魏龍剛

1 工程概況

襄渝線安康—梁家壩段增建第二線工程新紅衛(wèi)隧道位于四川省萬源市境內(nèi),起訖里程YDK467+560～YDK469+515,全長1 955 m。

隧道位于大巴山南部萬源褶皺帶,斷裂較為發(fā)育,既有區(qū)域性的大斷裂,又有局部性質(zhì)的小斷裂,其中同興逆斷層和紅衛(wèi)正斷層兩斷層均對隧道施工影響較大。

隧道正常涌水量為3 202.81 m3/d,最大涌水量為4 804.21 m3/d,地下水較豐富。隧道內(nèi)不良地質(zhì)為巖溶、危巖落石、采空區(qū)及人工棄土,特殊地質(zhì)為煤層瓦斯。其中YDK467+560～YDK467+750,YDK468+180～YDK468+850段穿越煤系地層及采空區(qū)段,施工難度較大。

為確保施工安全,施工中采取了多種超前地質(zhì)預(yù)報手段進(jìn)行綜合物探,以了解掘進(jìn)前方的地質(zhì)條件,為隧道施工和支護(hù)參數(shù)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù),如 TSP、紅外探水、φ 108超前探孔、φ 50瓦斯探測孔等。

綜合超前預(yù)報的使用有效的控制了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,降低了施工風(fēng)險和成本,同時也有效的提高了掘進(jìn)速度。本文著重講述TSP超前地質(zhì)預(yù)報在隧道施工中的應(yīng)用。

2 TSP探測的原理、設(shè)備及方法

2.1 TSP探測的原理

TSP屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在設(shè)計的震源點,通常在隧道的左或右邊墻,大約24個炮點用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性變化等)時,一部分地震信號反射回來,一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。數(shù)據(jù)通過TSPwin軟件處理,便可了解隧道工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)和位置及規(guī)模。

2.2 TSP探測的使用設(shè)備

采用TSP 200plus超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)(見圖1)。系統(tǒng)主要組成如下:

1)記錄單元:12道,24 位A/D 轉(zhuǎn)換,采樣間隔 62.5 μ s和 125 μ s,最大記錄長度為1 808.5 ms,動態(tài)范圍 120 dB。

2)接收器(檢波器):三分量加速度地震檢波器,靈敏度為1 000 mV/g±5%,頻率范圍為 0.5 Hz～5 000 Hz,共振頻率9 000 Hz,橫向靈敏度大于1%,操作溫度0℃～65℃。

3)觸發(fā)器:觸發(fā)電流約10 A,觸發(fā)精度約10μ s。

4)TSPwin軟件:數(shù)據(jù)采集和處理集于一體。

2.3 TSP探測的探測方法

1)測線布置。

接收器孔:分布在左右邊墻,與炮孔在同一水平線上,距洞口方向的第一個炮孔15 m～20 m,其孔深2.0 m,孔徑42 mm～45 mm,傾角 5°～10°(向上傾斜)。

炮孔:在左邊墻或右邊墻距地面約1.0 m高的水平線上,按間距1.5 m,孔深1.5 m～1.8 m,孔徑35 mm～38 mm,沿軸徑向下傾斜10°～20°的標(biāo)準(zhǔn)鉆24個炮孔(向下傾斜),左后第一個炮孔距掌子面距離根據(jù)現(xiàn)場情況而定,一般情況下應(yīng)盡可能接近掌子面。

2)探測流程。

第一步:根據(jù)布置的測線進(jìn)行鉆孔。鉆孔完成后在試驗前,應(yīng)逐個檢查孔位的成孔情況,對于不合格的孔位要及時補鉆。

第二步:安裝接收器套管。套管在安裝前應(yīng)檢查接收孔是否塌孔,套管能否順利插入孔底,然后將錨固劑放入孔內(nèi),使其牢固的安裝于孔內(nèi),并且使套管內(nèi)兩槽口的連線垂直于隧道軸線。

第三步:安裝炸藥及雷管。裝藥前應(yīng)提前測量出每個炮孔的孔深、傾角、傾向,相對于參考點的位置、高度。緊接著確定每孔的裝藥量,裝藥量通過現(xiàn)場測試的方法來確定。確定藥量后,將電雷管插入炸藥中,然后將炸藥連同電雷管用炮桿送入每個炮孔,直到炮孔底部。

第四步:連線、激發(fā)。激發(fā)前將炮孔內(nèi)灌滿水,所有人撤退到安全距離且周圍沒有太大的噪聲后方可起爆器充電,待充電結(jié)束、記錄單元進(jìn)入記錄數(shù)據(jù)后,起爆電雷管,電雷管引爆炸藥,系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段。

第五步:進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。將地震波采集的數(shù)據(jù)及提前測量的炮孔參數(shù)輸入到TSPwin軟件中進(jìn)行處理。處理結(jié)果可以用與隧道軸的交角及隧道工作面的距離來確定反射層所對應(yīng)的地質(zhì)界面的空間位置,并根據(jù)反射波的組合特征及其動力學(xué)特征解釋地質(zhì)體的性質(zhì)。

第六步:數(shù)據(jù)分析。分析可以根據(jù)以下原則進(jìn)行:a.反射振幅越高,反射系數(shù)和波阻抗的差別越大。b.正反射振幅表明正的反射系數(shù),也就是剛性巖層;負(fù)反射振幅指向軟弱巖層。c.若S波反射比P波強,則表明巖層飽含水。d.Vp/Vs較大的增加或泊松比δ突然增大,常常因流體的存在而引起。e.若 Vp下降,則表明裂隙密度或孔隙度增加。

表1 探測結(jié)果推斷

3 實例分析

2008年11月17日對新紅衛(wèi)隧道采空區(qū)段進(jìn)行了TSP超前預(yù)報,11月19日提交了預(yù)報報告。該次接收器位置在YDK468+574,掌子面位置為YDK468+515,設(shè)計為24炮,2個接收器接收。通過試驗,確定采用藥量為100 g～200 g乳化炸藥。數(shù)據(jù)采集時采用 X—Y—Z三分量接收,采樣間隔 62.5 μ s,記錄長度451.125 ms(7 218采樣數(shù))。通過次探測2D成果圖及分析圍巖巖體物理力學(xué)參數(shù),初步結(jié)果見表1。

此次探測段為YDK468+515～YDK468+369,圍巖為泥質(zhì)灰?guī)r夾巖溶角礫巖,地下水較發(fā)育。其中 YDK468+467,YDK468+452,YDK468+444,YDK468+441附近可能發(fā)育線狀、股狀出水。

圍巖級別推斷:YDK468+515～YDK468+473段為Ⅳ級,YDK468+473～YDK468+452段為Ⅳ級,需加強支護(hù),YDK468+453～YDK468+422段為Ⅲ級,YDK468+422～YDK468+369段為Ⅳ級。

施工方案建議:對可能出水段宜做好防排水工作,建議工區(qū)開挖過程中加強5 m長釬探測,并對圍巖軟弱段及較破碎段加強支護(hù),防止開挖過程中塌方、冒頂。

[1] 任占彪.超前地質(zhì)預(yù)報與監(jiān)控量測在隧道中的應(yīng)用[J].山西建筑,2008,34(26):321-322.