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        TSP在隧洞含水破碎帶超前 短預(yù)報中的應(yīng)用

        2018-12-20 09:20:22張紅綱李俊杰朱紅雷何建設(shè)趙國軍
        水力發(fā)電 2018年9期
        關(guān)鍵詞:檢波器能譜掌子面

        張紅綱,李俊杰,朱紅雷,何建設(shè),趙國軍

        (浙江省水利水電勘測設(shè)計院,浙江杭州310002)

        0 引 言

        隧洞短距離預(yù)報多采用地質(zhì)雷達法[1- 4],其精度與探測效率最高,對溶洞的探測效果較好,有效探測距離在不同性質(zhì)與類別的巖體中差異較大,完整性較好的Ⅰ、Ⅱ類圍巖多達30 m,含水量大的破碎巖體因電磁波在水中的高衰減特性,探測距離有時不足15 m。地質(zhì)雷達探測時天線需貼牢掌子面,掌子面平整度較差時,電磁波在空氣與掌子面間多次振蕩,傳入巖體中的有效能量大大減小,雷達剖面易出現(xiàn)由淺至深的低頻振蕩信號。此外,為實現(xiàn)3D立體成像,雷達測線往往呈“井”字形或網(wǎng)格形布設(shè),在類似“瀑布”的掌子面探測時,雷達天線與儀器接口處極易進水。

        隧道地震波預(yù)報(TSP)作為另一種常用的隧洞長距離(100~200 m)預(yù)報技術(shù),其數(shù)據(jù)采集與處理均較復(fù)雜,但此方法抗干擾能力強,能提供多種物理力學(xué)參數(shù)評估巖體質(zhì)量,在斷層[5- 6]、基巖裂隙水[7]、溶洞探測[8-9]、巖爆預(yù)測[10]、巖體質(zhì)量等級分類[11]等方面均有成功案例。本文分析了影響TSP探測精度的因素,總結(jié)了提高TSP探測效率的經(jīng)驗,并將其用于隧洞短距離預(yù)報,在鋼襯支護的邊墻上布置炮孔與檢波器接收孔,炮孔中注滿水壓制聲波,取得了良好的探測效果。

        1 工程概況

        杭州市第二水源千島湖配水工程從千島湖淳安縣境內(nèi)取水,通過輸水隧洞將水引至杭州市余杭區(qū)閑林水庫,途中向建德、桐廬及富陽等縣市供水。千島湖~閑林水庫輸水線路總長約112 km,設(shè)計流量38.8 m3/s,為浙江省重點大(1)型水利工程。貝山寺支洞位于富陽市新登鎮(zhèn),總長約956 m,隧洞進口覆蓋層及強風(fēng)化帶巖體較厚,支洞前1/3段圍巖多為Ⅳ類,局部為Ⅴ類,工程地質(zhì)條件較差。支洞在樁號0+700揭露含水破碎帶,掌子面上鉆孔不斷有股狀水涌出,掘進至0+698時,掌子面及左右邊墻仍涌水不止。為及時了解掌子面前方地質(zhì)情況,為隧洞爆破及支護方案提供依據(jù),確保施工安全,在樁號0+698開展超前預(yù)報工作。

        炮孔布置洞段巖性為奧陶系上統(tǒng)文昌組泥質(zhì)粉砂巖,節(jié)理較發(fā)育,以中~陡傾角為主,多方解石充填或鐵錳質(zhì)渲染,節(jié)理面多與層面相交,洞頂局部滴水~線狀流水,掌子面附近“瀑布”狀涌水(圖1)。

        圖1 掌子面涌水

        2 TSP探測

        2.1 探測設(shè)計

        TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法,地震波在設(shè)計的震源點用小量炸藥激發(fā),當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面時(如斷層、破碎帶和巖性變化等),一部分地震信號反射回來被高靈敏度的地震檢波器接收,一部分透射進入前方介質(zhì),數(shù)據(jù)通過TSPwin軟件處理,便可了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)、位置及規(guī)模。TSP探測設(shè)計炮孔24個,檢波器2個。炮孔位于隧道右邊墻,φ32~38,深1.5 m,垂直隧道軸向,下傾10°~20°,離隧底高1.3 m,第1個炮點距掌子面1.5 m,炮間距1.5 m。接收孔隧道左右邊墻各1個,φ42~45,深2 m,垂直隧道軸向,上傾5°~10°,離隧底高1.3 m,距離掌子面>56 m。觀測系統(tǒng)見圖2,設(shè)置采樣頻率24 kHz,記錄長度500 ms,炸藥量每孔100 g。

        圖2 TSP觀測系統(tǒng)(單位:m)

        2.2 數(shù)據(jù)能譜及濾波效果

        圖3為貝山寺隧洞檢波器接收的地震波原始頻譜。從圖3可知,1號檢波器頻譜集中在25~1 000 Hz,2號檢波器在25~1 500 Hz,主頻偏低,表明炮孔布設(shè)區(qū)段隧洞巖體較破碎,對地震波高頻成分吸收明顯。

        圖3 檢波器原始頻譜

        圖4為地震波X、Y、Z分量的能量譜,色標(biāo)的深淺對應(yīng)地震波能量的大小,低頻濾波曲線左側(cè)隨時間增大地震波能量逐漸減小,高頻信號衰減較低頻快,為有效信號;曲線右側(cè)隨時間增大,地震波能量局部反而增大,為聲波干擾;與炮孔同側(cè)2號檢波器聲波干擾較對面1號檢波器小。圖中指數(shù)曲線為一濾波函數(shù),曲線兩端可手動調(diào)節(jié)高截頻率,其變化范圍為333~5 400 Hz,曲線右側(cè)的地震波能量將被濾除。本文中最小、最大高截頻率分別設(shè)為333 Hz及5 400 Hz,可最大程度去除聲波干擾。

        降低聲波干擾是TSP數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵,此次探測因炮孔內(nèi)灌水效果好,爆破聲為水中擊發(fā)的悶聲,數(shù)據(jù)質(zhì)量高,經(jīng)時變高截處理后,濾波曲線右側(cè)聲波干擾已經(jīng)被完全清除。時變高截處理后TSP數(shù)據(jù)能譜見圖5。

        若炮孔內(nèi)未灌水或灌水質(zhì)量差,爆破產(chǎn)生的強聲波干擾因部分頻段位于有效波頻帶內(nèi),經(jīng)時變高截處理后仍有殘留。此外,時變高截最小截頻為333 Hz,故低頻聲波干擾較高頻難去除。圖6為不同圍巖類別下強聲波干擾數(shù)據(jù)能譜。從圖6可知,Ⅳ類圍巖干擾頻率集中于150~1 100 Hz;Ⅱ類圍巖干擾波頻率較高,主頻帶約1 700~4 000 Hz。圖7為經(jīng)時變高截處理后數(shù)據(jù)能譜。從圖7可知,濾波曲線附近強聲波干擾無法完全清除,殘留聲波能譜呈水

        圖6 不同圍巖類別強聲波干擾數(shù)據(jù)能譜

        圖7 不同圍巖類別經(jīng)時變高截處理后能譜

        平拉絲狀,且聲波主頻帶越低,拉絲現(xiàn)象越明顯。

        2.3 數(shù)據(jù)處理與解釋

        貝山寺隧洞TSP探測成果見圖8。從圖8可知,掌子面前方127 m范圍內(nèi)(樁號0+698~0+571),圍巖縱波速度Vp為3 728~4 747 m/s,橫波速度VS為2 254~2 739 m/s,泊松比為0.15~0.32,密度為2.32~2.57 g/cm3,靜態(tài)楊氏模量為14~31 GPa,動態(tài)楊氏模量為29~47 GPa,剪切模量為12~19 GPa。各物理力學(xué)指標(biāo)較差,巖體總體較破碎。主要異常區(qū)域分析及地質(zhì)推斷見表1。

        值得強調(diào)的是,TSP波速值為地震波的視速度,大于巖體的真實波速,視速度偏低的區(qū)域巖體質(zhì)量較差。隧洞實際開挖證實,樁號0+698~0+659區(qū)段圍巖為Ⅳ類,其中0+698~0+692洞段涌水,樁號0+692~0+680洞段大部滲水,樁號0+675左側(cè)側(cè)墻下部涌水(見圖9);樁號0+659~0+571區(qū)段圍巖為Ⅲ2類,隧道掘進局部存在線狀滲水。與預(yù)報結(jié)果基本吻合。

        除物理力學(xué)參數(shù)成果外,圖10所示的深度偏移剖面也是反映掌子面前方地質(zhì)情況的重要參考,圖中Z與Y分別代表隧洞垂向及橫向平距,其以地震波在介質(zhì)界面上的反射系數(shù)為評判指標(biāo),顏色越深代表反射能量越強,正反射振幅表示剛性巖層,負反射振幅表示軟弱巖層。樁號0+698~0+675洞段

        圖8 TSP物理力學(xué)參數(shù)成果

        樁號長度/m異常分析與地質(zhì)推斷0+698~0+68415 縱橫波波速、密度、各力學(xué)模量值小,泊松比局部較高,表明巖體破碎、力學(xué)性質(zhì)差,多含裂隙水0+678~0+666、0+635~0+62720 橫波波速偏低,泊松比偏高,局部力學(xué)模量指標(biāo)偏小,巖體較破碎或節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體中裂隙水含量相對較高0+660~0+6528 縱波波速偏低,巖體較破碎或節(jié)理裂隙發(fā)育

        圖9 樁號0+675左側(cè)邊墻下部涌水

        正負反射高頻率交替出現(xiàn),且反射振幅強,表明此區(qū)段巖體較破碎且含水。

        圖10 TSP縱波深度偏移剖面

        3 結(jié) 語

        TSP適用于隧道含水破碎帶探測,當(dāng)炮孔內(nèi)未注水或注水效果較差時,TSP探測會產(chǎn)生強烈聲波干擾,聲波頻率與炮孔布設(shè)洞段巖體質(zhì)量有關(guān),質(zhì)量較差巖體中采集數(shù)據(jù)易產(chǎn)生低頻聲波,較高質(zhì)量巖體更應(yīng)注重灌水效果。

        含水破碎帶在TSP成果中表現(xiàn)為波速、密度及各力學(xué)模量偏低,局部泊松比偏高,在縱波偏移剖面上表現(xiàn)為強反射振幅高頻率交替出現(xiàn)。本次TSP探測與實際開挖基本一致,在小于5 m的含水破碎區(qū)預(yù)報效果尤佳,可為掌子面大量涌水時的超前短預(yù)報提供新的思路。

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