李永輝，浦少云，尚本峰

(1.貴州大學(xué) 國(guó)土資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550025)

在隧道建設(shè)過(guò)程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，突發(fā)事故頻發(fā)，給隧道施工帶來(lái)很多困難。采用科學(xué)的、先進(jìn)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，有效準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)隧道開(kāi)挖工作面前方巖體及其狀態(tài)，提前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)出施工階段可能遇到的不良或者特殊的地質(zhì)問(wèn)題，為前方施工提供相應(yīng)建議，已經(jīng)成為當(dāng)前隧道建設(shè)中有待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。當(dāng)前，常見(jiàn)的長(zhǎng)距離超前預(yù)報(bào)技術(shù)主要有：以地震波反射為理論基礎(chǔ)的 TSP、TPT 法，以電法為理論基礎(chǔ)的高密度電法，以地質(zhì)雷達(dá)法以及紅外探水法為代表的短距離方法[2]。

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)自20世紀(jì)90年代引入我國(guó)以來(lái)，得到廣泛的應(yīng)用。如孫廣忠主持的軍都山隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[3]，李天斌主持預(yù)報(bào)的鷓鴣山公路隧道[4]等均取得較好的預(yù)報(bào)效果。本文通過(guò)對(duì)TSP系統(tǒng)對(duì)隧道地質(zhì)探測(cè)的實(shí)例分析，驗(yàn)證TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)在隧道施工探測(cè)中的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，為隧道安全施工提供保證。

1 TSP地質(zhì)預(yù)報(bào)原理及設(shè)備系統(tǒng)組成

1.1 基本原理和方法

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法[5]。地震波在設(shè)計(jì)的震源點(diǎn)(通常在隧道的左或右邊墻，大約24個(gè)炮點(diǎn))用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)?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(shí)，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)。反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的地震檢波器接收(圖1)。數(shù)據(jù)通過(guò)TSP-win軟件處理，便可了解隧道工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)和位置及規(guī)模。

圖1 TSP工作原理圖Fig.1 TSP working principle diagram

采集的TSP數(shù)據(jù)，通過(guò)TSP-win軟件進(jìn)行處理。TSP-win軟件處理流程包括11個(gè)主要步驟，即：數(shù)據(jù)設(shè)置→帶通濾波→初值拾取→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[6]。通過(guò)速度分析，可以將反射信號(hào)的傳播時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離(深度)。處理結(jié)果可以用與隧道軸的交角及隧道工作面的距離來(lái)確定反射層所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)界面的空間位置，并根據(jù)反射波的組合特征及其動(dòng)力學(xué)特征解釋地質(zhì)體的性質(zhì)。

通過(guò)TSPwin軟件處理，可以獲得P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、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2D或3D空間分布[7]。

1.2 設(shè)備系統(tǒng)組成

采用TSP 203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要組成：

1) 記錄單元：12道，24位A/D轉(zhuǎn)換，采樣間隔62.5和125 μs，最大記錄長(zhǎng)度為1 808.5 ms，動(dòng)態(tài)范圍120 dB。

2) 接收器(檢波器)：三分量加速度地震檢波器，靈敏度為1 000 mV/g±5%，頻率范圍為0.5～5 000 Hz，共振頻率9 000 Hz，橫向靈敏度>1%，操作溫度0℃～65℃。

3) TSP-win軟件：數(shù)據(jù)采集和處理集于一體。

2 工程實(shí)例

2.1 工程地質(zhì)條件

區(qū)域構(gòu)造線(xiàn)方向與地層總體走向一致，均為北北東向，地層傾向北西，傾角平緩，一般5°～15°。隧道區(qū)構(gòu)造主要受印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)的影響，形成近東西向的背向斜、斷層和北北東向的斷層和褶曲構(gòu)造。

由于隧道施工區(qū)域的地質(zhì)復(fù)雜性,查明隧道掌子面前方巖層的裂隙、巖溶、斷層等不良地質(zhì)因素,對(duì)隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)則顯得尤為必要。本次探測(cè)接收器位置在DK246+747.5，掌子面位置為DK246+800.4，設(shè)計(jì)為24炮，2個(gè)接收器接收。通過(guò)試驗(yàn)，確定單孔采用藥量為100～200 g乳化炸藥。數(shù)據(jù)采集時(shí)采用X-Y-Z三分量接收，采樣間隔62.5 μs，記錄長(zhǎng)度451.125 ms(7218采樣數(shù))。實(shí)際激發(fā)22炮，數(shù)據(jù)采集記錄均合格，可用于數(shù)據(jù)處理和解釋。

2.2 測(cè)線(xiàn)布置

2.2.1 接收器孔

位置：在隧道邊墻(面對(duì)掌子面)，距離掌子面51.0 m。

數(shù)量：1個(gè)，隧道右邊墻。

直徑：φ50 mm/孔深：2.0 m

布置：沿軸徑向，用錨固劑固結(jié)，向上傾斜5°～10°左右。

高度：離地面1.4 m。

2.2.2 炮 孔

位置：在隧道的右邊墻。第一個(gè)炮孔離接收器16.0 m。

數(shù)量：24個(gè)

直徑：38 mm/孔深：1.5 m

布置：沿軸徑向，向下傾斜10°～20°左右(激發(fā)時(shí)水封填炮孔)。

高度：離地面約1.4 m。

2.3 測(cè)試結(jié)果及其分析

TSP探測(cè)系統(tǒng)對(duì)原始數(shù)據(jù)采用的處理流程為:原始數(shù)據(jù)合并，建立觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，地震波初至拾取，炮能量平衡，擴(kuò)散補(bǔ)償，頻率濾波，自動(dòng)增益控制，波場(chǎng)分離，PS 波分離，速度掃描，偏移成像[8]。處理的最終成果包括 P 波、SH 波、SV 波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層(圖2)、巖石物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等，以及反射層在探測(cè)范圍內(nèi)的 2D(圖3)和 3D 空間分布。

對(duì)處理成果的分析，根據(jù)以下原則進(jìn)行：

1) 反射振幅越高，反射系數(shù)和波阻抗的差別越大。

2) 正反射振幅(紅色)表明正的反射系數(shù)，也就是剛性巖層；負(fù)反射振幅(藍(lán)色)指向軟弱巖層。

3) 若S波反射比P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水。

4)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。

5) 若Vp下降，則表明裂隙密度或孔隙度增加。

初步分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 提取的反射層圖Fig.2 Reflection layer map

圖3 巖石屬性圖Fig.3 rock property map

序號(hào)里 程長(zhǎng)度/m探測(cè)結(jié)果推斷1DK246+800.4～DK246+848.047.6該段波速和密度等巖體力學(xué)指標(biāo)基本無(wú)變化,推測(cè)圍巖與掌子面基本一致,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎,其中DK246+817.0～+835段波速與密度略有降低,推測(cè)圍巖完整性有所變差,強(qiáng)度有所降低,地下水不發(fā)育2DK246+848.0～DK246+904.056.0該段反射面較多,波速與密度整體有所降低,推測(cè)節(jié)理裂隙發(fā)育,為裂隙密集帶,巖體較破碎～破碎;DK246+862～+872段泊松比變化較大,推測(cè)發(fā)育裂隙水3DK246+904.0～DK246+924.020.0該段波速、密度整體上升,推測(cè)該段圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較完整～較破碎,泊松比變化幅度較小,推測(cè)地下水不發(fā)育4DK246+924～DK246+950.426.4該段波速、密度整體下降,推測(cè)該段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎～破碎,巖體強(qiáng)度降低,DK246+924附近泊松比變化較大,推測(cè)發(fā)育裂隙水

2.4 結(jié)論與建議

在探測(cè)段DK246+800.4～DK246+950.4段范圍內(nèi)，掌子面已開(kāi)挖揭示圍巖為：石灰?guī)r，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，地下水不發(fā)育。通過(guò)探測(cè)，推測(cè)DK246+800.4～DK246+848.5段判斷圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。DK246+848.5～DK246+904段判斷圍巖級(jí)別為Ⅳ～Ⅴ級(jí)。DK246+904～DK246+924段判斷圍巖級(jí)別為Ⅲ～Ⅳ級(jí)。DK246+924～DK246+950.4段判斷圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。

施工方案建議：開(kāi)挖工程中密切關(guān)注圍巖及地下水情況，每開(kāi)挖循環(huán)應(yīng)施做加深炮孔探測(cè)，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，進(jìn)一步確定前方圍巖及地下水發(fā)育情況，確保施工安全。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用TSP技術(shù)在依托隧道工程進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)測(cè)，對(duì)安全施工是非常有指導(dǎo)意義的。通過(guò)實(shí)際開(kāi)挖情況對(duì)比證明TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)是比較準(zhǔn)確的。TSP技術(shù)能較好地對(duì)地質(zhì)情況做定性的判斷。從現(xiàn)場(chǎng)施作情況來(lái)看，TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)具有對(duì)施工干擾小，現(xiàn)場(chǎng)要求低，探測(cè)距離遠(yuǎn)，精度高等優(yōu)點(diǎn)。但目前的TSP探測(cè)技術(shù)是一門(mén)正在發(fā)展中的預(yù)測(cè)方法，它受技術(shù)人員的技術(shù)水平及現(xiàn)場(chǎng)施作環(huán)境影響較大，仍需要在實(shí)踐中不斷改進(jìn)、提高，以有效地為現(xiàn)場(chǎng)施工及安全提供可靠的依據(jù)和保證。