譚 鵬，王 杰

(1.中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川成都 610031； 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

近年來(lái)，我國(guó)高速公路和鐵路的建設(shè)，不論是隧道的長(zhǎng)度、跨度還是規(guī)模都比以往有大幅增加，相應(yīng)的地質(zhì)條件的復(fù)雜性和施工難度也在增加。同時(shí)在隧道建設(shè)出現(xiàn)了很多地質(zhì)問(wèn)題，比如溶洞、坍塌、冒水、突水等。這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度，尤其對(duì)施工人員的安全性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。在此背景下超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)被提出并應(yīng)用到工程實(shí)際。尤其以地震波法為主的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)大范圍應(yīng)用的實(shí)際，并取得良好效果。本文結(jié)合在翠屏山隧道使用TGP206預(yù)報(bào)儀，對(duì)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)作詳細(xì)介紹。

1 工程概況

翠屏山隧道全長(zhǎng)2 945 m，隧道進(jìn)口里程為DK506+015，出口里程DK508+960，最大埋深約85 m，地面高程600～700 m。

隧區(qū)位于江油北～江油區(qū)間，為低山丘陵地貌，上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為侏羅系泥巖夾砂巖、礫巖。隧道洞身為侏羅系上統(tǒng)蓮花口組泥巖夾砂巖，以軟質(zhì)巖為主，產(chǎn)狀平緩，存在的不良地質(zhì)為順層偏壓，易坍塌。隧道為低瓦斯隧道。

2 TGP206原理和方法

2.1 預(yù)報(bào)原理

地震波信號(hào)的傳播時(shí)間與傳播距離成正比，與傳播速度成反比；地震波信號(hào)的衰減和傳播符號(hào)與巖體性質(zhì)和界面的聲阻抗性質(zhì)有關(guān)。隧道地震波超前預(yù)報(bào)是利用地震波在巖體傳播過(guò)程中，在聲阻抗界面會(huì)產(chǎn)生地震反射波，利用儀器設(shè)備采集隧道巖體中地震波傳播的信息，通過(guò)相關(guān)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合已有的地質(zhì)資料綜合分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道前方地質(zhì)條件的推斷，達(dá)到地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的目的。地震波震源一般采用小藥量炸藥在隧道邊墻的風(fēng)鉆孔中爆炸產(chǎn)生，激發(fā)炮孔在洞壁一側(cè)沿直線(xiàn)布置，一般采用24個(gè)炮孔。炮孔、接收孔布置如圖1。

圖1 炮孔布置

2.2 預(yù)報(bào)方法

通常在隧道左側(cè)或者右側(cè)布置24個(gè)測(cè)孔，里面放些小量炸藥，并布置2個(gè)接收孔。引爆炸藥激發(fā)地震波，通過(guò)2個(gè)接收孔收集24個(gè)激發(fā)點(diǎn)的產(chǎn)生的反射波。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅饺鐢嗔褞?、溶洞、巖溶發(fā)育帶等地質(zhì)不均勻地帶，此時(shí)由于各個(gè)不均勻地質(zhì)的界面其聲波阻抗不一致時(shí)，一部分地震波信號(hào)反射回來(lái)，一部分地震波繼續(xù)透過(guò)前面巖體傳播和反射。這樣地震波傳播的全過(guò)程通過(guò)放在兩邊的接收器對(duì)其進(jìn)行接收，然后可以通過(guò)主機(jī)上的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析(圖2)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)工作示意

3 TGP206在翠屏山隧道中的應(yīng)用

3.1 掌子面地質(zhì)情況

為做好本次隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，探測(cè)時(shí)對(duì)隧道出口段掌子面DK508+715處進(jìn)行了相應(yīng)的地質(zhì)編錄和素描(圖3、圖4)。通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)的觀察發(fā)現(xiàn)：該掌子面圍巖為泥巖夾砂巖，呈褐色，較為破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石風(fēng)化較嚴(yán)重，掌子面附近有少量地下水，現(xiàn)場(chǎng)初步判定圍巖級(jí)別為V級(jí)。

圖3 DK508+715處掌子面素描

圖4 DK508+715處掌子面圍巖狀況

3.2 數(shù)據(jù)采集

本次采集數(shù)據(jù)時(shí)，掌子面樁號(hào)DK508+715預(yù)報(bào)里程范圍為DK508+715～DK508+565段(即預(yù)報(bào)隧道掌子面前方150 m)。將探測(cè)器放在兩側(cè)接收孔，相鄰的激發(fā)孔間距為1.5 m，激發(fā)孔距離與隧道當(dāng)前路面距離為1.5 m左右，便于安裝炸藥，接收孔距離掌子面為50 m左右。并引用計(jì)時(shí)線(xiàn)被炸斷的觸發(fā)方式來(lái)記錄結(jié)果。

3.3 探測(cè)結(jié)果

將現(xiàn)場(chǎng)采集的資料傳輸至計(jì)算機(jī)，利用TGPwin軟件對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到同側(cè)原始波形圖(圖5)、同側(cè)繞射偏移圖(圖6)、同側(cè)反射截面圖(圖7)和波速變化圖(圖8)。

根據(jù)隧道地勘資料與施工揭露的實(shí)際情況并結(jié)合本次預(yù)報(bào)得到的縱波比速度分布圖(圖5)可將本次預(yù)報(bào)里程段分為4個(gè)主要圍巖變化分區(qū)段，這里結(jié)合圖1～圖4就各分段的圍巖變化情況分析說(shuō)明。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)地震波同側(cè)三分量采集圖

圖6 同側(cè)繞射偏移圖

圖7 同側(cè)反射截面圖

圖8 波速變化圖

(1)DK508+715～DK508+692圍巖段：長(zhǎng)度約為23m?？v波波速幾無(wú)變化，橫波波速有小幅波動(dòng)，縱橫波繞射偏移圖均呈現(xiàn)強(qiáng)烈的冷暖交替變化，縱波反射不明顯，橫波有較弱的負(fù)反射；推測(cè)該段圍巖較掌子面變化不大，圍巖巖性較差，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，圍巖較為破碎風(fēng)化；地下水一般發(fā)育，以基巖裂隙水為主。在+700附近圍巖巖性較差。預(yù)報(bào)圍巖級(jí)別為V級(jí)，施工時(shí)注意圍巖較破碎，應(yīng)及時(shí)支護(hù)。

(2)DK508+692～DK508+656圍巖段：長(zhǎng)度約為36 m。縱橫波波速均出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)，縱橫波反射強(qiáng)烈，橫波出現(xiàn)較強(qiáng)烈的負(fù)反射，縱波繞射波呈現(xiàn)冷暖交替變化，以冷色為主，橫波色調(diào)均勻，縱橫波均出現(xiàn)較多的反射面。推測(cè)此段圍巖巖性相對(duì)前一段較差，圍巖破碎程度增加，節(jié)理裂隙發(fā)育；地下水發(fā)育較少，以基巖裂隙水為主；預(yù)測(cè)圍巖等級(jí)為V級(jí)，施工中注意+673附近圍巖較差，圍巖較為破碎，建議及時(shí)支護(hù)。

(3)DK508+656～DK508+615圍巖段：長(zhǎng)度約為41 m?？v波波速幾乎無(wú)變化，橫波波速出現(xiàn)小幅波動(dòng)，縱橫波反射較為明顯，反射面較多，縱波繞射偏移圖呈較為強(qiáng)烈的冷暖交替變化，橫波偏移圖色調(diào)均勻。推測(cè)該區(qū)段圍巖巖性變化較大，圍巖完整性較差，節(jié)理一般發(fā)育，地下水發(fā)育較少，以基巖裂隙水為主；在DK508+638～ DK508+628段內(nèi)圍巖巖性有變化，在+618附近圍巖較破碎，施工時(shí)要加強(qiáng)注意。預(yù)測(cè)圍巖等級(jí)為V級(jí)，施工中應(yīng)注意巖塊從洞頂和邊壁掉落。

(4)DK508+615～DK508+565圍巖段：長(zhǎng)度約為50 m。 縱波波速較前段有所上升，橫波波速幾無(wú)變化，縱橫波反射不明顯，橫波無(wú)反射面，縱波反射面稀少，縱波繞射偏移圖呈較弱的冷暖交替變化，橫波偏移圖色調(diào)均勻。推測(cè)該區(qū)段圍巖完整性較前段變好，節(jié)理一般發(fā)育，地下水發(fā)育較少，以基巖裂隙水為主。預(yù)測(cè)圍巖等級(jí)為V級(jí)，施工中應(yīng)注意巖塊從洞頂和邊壁掉落。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況對(duì)比分析

本預(yù)報(bào)段內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有重大地質(zhì)病害出現(xiàn)，巖體主要以泥巖夾砂巖為主，該巖體單體強(qiáng)度一般，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，地下水發(fā)育較少，局部范圍圍巖較破碎。本預(yù)報(bào)段內(nèi)圍巖級(jí)別推定為V級(jí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

翠屏山隧道以砂巖、礫巖為主，地質(zhì)變化較為明顯，巖石節(jié)理較發(fā)育，拱頂及兩側(cè)出現(xiàn)掉塊、圍巖出現(xiàn)滲漏水等現(xiàn)象。隧道施工中，將TGP206作為地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的手段，可以對(duì)前方地質(zhì)有大概的了解和摸底，為后續(xù)的施工進(jìn)度及施工安全作充分的準(zhǔn)備。

[1] HE Chuan，WANG Bo. Research progress and development trends of highway tunnels in China [J]. Journal of Modern Transportation，2013,21(4):209-223

[2] 崔濤，李建雄，張慶彬等TGP206超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在巖溶隧道施工的應(yīng)用[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2011，(2)：7-9

[3] 閆昆鵬.在洞宮山隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].山西建筑，2011,37(6):133-134

[4] 張慶松,李術(shù)才,孫克國(guó),等.公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2008,4(4):766-771

[5] 趙永貴，劉 浩，孫宇, 等. 隧道超前預(yù)報(bào)研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2003,(3):7-8

[6] 王曉川，盧義玉，夏彬偉,等.超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在大相嶺隧道施工中的應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2009,(10)