郭孟宅

隧道施工地質超前預報,就是利用一定的技術和手段收集隧道所在巖體的有關資料,并運用相應的理論和規(guī)律對這些資料進行分析、研究,從而對施工掌子面前方巖體情況或成災可能性做出預報。我國目前正在進行大規(guī)模的基礎設施建設中,包括有大量的鐵路、公路、引水等隧道(隧洞)建設,其中有不少隧道處在復雜巖性、構造、高地應力地區(qū)。在我國隧道施工中由于對施工前方地質條件的不了解造成的隧道坍塌、突水等事故時有發(fā)生。因此普遍在隧道施工中采用地質超前預報技術,特別是采用國際先進的(Amberg)技術公司TSP(Tunnel Seismic Prediction)波方法的地質超前預報技術對提高我國隧道建設的水平有很大的幫助。

1 TSP方法簡介

1.1 原理、方法

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在設計的震源點(通常在隧道的兩邊墻,大約24個炮點)用小量炸藥激發(fā)產生。當?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,一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的地震傳感器接收。數(shù)據(jù)通過TSPwin軟件處理,便可了解隧道工作面前方地質體的性質(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)、位置及規(guī)模。

1.2 TSP探測系統(tǒng)

1.2.1 TSP探測系統(tǒng)分數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

TSP采集系統(tǒng)由記錄儀、接收儀和起爆裝置等組成(見圖1)。通常要求采用兩個接收儀和24個爆破孔組成,接收儀孔和爆破孔分別布置在掌子面附近兩面的邊墻上。接收儀是用來接收地震信號的儀器,安裝在一個被水泥或兩節(jié)環(huán)氧樹脂夾固定在巖層上的管套里面。起爆裝置是由一個常規(guī)的帶有發(fā)射回路的外部觸發(fā)盒的爆破器組成。

1.2.2 TSP處理系統(tǒng)

1)提取反射波。TSP記錄的各種波當中,只有那些從掌子面前方和隧道旁邊反射過來的攜帶了巖石性質的波才有用。這些有用的反射波可以通過濾波器從其他波里分離出來。2)分離P波和S波。把X,Y和Z方向上的記錄轉換成P波、SH波和SV波。P波為壓縮波(縱波),S波為剪切波(橫波),其中SV波表示質點在垂直面內運動的橫波,SH波表示質點在水平面內運動的橫波。3)接收數(shù)據(jù)分析。TSP采集到的數(shù)據(jù),通過 TSPwin軟件處理,獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面和反射層提取以及巖石物性參數(shù)等成果。在提取的波形圖中,以P波為主對巖層進行劃分,結合橫波資料對地質現(xiàn)象遵循以下準則進行解釋:a.正反射振幅表明硬巖層,負反射振幅表明軟巖層;b.若S波反射較P波強,則表明巖層飽含水;c.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;d.若VP下降,則表明裂隙或孔隙度增加。

1.3 TSP的優(yōu)點

1)適用范圍廣。2)預報距離長。3)對隧道施工干擾小。4)探測時間短。5)提交資料及時。6)描繪出掌子面前方與隧道軸線相交的同相軸及邊界位面的2D,3D成果圖。

2 超前地質預報工作的開展

2.1 收集并熟悉資料

柞水隧道位于陜西省南部秦嶺山區(qū),穿越段地質條件復雜,受地質構造影響嚴重,不良地質現(xiàn)象比較集中。隧道穿過秦嶺褶皺帶,巖性普遍變質,斷層節(jié)理、片理發(fā)育。軟質巖揉皺十分普遍,一般表現(xiàn)為巖層錯位、產狀變化、地層缺失、巖體破碎、地貌特征及不良地質發(fā)育等,都與斷層關系密切。

2.2 地質超前預報工作的實施

根據(jù)設計地質資料,本次自檢波器位置至預報區(qū)(RK67+070～RK67+274)區(qū)段內貫穿Ⅴ級圍巖、Ⅳ級深埋、Ⅲ級圍巖和Ⅱ級圍巖。目前,已經開挖段實際情況是:在RK67+070～RK67+135區(qū)段地層巖性Ⅴ級圍巖為強風化變粒巖,灰綠色～深灰色,片理、節(jié)理、裂隙發(fā)育,較雜亂,微張或張開,巖體破碎,呈角礫～碎石狀松散結構。圍巖穩(wěn)定性差,有滴水及滲流現(xiàn)象。目前掌子面RK67+135處圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,巖性為變粒巖。

2.2.1 觀測系統(tǒng)設計

接收器位置在RK67+070,掌子面位置為 RK67+135,設計24個炮點,2個接收器同時接收。觀測系統(tǒng)設計見表1,圖2。

2.2.2 儀器采集參數(shù)

數(shù)據(jù)采集時,采用X—Y—Z三分量同時接收,采樣間距62.5 μ s,記錄長度451.125 ms(7 218采樣數(shù))。激發(fā)地震波時,采樣無爆破延遲時的瞬發(fā)電雷管,防水乳化炸藥,裝藥量為75 g～100 g左右。實際激發(fā)22炮,記錄地震數(shù)據(jù)20炮。

表1 觀測系統(tǒng)設計

2.2.3 資料分析

1)資料處理流程。處理流程為:原始數(shù)據(jù)→軟件計算→得到時間→深度剖面→提取參數(shù)→地質解釋。2)誤差分析。隧道超前預報時,地震波速離散性大,軟件處理時取波速平均值;當兩個反射面間距不超過1 m,合并為一個界面,因此,薄層的軟、硬巖石互層軟件可能會合并成均質巖石考慮;理論預報誤差為預報范圍的5%。本次檢測由于部分炮孔堵塞不好,對采集數(shù)據(jù)有一定影響,本次設計為雙檢波器,由于現(xiàn)場檢波器損壞,采用單檢波器。3)預報成果。此次TSP203地質超前預報在柞水隧道右線進行。在對原始數(shù)據(jù)的軟件處理中,20炮數(shù)據(jù)參與分析,其余2炮沒有參與數(shù)據(jù)分析。通過對二維結果圖分析,主要存在問題的區(qū)段見表2(以目前掌子面(RK67+135)巖石情況為參照物)。

2.2.4 預報結論及建議

1)RK67+135～RK67+145(10 m)范圍內巖性為強風化變粒巖,圍巖強度與掌子面基本一致,節(jié)理裂隙發(fā)育,建議加強初期支護。2)RK67+145～RK67+160(15 m)范圍內巖性分析為強風化變粒巖,巖石強度與掌子面基本一致,節(jié)理裂隙發(fā)育,局部滲水,建議加強初期支護和防、排水工作。3)RK67+160～RK67+177(17 m)范圍內巖性分析為強風化變粒巖,圍巖強度較掌子面降低,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎,局部滲水,建議加強初期支護和防、排水工作。4)RK67+177～RK67+190(13 m)范圍內巖性分析為強風化變粒巖,巖石強度與掌子面基本一致,節(jié)理裂隙發(fā)育、局部滲水,建議加強初期支護和防排水。5)RK67+190～RK67+210(20 m)范圍內巖性分析為強風化變粒巖,巖石強度與掌子面基本一致,節(jié)理裂隙發(fā)育、局部滲水,建議加強初期支護和防排水。6)RK67+210～RK67+223(13 m)范圍內巖性分析為強風化變粒巖,巖石強度較掌子面低一些,節(jié)理裂隙發(fā)育、局部滲水,建議加強初期支護和防排水。7)RK67+223～RK67+239(16 m)范圍內巖性分析為強風化變粒巖,巖石強度較掌子面降低,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎,局部滲水,建議加強初期支護和防排水工作。8)RK67+239～RK67+273(34 m)范圍內巖性分析為強風化變粒巖,巖石強度與掌子面基本一致,節(jié)理裂隙發(fā)育,局部滲水,建議加強初期支護和防排水工作。

根據(jù)二維視圖以及巖石力學參數(shù)分析,隧道內掌子面前方RK67+160～RK67+177段局部地段巖體較破碎,有滲水的可能,RK67+223～RK67+239段巖石較破碎,應高度重視,加強初期支護工作,防止塌方。

表2 存在問題的區(qū)段及結果

3 結語

在施工過程中采用了超前地質預報系統(tǒng),有效地保證了施工安全,提高了施工速度,在很大程度上消除了施工的盲目性,確保了施工的安全快速進行,所以在高速公路施工中采用地質超前預報是十分必要的。另外,由于地質雷達探測結果受到各種因素的影響,所以在分析處理數(shù)據(jù)時應根據(jù)工程的實際情況合理地選取地質雷達測量參數(shù),并結合掌子面的實際情況合理地對隧道施工前方進行有效的地質條件預測。

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