成果解譯

按照軟件處理流程對隧道出口處的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,數(shù)據(jù)分析后得到的圖形有地震波三分量原始記錄(見圖2)、TGP綜合地質(zhì)預(yù)報成果(見圖3)、巖體比速度參數(shù)成果(見圖4)、三維縱波繞射橫斷面掃描(見圖5)。

圖2 地震波三分量原始記錄Fig.2 Original three-component record of seismic waves

圖3 TGP綜合地質(zhì)預(yù)報成果Fig.3 Results of TGP comprehensive geological forecast

圖4 巖體比速度參數(shù)成果Fig.4 Results of rock mass specific velocity parameters

圖5 三維縱波繞射橫斷面掃描Fig.5 Three-dimensional longitudinal wave diffraction cross section scanning

以預(yù)報段落的地質(zhì)資料為依據(jù),根據(jù)TGP數(shù)據(jù)解譯原則對圖2～圖5進(jìn)行解譯分析?？蓪㈩A(yù)報里程段隧道圍巖劃分為以下3個地質(zhì)單元:A段,長度26 m;B段,長度30 m;C段,長度44 m。

對各地質(zhì)單元的詳細(xì)推斷與建議如下:

1)A段,長度26 m。開挖揭示掌子面圍巖巖性為閃長巖,預(yù)報段估算巖體速度與炮孔實測段巖體速度相當(dāng),反映預(yù)報段圍巖巖體性質(zhì)與炮孔段巖體性質(zhì)基本一致,節(jié)理裂隙較發(fā)育,圍巖較破碎,局部有掉塊現(xiàn)象。建議按照現(xiàn)有施工參數(shù)進(jìn)行施工,圍巖等級為Ⅳ級。

2)B段,長度30 m。由地質(zhì)資料得知,該段巖性為大理巖夾片巖,結(jié)合預(yù)報成果可以得出以下結(jié)論:綜合地質(zhì)預(yù)報成果在該區(qū)段縱波橫波速均明顯減小,尤其在20 m處時縱橫波速迅速降低,存在比較粗的藍(lán)色負(fù)反射條帶,反射界在此處比較集中。三維橫斷面掃描顯示從起點處,縱波繞射橫斷面切片藍(lán)色負(fù)反射條帶呈不完整圓圈出現(xiàn),沿著隧道軸向,藍(lán)色負(fù)反射條帶向隧道洞身靠近,在24 m處的斷面切片隧道洞身附近都變成藍(lán)色,推斷在該處隧道節(jié)理裂隙發(fā)育,圍巖破碎,圍巖穩(wěn)定性差,可能有裂隙水發(fā)育。施工中謹(jǐn)防拱頂坍塌及突涌水現(xiàn)象發(fā)生,提前做好排水及加強支護。建議圍巖等級為Ⅴ級。

3)C段,長度44 m。由估算巖體速度曲線可以看出,波速估計值較前段減小,但縱橫波速恒定不變,推測該段圍巖由于巖性發(fā)生變化,波速較測量段降低,反射面減少,圍巖均一,節(jié)理裂隙較發(fā)育,圍巖較破碎,由于還處于巖性接觸帶影響范圍內(nèi),建議圍巖等級為Ⅳ級。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)(GPR)預(yù)報數(shù)據(jù)處理與成果解譯

由于地質(zhì)雷達(dá)采集現(xiàn)場一般環(huán)境比較復(fù)雜,采集到的地質(zhì)雷達(dá)信號存在較多的干擾信號,也存在采集時天線移動難以保證勻速、記錄標(biāo)記不均勻等現(xiàn)象,為了消除記錄不均勻現(xiàn)象及干擾信號對圖像解譯的影響,采用RADAN軟件,通過標(biāo)記的歸一化、確定地面反射波信號位置、信號振幅自動增益調(diào)整、水平與垂直濾波、背景消除、反褶積等處理手段消除干擾,突出有用信號,輸出雷達(dá)實時波形剖面。

預(yù)報采用美國GSSI公司的SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá),沿掌子面自左向右連續(xù)測量,在掌子面平整度較差時采取加密點測的方式,通過軟件處理得到隧道出口處的地質(zhì)雷達(dá)探測反射波形(見圖6)及單點反射波形(見圖7)。

圖6 隧道出口地質(zhì)雷達(dá)探測反射波形Fig.6 Geological radar detection of reflection waveform of the tunnel exit

圖7 隧道出口地質(zhì)雷達(dá)單點反射波形Fig.7 GRADar single point reflection waveform of the tunnel exit

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測得到的反射波形,結(jié)合預(yù)報段落地質(zhì)資料及TSP超前地質(zhì)預(yù)報報告,本次探測成果解譯為:掌子面雷達(dá)反射波形前方3 m范圍內(nèi)出現(xiàn)強振幅波形,代表雷達(dá)波直達(dá)波及掌子面前方3 m范圍爆破造成的振動松弛區(qū),掌子面前方8～20 m,雷達(dá)波波幅及相位變化較大,電磁波頻率高,同向軸錯斷,波形不光滑,毛刺較多,衰減較快,說明圍巖處于接觸帶分界線位置,圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,圍巖破碎,裂隙水發(fā)育,圍巖穩(wěn)定性差,容易出現(xiàn)坍塌、突涌水現(xiàn)象。在施工中應(yīng)注意防止坍塌、涌水情況的發(fā)生。建議圍巖級別按照V級加強進(jìn)行支護、超前支護與二襯緊跟的方式施工,避免發(fā)生事故。在掌子面前方20～25 m,由于電磁波能量的衰減較多,后面波形參考意義不大。

3 超前預(yù)報成果的驗證對比

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報成果,在隧道掌子面開挖時,采用超前水平鉆探對預(yù)報里程段的不良地質(zhì)體進(jìn)行探測,在鉆機向前鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)速度不均勻,有混濁的裂隙水順鉆孔流出,當(dāng)鉆進(jìn)到31 m附近時,水量變大,退出鉆機,有一定壓力的裂隙水從鉆孔噴出,通過排水泄壓后采取短掘進(jìn)、弱爆破開挖,當(dāng)掌子面開挖到32 m時,掌子面巖體節(jié)理發(fā)育,圍巖破碎,穩(wěn)定性差,不斷有巖塊掉落,有較大裂隙水流出(見圖8)。

圖8 隧道出口掌子面裂隙水發(fā)育Fig.8 Water development of tunnel outlet metacarpal surface fissure

通過TGP與GPR物探技術(shù)相結(jié)合的方法,掌子面前方100 m范圍圍巖地質(zhì)情況預(yù)報結(jié)果與實際開挖基本吻合。

4 結(jié)束語

在隧道出口地質(zhì)超前預(yù)報工作中,以預(yù)報段地質(zhì)資料為依據(jù),通過TSP與GPR長短距離相結(jié)合的預(yù)報方法,對隧道掌子面前方圍巖工程地質(zhì)情況有了比較準(zhǔn)確的掌握,對后續(xù)隧道施工參數(shù)與工藝的選取有一定的指導(dǎo)意義, 有效控制了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。任何一種預(yù)報方法都不可能做到準(zhǔn)確無誤,需不斷學(xué)習(xí)、不斷積累、不斷探索,以實現(xiàn)高精度、高水平的超前地質(zhì)預(yù)報。