陶忠平,王建林,米 健,吳正昆,李德春

(云南省水利水電勘測設計研究院,云南昆明 650021)

TRT6000隧道超前地質預報系統(tǒng)在牛欄江—滇池補水工程中的應用

陶忠平,王建林,米 健,吳正昆,李德春

(云南省水利水電勘測設計研究院,云南昆明 650021)

TRT6000隧道超前地質預報技術是采用空間觀測方式和偏移成像方法,與TSP、TGP負視速度法、水平剖面法等比較,技術比較先進,能夠較好的分析判定掌子面前方隧道圍巖速度結構特性,實現(xiàn)了隧道圍巖地質結構的精確成像,是目前比較適合地下復雜地質條件下的超前地質預報技術。要想在實際超前地質預報工作中取得好的預報效果,應采用多種方法,地質分析與工程物探相結合等,對不良地質構造、富水帶等有效的實現(xiàn)超前預報。

隧道超前地質預報;速度掃描;偏移成像;不良地質構造

1 概述

在隧道施工過程中,由于前方地質情況不明,經(jīng)常會因遇到斷層、破碎帶、暗河等不良地質體而導致隧道塌方、泥石流、涌水、突泥、冒頂?shù)鹊刭|災害發(fā)生。這些災害的發(fā)生,往往會影響施工進度,造成人員傷亡,進而造成嚴重的經(jīng)濟損失。在實際的隧道工程實施過程中,需要對前方不良地質災害進行準確的超前預報,以便及時地修正開挖和支護設計方案,避免施工事故發(fā)生。

所謂超前地質預報,就是在隧道開挖時對掌子面前方的圍巖與地質情況作出超前預報并提出處理、防范措施。隧道超前地質預報包括如下內(nèi)容:

(1)不良地質及災害地質 預報掌子面前方15～100 m范圍內(nèi)有無突水、突泥、坍塌等災害地質,并查明其范圍、規(guī)模、性質,提出施工措施意見;

(2)水文地質預報 預報掌子面前方15～100 m范圍內(nèi)隧道涌水量大小及其變化規(guī)律,并評價其對環(huán)境地質、水文地質的影響;

(3)斷層及其破碎帶的預報 主要預報掌子面前方15～100 m范圍內(nèi)斷層的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀,是否為充水斷層,并判斷其穩(wěn)定性程度,提出施工對策;

(4)圍巖類別及其穩(wěn)定性的預報 預報掌子面前方15～100 m范圍內(nèi)圍巖類別與設計是否吻合,并判斷其穩(wěn)定性,如遇到隧道圍巖類別與設計有差異時,可及時修正開挖和支護設計方案。

2 超前預報技術現(xiàn)狀

(1)直接預報法 (超前水平鉆孔或超前導洞),該類方法占用施工作業(yè)時間長,費用高;

(2)地質分析法 (斷層參數(shù)猜測法和地質體投射法),該方法的準確可靠性取決于技術人員個體能力;

(3)短距離物探法 主要有紅外探水法、地質雷達探測法,通常效果較差、預報長度較短(20～30 m),占用施工作業(yè)時間較長;

(4)長距離物探法 目前國外最新預報系統(tǒng)主要有TSP203+(瑞士)、TRT6000(美國);中國最新系統(tǒng)有TGP206(北京物探研究所)、TST(北京同度)。①TSP超前地質預報探測系統(tǒng)。TSP(Tunnel Seismic Prediction),是中國20世紀90年代從瑞士安伯格測量技術公司引進的一套先進的超前地質預報探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了回聲測量原理:地震波在指定的震源點(通常在隧道的左邊墻或右邊墻,大約24個炮點布成一條直線)用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生,產(chǎn)生的地震波在巖石中以球面波的形式向前傳播,當?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性接口(即波阻抗接口,例如斷層、巖石破碎帶、巖性突變等)時,一部分地震信號反射回來,一部分地震信號透射進人前方介質,反射的地震信號被兩個三維高靈敏度的地震檢波器(一般左、右邊墻各一個)接收。通過對接收信號的運動學和動力學特征進行分析,便可推斷斷層、巖石破碎等不良地質體的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀及巖石力學參數(shù);②TST超前地質預報探測系統(tǒng)。TST(Tunnel Seis mic Tomography)超前預報系統(tǒng)由北京同度工程物探技術有限公司于近幾年研制生產(chǎn),是通過可視化地震反射成像技術預告隧洞掌子面前方150 m范圍內(nèi)的地質情況,可準確預告斷裂帶、破碎帶、巖溶發(fā)育帶以及巖體工程類別變化等地質對象的位置、規(guī)模和性質。與TRT技術有相似,該方法檢波器布置于隧洞內(nèi)掌子面、兩側、上頂和下底面,埋入巖體1～1.5 m,采用爆炸或錘擊激發(fā)地震波。在重慶(玉峰山隧道)、云南(明珠隧洞)等地公路隧道有成功應用。

表1 隧道(洞)施工超前地質預報主要技術方法歸納表Table 1 Summary of the main technicalmethods of TSP

圖1 TSP超前預報系統(tǒng)鉆孔布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of layout of drill hole in TSP system

圖2 TSP超前預報成果范例Fig.2 Results of TSP

圖3 TST觀測布置與采集技術Fig.3 Observation arrangement and acquisition technology of TST

圖4 TST在重慶玉峰山隧道的圍巖偏移圖像Fig.4 Migration imaging of the surrounding rock in Yufeng tunnel Chongqing City by TST

3 TRT超前地質預報系統(tǒng)

TRT技術的全稱是“真正的反射層析成像”(True Reflection Tomography),是由美國NSA工程公司近年來提出的一種新方法。中國于2006年引進TRT6000超前地質預報系統(tǒng)。

該方法在觀測方式和數(shù)據(jù)處理上與TSP法及負視速度法均有很大的不同,該方法采用的是空間多點激發(fā)和接收觀測方式,其檢波器和激發(fā)的炮點呈空間分布,以便獲得足夠的空間波場信息,從而使前方地質缺陷的定位精度大大提高。TRT法不僅在接口定位、巖體波速及其類別劃分等方面具較高的精度,而且有較大的探測距離[1]。它的數(shù)據(jù)處理關鍵技術是速度掃描和偏移成像,不需要走時,因此,對巖體中反射界面位置的確定、巖體波速和工程類別的劃分都有較高的精度,具有較大的探測距離,并且可以獲得3D成果圖像,較TSP法有較大的改進。

首先，從“多元互動”這四個字中我們可得知，這種互動就不只是我們常掛在嘴邊的師生互動了。因為師生互動只有兩個主體，即教師和學生；而“多元互動”呢，則是涉及教師、學生和家長這三個主體，否則就不能稱之為“多元”化的互動了。這個解釋雖然通俗、簡單，但是，其所富有的說理性卻十分強烈。另外，根據(jù)“多元互動”中教師、學生和家長這三個主體，我們可以將教師擬合成學校教育，將家長擬合成家庭教育或者是校外教育，而學生則是鏈接學校教育和校外教育的中介。換句話說，也就是“多元互動”將課堂從學校拓展到了家庭或者校外。

3.1 TRT6000超前地質預報系統(tǒng)使用方法

TRT6000系統(tǒng)的具體使用過程可分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分。

數(shù)據(jù)采集過程在需要進行超前地質預報的隧洞施工現(xiàn)場完成。首先在隧洞中掌子面附近選擇合適的洞段作為檢測區(qū)域,并進行觀測布置和儀器安裝,TRT6000系統(tǒng)典型的觀測布置方法如圖5所示;儀器安裝完成后,進行地震波數(shù)據(jù)的采集,地震波信號的傳遞過程如圖6所示,由地震源產(chǎn)生的沿隧道傳播的信號在巖體性質發(fā)生改變的地方反射,這些反射信號被遠程模塊接收,再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,可以構建描述隧道工作面前方及高于或低于隧道走向的不同地質狀況(如異常巖體、巖性和喀斯特特征等)的三維層析掃描圖。在數(shù)據(jù)采集的同時,還應在現(xiàn)場準確獲得各個震源點和數(shù)據(jù)接收點的坐標,這樣才可能對掌子面前方的地質異常體進行準確的定位。

圖5 TRT6000觀測布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of observation arrangement of TRT6000

數(shù)據(jù)處理主要分為以下幾步:①下載地震波數(shù)據(jù)和震源、傳感器位置的坐標;②設定地層成像區(qū)域和最佳精度(節(jié)點數(shù)目的大小);③設定慮波器,選取每個記錄的直達波,并計算地震波的平均波速;④為所選區(qū)域構建地震波速度模型;⑤為數(shù)據(jù)處理設定過濾參數(shù);⑥重復步驟③、④、⑤處理數(shù)據(jù),直到處理結果達到平衡,噪音干擾衰減到足夠小;⑦設定成像背景(比例、顏色)來顯示結果;⑧審查和分析在巖層中探測到的異常體的平面(二維)和立體(三維)繪圖。

圖6 TRT6000無線連接超前預報系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of data trans mission of TRT6000

3.2 TRT6000超前地質預報系統(tǒng)在國際上的應用情況

目前TRT6000超前地質預報技術在美、歐、日本、新西蘭、奧地利、瑞士、澳大利亞等國家應用較多,在中國的隧道工程中也有一些應用,用戶評價較高。如瑞士公路隧道、美國加利福尼亞好萊塢的疏通隧道、美國懷俄明州的采礦隧道、日本Kamaishi(卡麥斯)附近高速公路雙硐隧道、中國武廣客運專線行將山2號隧道、新疆吐魯番—庫爾勒二線鐵路隧道、滬蓉高速烏池壩隧道等,較典型的為奧地利通過阿爾卑斯山的鐵路雙線隧洞施工中進行了全程超前預報[2]。

3.3 工程實例

本院在牛欄江—滇池補水工程近80 km的輸水隧洞施工中采用TRT6000系統(tǒng)進行了超前地質預報。

3.3.1 金奎地隧洞6#支洞

(1)工程地質概況 金奎地隧洞6#施工支洞走向315°,隧洞埋深30～80 m,掌子面地層巖性為泥盆系上統(tǒng)宰格組(D3zg1)灰黃、灰白色夾肉紅色白云質灰?guī)r,局部夾頁巖,呈強風化狀態(tài)。巖層產(chǎn)狀130°∠35°。掌子面潮濕,有滲水、滴水現(xiàn)象。

隧洞位于化桃箐水庫西側,與水庫最近距離280 m。在隧洞的南側發(fā)育區(qū)域性斷裂魯沖—車烏逆沖斷裂(Ⅰ級結構面),斷層產(chǎn)狀300°∠65°,由于區(qū)域性斷裂的影響,上盤巖層均有扭曲現(xiàn)象,Ⅳ、Ⅴ級結構面發(fā)育。隧洞位于魯沖—車烏斷裂的上盤,距斷裂最近距離約200 m,斷裂對隧洞圍巖完整性影響較大,隧洞圍巖裂隙發(fā)育,巖體破碎,多呈碎裂結構,且有泥化現(xiàn)象。洞線多位于地下水位以下,隧洞涌水量大,圍巖不穩(wěn)定性,掌子面為Ⅳ類圍巖。

(2)預報結論 本院于2009年10月21日對該隧洞采用TRT6000超前地質預報系統(tǒng)進行了超前預報,隧洞層析掃描成像如圖7所示。

圖7 金奎地隧洞6#支洞層析掃描成像圖Fig.7 Imaging of tomographic scanning of branch tunnel 6#in Jinkuidi tunnel

從圖7可以看出,圖中30～43 m(K0+153.6～K0+166.6 m)段為巖體破碎帶,結合地表地質測繪情況,該洞段疑為褶曲構造核部,且富含地下水,圍巖穩(wěn)定性極差,開挖時極易坍塌,圍巖參考類別為Ⅴ類;圖中88～98 m(K0+211.6～K0+221.6 m)段隧洞右側為節(jié)理密集帶,巖體破碎,開挖時隧洞頂拱及右側邊墻易坍塌,圍巖參考類別為Ⅳ類。

(3)預報結論評價 該洞段于2009年12月開挖完成,并進行了臨時支護,開挖揭露出來的地質情況與超前預報結論基本吻合。全洞段隧洞涌水量大,K0+150.0～K0+170.0段進行了管棚支護,安全穿過了該破碎帶洞段,避免了重大安全事故的發(fā)生;在隧洞的K0+210.0～K0+225.0段,隧洞右側邊墻垮塌比較嚴重,經(jīng)過加強支護處理,隧洞處于基本穩(wěn)定狀態(tài),未見明顯的變形和拉裂現(xiàn)象。

3.3.2 大五山隧洞8#支洞

(1)工程地質概況 大五山隧洞8#支洞為斜支洞,隧洞走向310°,隧洞埋深80～150 m。掌子面巖性為∈1l灰色、深灰色白云巖,巖體呈強風化狀態(tài),巖層產(chǎn)狀20°∠23°。隧洞南西側1.5 km處為野鴨湖,湖水位高程略高于隧洞掌子面。

隧洞位于兩條區(qū)域性斷裂(F13、F14)交匯的三角地帶,由于受區(qū)域性斷裂的影響,Ⅳ、Ⅴ級結構面發(fā)育,隧洞圍巖裂隙極發(fā)育,巖體極破碎,呈散體結構,圍巖基本無自穩(wěn)能力,掌子面圍巖類別為Ⅴ類。

(2)預報結論 本院于2009年11月25日對該隧洞采用TRT6000超前地質預報系統(tǒng)進行了超前預報,隧洞層析掃描成像如圖8所示。

圖8 大五山隧洞8#支洞層析掃描成像圖Fig.8 I maging of tomographic scanning of branch tunnel 8#in Dawushan tunnel

從圖8可以看出,隧洞前方發(fā)育一條與隧洞軸線小角度相交的斷層,推測該斷層為壓性阻水斷層,富含地下水。產(chǎn)狀:30°～50°∠65°～75°,由于該斷層與隧洞小角度相交,對隧洞掌子面前方的圍巖穩(wěn)定影響較大。推測發(fā)生突水、流砂等地質災害,建議施工中超前排水,超前固結灌漿,保證施工安前。

(3)預報結論評價 從隧洞開挖情況來看,與預報結論基本吻合,全洞巖體結構基本一致。該隧洞開挖至圖中50 m位置處發(fā)生突水、流砂等地質災害,涌水量2 000 m3/d,預報準確。但突水、流砂等地質災害還是發(fā)生了,僥幸的是沒有人員傷亡,只是耽誤了工期,主要原因是施工與超前地質預報配合不默契。

4 結語

隧道施工中的地質超前預報是一個國際性的前沿課題,也是一個難題,各國都在不斷地開發(fā)研究之中。隧道內(nèi)的電磁方法超前預報,在觀測方法上和解釋方法上都有很多問題有待解決。因而,目前的隧道超前預報技術中仍以反射地震方法為主,因為地震方法具有探測深度大、分辨率高、圖像直觀、操作方便等優(yōu)點,其中TRT6000為目前操作最為簡便、探測深度大、分辨率高、層析圖像最清晰直觀的一種方法。

由于現(xiàn)場地質情況十分復雜,超前地質預報尚存在很多的理論和應用中的空白有待突破和填補。在超前地質預報過程中,儀器設備與使用人員的有機結合是提高預報精度的重要因素,即使用物探技術可以預測掌子面前方的巖體情況,為了正確預報隧洞前方可能出現(xiàn)的地質異常情況,仍需要認真調查、推斷、分析地質問題,如構造情況、巖性情況、巖溶發(fā)育規(guī)律、水的補給情況、斷層的結構、裂隙的連通及粘結咬合情況等。

[1] 趙永貴.國內(nèi)外隧道超前預報技術評述與推介[J].地球物理學進展,2007,22(4):1 345-1 346.

[2] 趙永貴,蔣輝,趙曉鵬.TSP203超前預報技術的缺陷與TST技術的應用[J].工程地球物理學報,2008,5(3):267-268.

(責任編輯:胡立智)

Application of TRT6000 Tunnel Seismic Prediction System in Niulanjiang-DianchiWater Supplement Project

TAO Zhongping,WANG Jianlin,MI jian,WU Zhengkun,LIDechun
(Yunnan Investigation,Design&Reserch Institute of WaterResources&Hydropower,Kunm ing,Yunnan650021)

TRT6000 Tunnel Seis mic Prediction(TSP)system adopted space observation and migration imaging,the technology of which is more advanced compared with TSP,negative watching velocity and horizontal profile method,velocity characteristic of the surrounding rock in front of the heading face can be decided by this method,accurately image of surrounding rock has been realized,it is suitable for Tunnel Seis mic Prediction with complicated geological conditions.Many methods should been used in order to obtained good effects of the TSP,such as the combination of geological analysis and engineering geophysics,which could make a effective prediction for harm geological structure and water enriched zone.

Tunnel Seismic Prediction;velocity scanning;migration imaging;har m geological structure

U452.1+1

A

1671-1211(2010)05-0522-05

2010-07-10;改回日期:2010-09-06

陶忠平(1950-),男,教授級高級工程師,地質專業(yè),從事水利水電工程地質勘察工作。E-mial:tzp1950@163.com