劉云禎

(北京市水電物探研究所，北京 100027)

0 引言

隧道工程在鐵路、公路、市政、地鐵、水電、國(guó)防等建設(shè)項(xiàng)目中都具有重要作用。在我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大的形勢(shì)下，隧道的數(shù)量和長(zhǎng)度在不斷增加，隧道工程的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，地質(zhì)條件的復(fù)雜性和施工難度也在不斷增加。在不良地質(zhì)地區(qū)隧道施工中，隧道坍塌、涌水、涌泥、瓦斯爆炸等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。若不能提前預(yù)知、處理不當(dāng)，很容易造成突發(fā)性重大人員傷亡事故，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大的危害。國(guó)內(nèi)外因地質(zhì)條件不明造成隧道施工事故的教訓(xùn)不少，尤其是在我國(guó)宜萬(wàn)鐵路的施工建設(shè)中，線路穿越長(zhǎng)江水系巖溶極其發(fā)育的灰?guī)r地帶，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)齊岳山、野三關(guān)和馬鹿箐等隧道的大突水事故，給隧道施工安全帶來(lái)了巨大危害。因此，利用地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)為不良地質(zhì)隧道施工提供指導(dǎo)十分必要。

目前常用的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法較多，但地震反射波法由于具有預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)、適用范圍廣、對(duì)施工干擾小等特點(diǎn)被廣泛采用［1］。有不少文獻(xiàn)介紹了TSP在工程中的應(yīng)用，如楊聰［2］認(rèn)為TSP預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)于有效指導(dǎo)和加快隧道施工能夠提供安全技術(shù)保障;羅衛(wèi)華等［3］認(rèn)為TSP與其他地質(zhì)預(yù)報(bào)方法相比，在準(zhǔn)確性和距離誤差方面具有突出的優(yōu)點(diǎn);趙巖等［4］認(rèn)為TSP對(duì)隧道掌子面前方圍巖的結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況有較好的反映，對(duì)圍巖交界面、貫穿裂隙以及大規(guī)模斷層的判定，有很高的準(zhǔn)確率。但也有人認(rèn)為TSP預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不太高，如張慶松等［5］分析了TSP超前預(yù)報(bào)中存在的問(wèn)題，認(rèn)為TSP探測(cè)巖性變化的軟弱面或水層的位置有一定誤差，預(yù)報(bào)精度稍低;師麗萍［6］認(rèn)為TSP預(yù)報(bào)的距離較長(zhǎng)，從而導(dǎo)致其精度不是很高，需要進(jìn)一步提高探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性;顧湘生等［7］曾多次質(zhì)疑宜萬(wàn)線TSP203預(yù)報(bào)記錄中的過(guò)高頻率，并對(duì)宜萬(wàn)鐵路超前預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 宜萬(wàn)鐵路超前地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)表Table 1 Accuracy of advance geology predictions made in construction of tunnels on Yichang-Wanzhou railway

本文從地震反射波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)探測(cè)原理出發(fā)，分析TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不高的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施及方法，應(yīng)用到TGP系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐證明，TGP在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中具有良好的預(yù)報(bào)效果。

1 TGP 預(yù)報(bào)基本原理［8］

TGP206(Tunnel Geology Prediction 206，以下簡(jiǎn)稱TGP)型隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)儀，預(yù)報(bào)的基本原理是采用隧道地震反射波探測(cè)技術(shù)。利用地震波在不均勻、不連續(xù)地質(zhì)體中產(chǎn)生的異常反射波，實(shí)現(xiàn)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的目的。

地震波震源采用小藥量炸藥在隧道邊墻的鉆孔中激發(fā)產(chǎn)生，激發(fā)炮孔在洞壁一側(cè)沿直線布置，一般采用24個(gè)炮孔。地震波的接收器也安置在孔中，一般左右壁各布置一個(gè)，測(cè)線布置如圖1所示。地震波在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綇椥圆ㄗ杩共町惤缑鏁r(shí)，例如斷層、巖體破碎帶、巖性變化或巖溶發(fā)育帶等，一部分地震信號(hào)反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)繼續(xù)傳播和發(fā)生反射。如圖2所示，地震波的直達(dá)波傳播路徑由震源點(diǎn)O沿隧道向前傳播，經(jīng)過(guò)S1，S2，最后到達(dá) S24;反射波的傳播路徑為由 OAS1，OAS2，直到OBS24，反射的地震波信號(hào)最終被高靈敏度的地震檢波器接收。因此，通過(guò)測(cè)量直達(dá)波速度、反射回波的時(shí)間、波形和強(qiáng)度，可以達(dá)到預(yù)報(bào)隧道掌子面前方地質(zhì)條件的目的。

TGP采用縱向排列，由圖3可以看出，地震子波排列整齊，直達(dá)波與反射波同軸呈喇叭口狀，易于識(shí)別。但同時(shí)必須滿足以下條件。

1)保證子波排齊——需要接收儀器的觸發(fā)與震源必須同步;

2)保證子波幅度——需要震源能量大、信噪比高，地震檢波儀器靈敏度高。

圖1 測(cè)線布置圖Fig.1 Layout of measurement lines

圖2 TGP預(yù)報(bào)基本原理Fig.2 Principle of TGP

圖3 縱向排列觀測(cè)采集的記錄形態(tài)圖Fig.3 Pattern of records made by means of longitudinal array observation

2 TGP206與TSP203相比所做的改進(jìn)

2.1 數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)方式改進(jìn)

2.1.1 TSP203 觸發(fā)方式

TSP203采用脈沖信號(hào)觸發(fā)方式。其觸發(fā)過(guò)程是爆炸機(jī)同時(shí)送出2路電信號(hào)，一路脈沖信號(hào)觸發(fā)儀器開(kāi)始采集，另一路高壓脈沖電信號(hào)供給電雷管。在這個(gè)過(guò)程中誤差的主要根源在于電雷管，眾所周知瞬發(fā)電雷管有“時(shí)間延遲差”，即從受電到爆炸需要時(shí)間，該時(shí)間與瞬發(fā)電雷管的型號(hào)有關(guān)系，一般為幾ms。

圖4為TSP203采用脈沖觸發(fā)采集的地震波記錄，直線附近首波上下錯(cuò)動(dòng)，誤差達(dá)6 ms，直達(dá)波排列不齊，后面的反射波則更不易識(shí)別。按Ⅲ級(jí)圍巖速度計(jì)算，存在5 m左右的距離誤差，即為觸發(fā)造成的時(shí)間誤差。

圖4 TSP203采集的地震波記錄Fig.4 Records of seismic wave made by TSP203

2.1.2 TGP206 觸發(fā)方式

TGP206儀器采用回線開(kāi)路觸發(fā)方式。將回線綁扎在震源上，通過(guò)震源爆炸時(shí)炸斷回線觸發(fā)儀器開(kāi)始采集。該方式與爆炸發(fā)生過(guò)程中的雷管延遲沒(méi)有關(guān)系，因而在綁扎回線不松脫條件下，爆炸同時(shí)觸發(fā)儀器采集，消除觸發(fā)的時(shí)間誤差。

圖5為TGP206采用回線開(kāi)路觸發(fā)采集的地震波記錄，圖中首波同相軸整齊排列，第15道(黑色粗線標(biāo)注)因綁扎松動(dòng)存在0.5 ms誤差，但其左右地震波都不存在時(shí)間誤差，很容易對(duì)該波進(jìn)行校正。

圖5 TGP206采集的地震波記錄Fig.5 Records of seismic wave made by TGP206

2.2 隧道聲波干擾與改進(jìn)［9］

在宜萬(wàn)鐵路隧道中采用TSP203儀器進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，筆者通過(guò)對(duì)大量TSP203儀器采集記錄和處理成果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在距掌子面80～100 m以后速度曲線異常，如圖6所示。

出現(xiàn)該異常的主要原因是地質(zhì)預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)中有隧道內(nèi)聲波干擾，該波與巖體中的地震波速度相差十幾倍，因而在距掌子面80～100 m以后曲線出現(xiàn)了異常。該異常為隧道內(nèi)聲波參與處理造成的巖體速度假象，必須進(jìn)行處理。

圖6 TSP203速度曲線的隧道管波假象Fig.6 Abnormality of wave velocity curves made by TSP203

為規(guī)避隧道聲波干擾，TGP206主要采取了以下措施:

1)增加偏移距離OFF(檢波器與最近炮孔之間的距離)，延遲聲波到達(dá)時(shí)間。聲波速度為340 m/s，加大偏移距離，實(shí)際上延遲了聲波到達(dá)時(shí)間，加長(zhǎng)了有效波記錄的時(shí)間(見(jiàn)圖7)，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)距離增加的目的。

2)數(shù)據(jù)處理，斜切除聲波干擾，剔除成果中的假象。TSP203數(shù)據(jù)處理時(shí)采取水平切除，縮短了預(yù)報(bào)距離;而TGP206對(duì)數(shù)據(jù)采取斜切除，以便利用更多的有效信息。TSP203與TGP206數(shù)據(jù)處理成果如圖8所示。

圖7 加大偏移距離后的有效波對(duì)比圖Fig.7 Effective wave with added offset

總之，TGP型預(yù)報(bào)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)利用有效波，在信息采集和數(shù)據(jù)處理2方面采取措施，以達(dá)到預(yù)報(bào)成果資料真實(shí)的目的，實(shí)踐證明效果是顯著的。

2.3 檢波器耦合方式

2.3.1 TSP203 耦合方式

TSP203采用環(huán)氧樹(shù)脂固結(jié)一根金屬套管，檢波器貼在套管內(nèi)壁上，其波形與金屬套管和鉆孔壁整體固結(jié)的效果、以及檢波器與套管壁貼緊的程度有關(guān)，2根套管一次性使用，成本費(fèi)用很高(TSP203預(yù)報(bào)系統(tǒng)的檢波器耦合耗材成本在7 000元以上)。其耦合方式常見(jiàn)的問(wèn)題包括:

1)TSP套管固結(jié)不良，或不固結(jié)套管、重復(fù)使用，記錄中出現(xiàn)高頻干擾和套管共振干擾，如圖9所示。3 000 Hz的頻率成分為干擾波，巖體中傳播的地震波遠(yuǎn)低于該頻率。

2)TSP檢波器觸點(diǎn)磨損造成貼管壁不緊，記錄中高頻毛刺干擾嚴(yán)重，如圖10所示。

圖9 TSP中高頻和套管干擾Fig.9 Medium-high frequency and case interference of TSP

圖10 高頻毛刺Fig.10 Burr of high frequency

2.3.2 TGP 耦合方式

采用液態(tài)或半液態(tài)耦合劑使檢波器與鉆孔壁耦合，檢波器依靠自重接觸孔壁，具有波形可靠，操作便捷，成本低(TGP預(yù)報(bào)系統(tǒng)的檢波器耦合耗材成本在300元以內(nèi))等優(yōu)點(diǎn)，TGP與TSP耦合方式對(duì)比如表2所示。

在保證地震波信號(hào)質(zhì)量的前提下，利用TGP記錄，獲得了不同地質(zhì)條件下正確的頻率:黃土100～200 Hz;軟巖200～400 Hz;硬巖400～1 000 Hz;堅(jiān)硬巖1 000～1 500 Hz。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是對(duì)隧道地震波記錄進(jìn)行加工、制造隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)成果的過(guò)程。如果數(shù)據(jù)處理過(guò)于簡(jiǎn)單，成果圖僅局限于物探的符號(hào)表示，則影響使用效果。TGP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在沿用物探符號(hào)表示的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了用地質(zhì)符號(hào)表示預(yù)報(bào)成果的功能。

TGP地質(zhì)預(yù)報(bào)成果處理的主要手段包括:

1)為方便利用地震波偏移圖進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)的分析和推斷，保留全斷面地震波偏移圖(見(jiàn)圖11)、增加偏移相位圖(見(jiàn)圖12)。其中正相位代表前方有較硬巖體，負(fù)相位代表軟弱巖體或水。圖11—13中，計(jì)算偏移的巖體速度vm為4 290 m/s;像元點(diǎn)矩dX，dR均為0.50 m。

2)檢查成果異常與地震波數(shù)據(jù)的相互關(guān)系，剔除由干擾波造成的預(yù)報(bào)成果圖假象，力求做到預(yù)報(bào)成果依靠真實(shí)數(shù)據(jù)而來(lái)。使用中通過(guò)點(diǎn)擊異常部位可對(duì)應(yīng)觀測(cè)異常部位的波形圖，如圖13所示。

3)通過(guò)縱向(沿隧道線)多方位地震波偏移功能，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)界面的空間定位。增加4個(gè)斷面，8個(gè)方向的縱向偏移，繪制形成構(gòu)造界面的三維產(chǎn)狀圖，見(jiàn)圖14。

4)通過(guò)橫向(與隧道線垂直的斷面)等距斷面地震波偏移功能，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)異常的斷面圖分析，有利于確定巖溶及局部孤石在隧道的具體位置，見(jiàn)圖15。

通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到成果圖，雷同醫(yī)檢獲得“X”光片，欲做出正確判斷需要結(jié)合具體人和病情，同樣依據(jù)成果圖推斷地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論的過(guò)程也需要結(jié)合隧道的地形地質(zhì)條件。結(jié)果須科學(xué)運(yùn)用，不能盲目地追求高準(zhǔn)確性，并據(jù)此盲目運(yùn)用，地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性將隨著其他輔助工作(地勘資料、鉆探等)的進(jìn)行而不斷提高。

圖14 構(gòu)造界面的三維產(chǎn)狀Fig.14 3D occurrence of structural interface

圖15 對(duì)巖溶、孤石的偏移橫斷面掃描圖Fig.15 Scan of offset of karst and boulder

2.5 地質(zhì)預(yù)報(bào)須結(jié)合超深炮孔鉆探進(jìn)行

根據(jù)中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院顧湘生等［7］的研究表明:圍巖級(jí)別不同，抵抗不同水壓所需的圍巖最小厚度不同，如表3所示。

表3 不同圍巖級(jí)別抵抗不同水壓所需的最小厚度Table 3 Minimum thickness of rock mass of different grades to resist different water pressures m

根據(jù)上述研究結(jié)果，在隧道施工中要保護(hù)抵抗不良地質(zhì)災(zāi)害的巖層厚度，通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)獲得不良地質(zhì)體(溶蝕帶或巖溶)的分布里程后，采用傳統(tǒng)的導(dǎo)洞法、水平鉆孔法等對(duì)不良地質(zhì)的檢測(cè)不一定是唯一的方法，對(duì)應(yīng)巖溶的分布不隨人愿，水平鉆孔難于設(shè)計(jì)。顧湘生等［7］對(duì)此提出了加深炮孔鉆探方法，具體布孔方式如圖16所示。

圖16 加深炮孔鉆探布孔方式(單位:m)Fig.16 Layout of extra-deep shot holes(m)

根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果提前布孔預(yù)留巖層厚度，逐次開(kāi)挖循環(huán)錯(cuò)位布置加密探查。在風(fēng)險(xiǎn)地段采取小藥量短掘進(jìn)的施工方法，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)采取措施，以度過(guò)高風(fēng)險(xiǎn)地段。

實(shí)踐證明，地震波預(yù)報(bào)確定異常區(qū)段后，利用超深炮孔多、鉆孔快的優(yōu)勢(shì)，對(duì)巖溶分布和形態(tài)不確定的隧道，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性明顯較高。

3 TGP工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 強(qiáng)風(fēng)化破碎帶預(yù)報(bào)——三亞繞城高速公路迎賓隧道

圖17中縱(藍(lán)線)橫(紅線)波反射界面密集發(fā)育的位置段(右洞壁726～700段)反映巖體被多組構(gòu)造面切割，巖體破碎。圖18中藍(lán)線為縱波反射計(jì)算的結(jié)果，紅線為橫波反射計(jì)算的結(jié)果。由圖18可知在里程726～700，縱橫波估算速度均明顯降低，而且橫波降低幅度較大。據(jù)此推斷預(yù)報(bào)段頁(yè)巖泥化嚴(yán)重或存在裂隙水，預(yù)報(bào)圍巖具有垮塌的可能。

圖19為三亞迎賓隧道的巖性界面3D產(chǎn)狀分布圖，圖中界面1與界面2之間為構(gòu)造破碎帶，界面1為負(fù)反射屬性，說(shuō)明(界面后巖體聲阻抗低)界面后巖體破碎;界面2為正反射屬性，說(shuō)明界面后巖體(聲阻抗變高)較為完整。在隧道里程738～710段呈倒三角楔形，隧道塌方事故發(fā)生后，看到構(gòu)造帶塌落后的圍巖界面與該預(yù)報(bào)結(jié)果基本吻合。

3.2 溶洞型巖溶的預(yù)報(bào)——武廣鐵路客運(yùn)專線大瑤山1號(hào)隧道

武廣客運(yùn)專線大瑤山1號(hào)隧道施工至DK1909+611里程遇到巖溶，發(fā)生突水突泥事故，石塊直徑達(dá)2～3 m，突泥堆積長(zhǎng)度約50 m，為了解前方地質(zhì)條件，筆者被邀請(qǐng)進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)的試驗(yàn)研究工作。圖20(b)中的黑線(DK1909+611～660段)為不同里程位置繞射波偏移圖的銳變點(diǎn)連線，用作分析推斷巖溶溶洞的發(fā)育方向。

圖21中，圖(a)反映巖溶溶洞形成的反射點(diǎn)發(fā)育高程分布在隧道高程附近，呈現(xiàn)為由左上方向右下方發(fā)育的趨勢(shì);圖(b)反映巖溶溶洞形成的密集反射點(diǎn)展布方向，呈現(xiàn)為與隧道大角度斜交的條帶狀發(fā)育的趨勢(shì)。

以上2個(gè)應(yīng)用工程實(shí)例說(shuō)明，TGP206預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用多波多分量的地震波處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地震波預(yù)報(bào)成果向地質(zhì)預(yù)報(bào)成果的轉(zhuǎn)化，結(jié)合已有地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，直觀方便，有利于預(yù)報(bào)技術(shù)的推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

技術(shù)改進(jìn)提高后的TGP地震波預(yù)報(bào)技術(shù)，能夠在如下方面發(fā)揮較好的作用:1)對(duì)于斷層帶、裂隙密集帶和軟硬巖性帶的劃分，以及對(duì)地質(zhì)界面的空間分布進(jìn)行預(yù)報(bào);對(duì)于構(gòu)造巖溶發(fā)育帶和具有一定規(guī)模的巖溶溶腔的預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)水平明顯提高。2)結(jié)合輕便的加深炮孔方法，增加了對(duì)于水文地質(zhì)預(yù)報(bào)、溶管和溶腔等較小規(guī)模不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)的可行性。3)對(duì)隧道施工地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)的認(rèn)識(shí)有較大提高。

4.2 建議

在進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的過(guò)程中要注意結(jié)合已經(jīng)掌握的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行綜合分析判斷，以及合理選擇其他有效的配合手段，以期達(dá)到較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果。

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