贠永峰，張存亮

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054)

隧道施工中，由于前方地質(zhì)情況不明，常常出現(xiàn)各種險(xiǎn)情，例如斷層，巖溶及涌水等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害。所以預(yù)知未來開挖地段的地質(zhì)情況對(duì)施工安全，施工組織設(shè)計(jì)顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)外隧道勘測(cè)部門、設(shè)計(jì)部門以及施工技術(shù)部門都做了很大的努力，希望尋找一種簡(jiǎn)單可行的方法來探明隧道掌子面前方的地質(zhì)情況。其中水平鉆孔預(yù)報(bào)法是通過巖芯試驗(yàn)獲得巖石強(qiáng)度的，是有效的地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，但是一次鉆探深度淺，價(jià)格高且影響正常的施工時(shí)間長(zhǎng)。而TSP超前預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)取得了較為理想的效果。本文簡(jiǎn)要介紹TSP超前預(yù)報(bào)技術(shù)在東塘溝隧道施工中的應(yīng)用。

1 基本原理

1.1 TSP測(cè)量原理

TSP測(cè)量系統(tǒng)是通過在掌子面后方一定距離內(nèi)的鉆孔中施行微型爆破來發(fā)射信號(hào)的，爆破產(chǎn)生的地震波在圍巖中以球面波的形式向四周傳播，其中一部分波向隧道前方傳播，經(jīng)隧道前方的界面發(fā)射回來，反射信號(hào)經(jīng)接受傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并放大，從起爆到反射信號(hào)被接受的這段時(shí)間是與反射面的距離成比例的。通過反射時(shí)間與地震波傳播速度的換算就可將反射面的位置，與隧道軸線的夾角，及與隧道掘進(jìn)面的位置確定下來，同時(shí)還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置方便地探測(cè)出來(圖1為 TSP203的探測(cè)原理)。

圖1 TSP203探測(cè)原理

1.2 TSP測(cè)量方法的理論基礎(chǔ)

在確定了反射波波速的情況下，再根據(jù)探測(cè)數(shù)據(jù)確定反射波的旅行時(shí)間，就能確定反射波的空間位置和距離。

由微型爆破引發(fā)的微型信號(hào)分別沿不同的路徑以直達(dá)波和反射波的形式到達(dá)傳感器，與直達(dá)波相比反射波傳播需要的時(shí)間較長(zhǎng)。TSP地震數(shù)據(jù)處理的第一步由測(cè)得的從震源直接到達(dá)傳感器的縱波傳播時(shí)間換算地震波的傳播速度VP

式中，X1為炮孔與傳感器的距離(m);T1為直達(dá)縱波的傳播時(shí)間(s)。

要想確定反射界面的位置，就必須要知道地震波的傳播速度Vp和反射波的傳播時(shí)間T2，即

當(dāng)反射界面與隧道軸線的夾角很大(接近90°)時(shí)，可以近似寫作

式中，X2為爆破孔與反射界面的距離;X3為傳感器與反射界面的距離;T2為反射波的傳播時(shí)間;VP為地震波的傳播速度。

1)地震波傳播速度Vp的確定

由于微型爆破引發(fā)的地震信號(hào)分別沿不同的路徑以直達(dá)波和反射波的形式到達(dá)傳感器，而與反射波相比直達(dá)波需要的傳播時(shí)間明顯偏小，因此很容易根據(jù)直達(dá)波換算出地震波的傳播速度Vp(見式(1))。

地震波的傳播速度因地質(zhì)條件不同而異，因此在采用直達(dá)波的傳播速度來代替反射波的傳播速度只是一種近似。

2)反射波傳播時(shí)間T2的確定

確定反射界面位置的關(guān)鍵，是在準(zhǔn)確判定反射界面的基礎(chǔ)上給出反射波的傳播時(shí)間，而準(zhǔn)確判定反射界面的前提是通過某種方式將反射波從含有直達(dá)波和其他的干擾信號(hào)的總體混合信號(hào)中清楚地分離出來。與直達(dá)波相比，反射波的振幅非常小，它一方面取決于反射界面與傳感器的距離，其球面波振幅隨傳播距離的增加而呈反比衰減，另一方面取決于地震波在反射面上的反射系數(shù)。即

式中，Ar為反射波振幅;Ad為直達(dá)波振幅;R為反射系數(shù);ρ1，ρ2為反射界面內(nèi)外側(cè)的巖體密度;VP1，VP2為反射界面內(nèi)外側(cè)的地震波傳播速度。

通過分析地震波發(fā)射信息能夠?qū)λ淼勒谱用媲胺絿鷰r工程地質(zhì)情況的性質(zhì)、位置和規(guī)模進(jìn)行比較準(zhǔn)確的探測(cè)和預(yù)報(bào)。

1.3 巖體物理力學(xué)參數(shù)的估計(jì)

巖體中彈性波速度的大小綜合反映了巖體的物理力學(xué)性質(zhì)。均質(zhì)彈性介質(zhì)中，彈性波波速與彈性模量及泊松比的關(guān)系為

式中，Ed為動(dòng)彈性模量;μd為動(dòng)泊松比;ρ為巖體密度，vp為巖體縱波波速，vs為巖體橫波波速。

2 TSP超前預(yù)報(bào)在東塘溝隧道中的應(yīng)用

2.1 概況

2.1.1 工程概況

桓仁至永陵高速公路建設(shè)項(xiàng)目是遼寧省規(guī)劃實(shí)施的高速公路項(xiàng)目之一，起點(diǎn)連接桓仁新開嶺至丹東古城子高速公路，終點(diǎn)接于規(guī)劃2009年開工的新賓東江沿至南雜木高速公路，公路全長(zhǎng)63 km。呈南東—北西向展布，全線采用四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基寬度26 m，設(shè)計(jì)行車速度100 km/h，橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路1級(jí)。

2.1.2 地形、地貌及水文地質(zhì)條件

該區(qū)域地貌為沖洪積河谷平原區(qū)，微地貌單元為一級(jí)階地，場(chǎng)地地形平緩，地勢(shì)起伏較小。隧道巖性主要為灰色灰?guī)r，受構(gòu)造影響嚴(yán)重，中薄層 ～中厚層，弱風(fēng)化，強(qiáng)度一般，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖呈塊狀 ～碎塊狀結(jié)構(gòu)，局部較破碎且含有裂隙水，圍巖整體穩(wěn)定性較差。地下水類型為第四系松散巖土類孔隙潛水。大氣降水入滲補(bǔ)給為主要補(bǔ)給方式，其次為河流入滲及鄰區(qū)徑流補(bǔ)給，受季節(jié)和氣候的影響，水位隨季節(jié)變化較大。

2.2 TSP超前預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)采集

2.2.1 預(yù)報(bào)方案

此隧道采用上下臺(tái)階鉆爆法施工，當(dāng)隧道掘進(jìn)到掌子面里程為YK22+605時(shí)，此時(shí)距離洞孔端60 m。在預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)時(shí)接收器里程樁號(hào)為YK22+540，設(shè)計(jì)24炮，接收器布置于隧道左邊墻接收。

2.2.2 超前預(yù)報(bào)的步驟

TSP的硬件部分主要由三分量檢波器、記錄儀以及起爆裝置三部分組成。三分量檢波器主要用來接收地震信號(hào);記錄儀是將檢波器接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄，同時(shí)還進(jìn)行測(cè)量過程控制;起爆裝置主要用于引爆電雷管和炸藥，激發(fā)地震波。其數(shù)據(jù)采集步驟為:

1)鉆孔

由隧道地質(zhì)勘查報(bào)告及已開挖的巖體地質(zhì)情況和主要結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，選擇在隧道左邊墻鉆孔，其鉆孔鉆頭直徑為φ50 mm，爆破孔深度1.5 m，接收器孔深度2.0 m，鉆孔方向垂直于隧道邊墻，下傾 10°～20°，炮孔高度距離隧道隧洞底板0.8～1.0 m。鉆孔位置要求:接收器孔距離掌子面55～65 m，從接收器算起第一個(gè)炮孔距離接收器的距離為18～20 m，且炮間距為1.5～2.0 m。共鉆孔24個(gè)，根據(jù)實(shí)際情況至少不能少于18個(gè)。且炮孔的布置方向應(yīng)與隧道的走向一致。

2)檢波器安裝

為保證采集信號(hào)的質(zhì)量，檢波器與圍巖必須很好地耦合，在采集信號(hào)前至少12 h將檢波器套管插入接收孔內(nèi)，并用環(huán)氧樹脂或不收縮的錨固劑將套管與孔壁圍巖粘結(jié)起來，探測(cè)時(shí)將三分量檢波器插入到套管中，并用電纜連接到TSP數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。另外TSP系統(tǒng)的檢波器安裝有一定的方向性，所以在安裝接收套管的過程中，必須在套管正確插入接收點(diǎn)鉆孔中的同時(shí)，對(duì)準(zhǔn)套管內(nèi)側(cè)的V字形凹槽。

3)埋設(shè)炸藥

根據(jù)炮點(diǎn)布置點(diǎn)的圍巖特性，合理確定炮點(diǎn)裝藥量。一般情況下選擇防水性強(qiáng)、爆速高、密度大的炸藥。此次預(yù)報(bào)采用的乳化炸藥質(zhì)量如表1所示。

表1 爆破孔孔位與炸藥藥量的關(guān)系

裝藥作業(yè)時(shí)，首先將瞬發(fā)電雷管安裝在乳化炸藥一端用木質(zhì)炮棍將炮藥和電雷管輕輕送至炮孔底部，避免炮藥與雷管分離，電雷管兩根引線連接到起爆線。其次藥包裝入炮孔后，往炮孔內(nèi)注水，使裝藥與炮孔孔壁處于水耦合狀態(tài)，最后用炮泥對(duì)炮孔進(jìn)行封堵，并保證足夠的填充長(zhǎng)度，以抑制爆破噪聲對(duì)地震波信號(hào)的干擾。

4)起爆器、觸發(fā)盒、記錄儀、電雷管的連接

觸發(fā)器一方面通過兩根電纜與電雷管相連，另一方面通過引爆電纜線與記錄單元連接，同時(shí)觸發(fā)器還與傳統(tǒng)起爆器用兩根電纜相連。起爆網(wǎng)絡(luò)連線時(shí)，放炮母線與起爆器必須斷開。電雷管與放炮母線連接后，起爆連線人員遠(yuǎn)離爆破區(qū)，并做好爆破安全警戒。

5)啟動(dòng)記錄單元

當(dāng)接收到安全警戒以后，主機(jī)操作人員按控制面板上標(biāo)有“電源”的黑色按鈕啟動(dòng)記錄單元，小型橙色燈“Busy”會(huì)亮一會(huì)，這表示整個(gè)裝置運(yùn)行狀態(tài)良好(切斷電源后，紅色控制燈“Idle”會(huì)閃亮。控制面板上電壓值至少為60 V，當(dāng)電壓降到55 V以下時(shí)，記錄單元就會(huì)很快停止工作。

6)激發(fā)放炮

激發(fā)孔放炮后開始接收信號(hào)，此時(shí)隧道內(nèi)應(yīng)停止一切施工干擾。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)激發(fā)孔激發(fā)地震波后，記錄儀會(huì)同時(shí)啟動(dòng)并記錄地震波信號(hào)，這時(shí)屏幕上將出現(xiàn)3道地震波波形，是左邊墻的三個(gè)分量傳感器接收的信號(hào);依次起爆其余23個(gè)激發(fā)孔內(nèi)的炸藥，形成地震波，直到最后一炮記錄完畢。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理及成果

采集到的地震波數(shù)據(jù)，利用TSPwin 1.1專用軟件進(jìn)行處理。其基本流程為:設(shè)置野外采集參數(shù)→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q估計(jì)→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。由此獲得P波、S波和SV波的時(shí)間剝面、深度偏移剝面、提取的反射層、巖石物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等成果，以及反射層在探測(cè)范圍內(nèi)的空間分布等相關(guān)參數(shù)，為判斷隧道掌子面前方地質(zhì)體的性質(zhì)、位置和規(guī)模等提供可靠依據(jù)。

在預(yù)報(bào)范圍 YK22+605—YK22+745，由 TSP力學(xué)參數(shù)可知，預(yù)報(bào)范圍內(nèi)反射面較稀疏，縱、橫波速度變化不大。結(jié)合TSP的其他參數(shù)及隧道的圍巖情況可得:

1)YK22+605—YK22+680段圍巖反射面稀疏，縱、橫波速度略有變化，推測(cè)該段圍巖裂隙發(fā)育，圍巖不完整，縱波速度為3.6～4.0 km/s，橫波速度為3.1～3.4 km/s。綜合地質(zhì)條件，判斷圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)。

2)YK22+680—YK22+745段圍巖主要為白云質(zhì)灰?guī)r，強(qiáng)度較低，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖整體穩(wěn)定性差?？v波速度為3.8～4.2 km/s，該段圍巖縱橫波速度時(shí)高時(shí)低，推斷該段圍巖裂隙發(fā)育，圍巖較破碎。綜合判斷為Ⅳ級(jí)圍巖。

3 結(jié)論

1)隨后的隧道施工開挖與TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果基本吻合。

2)準(zhǔn)確確定隧道施工掌子面前方圍巖縱橫波速度分布、反射地質(zhì)構(gòu)造的準(zhǔn)確位置和界面兩側(cè)圍巖力學(xué)性狀的差異，大大地提高了超前預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性，降低預(yù)報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)。

3)從地震波信號(hào)激發(fā)、接收、處理和解譯的角度，討論了提高TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的精度及深度應(yīng)該注意的事項(xiàng)。

總的來說，TSP超前預(yù)報(bào)減小了施工中的盲目性和不安全性，縮短了隧道施工工期，降低了隧道事故發(fā)生率，為隧道順利施工提供了強(qiáng)有力的保障。

［1］鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.彈性波反射法在隧道施工超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［R］.西安:鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院，1997.

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