劉 博

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

隧道超前預(yù)報(bào)對(duì)于安全科學(xué)施工、提高施工效率、縮短施工周期、避免事故損失、節(jié)約投資等具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。煤窯采空區(qū)是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法主要有以下幾種：傳統(tǒng)地質(zhì)分析法、超前導(dǎo)坑預(yù)測(cè)法、超前水平鉆孔法以及特殊災(zāi)害地質(zhì)所采用的相關(guān)預(yù)測(cè)方法。這些方法工期長(zhǎng)、費(fèi)用高，應(yīng)用受到較大限制。近年來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在一些長(zhǎng)大深埋隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，物探方法得以推廣應(yīng)用，已成為不可或缺的核心手段。目前利用物探進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法較多，有地質(zhì)雷達(dá)法、瑞雷面波法、聲波法、TSP法等。本文以TSP法和地質(zhì)雷達(dá)法為主要手段，結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)，介紹了一種綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，通過(guò)實(shí)例論證了該方法的有效性。

1 隧道工程地質(zhì)概況與物探條件

工作隧道為單洞雙線隧道，全長(zhǎng)3 145 m，隧道為單面坡，最大埋深為233 m，為一低瓦斯-巖溶-采空區(qū)長(zhǎng)隧道。

該段隧道穿越地層主要為含煤地層須家河組，其二段、四段巖性為長(zhǎng)石砂巖、石英砂巖，灰白、棕黃色，中厚～厚層狀構(gòu)造，中粒結(jié)構(gòu)，節(jié)理較發(fā)育，局部可能產(chǎn)生掉塊。一段、二段巖性為泥巖夾砂巖、煤層(線)，深灰～灰黑色，薄～中厚層狀構(gòu)造，巖體質(zhì)軟，開(kāi)挖后易風(fēng)化，遇水軟化，自穩(wěn)能力差。其中，隧道于DK841+985～DK842+033段下穿某煤窯采空區(qū)。預(yù)報(bào)里程段的圍巖巖性見(jiàn)表1。

表1 預(yù)報(bào)里程段圍巖巖性

該段隧道在開(kāi)挖過(guò)程中，砂巖段圍巖較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部炭質(zhì)頁(yè)巖、砂質(zhì)頁(yè)巖及頁(yè)巖夾煤段圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，并伴有煤窯采空區(qū)的出現(xiàn)。且隧道圍巖巖層走向與隧道軸線相交角度較大，故該段圍巖具備采用TSP法和地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的物探地質(zhì)條件。

2 野外工作和數(shù)據(jù)處理

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)布置

TSP法：在隧道DK841+889的左邊墻和右邊墻位置分別布置一個(gè)地震波信息接收孔，孔徑均為50 mm，孔深均約2.0 m,孔高均約1.5 m；在DK841+906～+933段的左邊墻，按約1.2 m的間距布置24個(gè)激發(fā)孔分別激發(fā)地震波，孔徑約45 mm，孔深約1.5 m，每個(gè)激發(fā)孔向下傾斜約10°；每個(gè)激發(fā)孔裝填的藥量約為67 g；所有激發(fā)孔與接收孔基本位于同一水平面上。

本次TSP法預(yù)報(bào)時(shí)掌子面里程為：DK841+938，預(yù)報(bào)里程范圍為DK841+938～DK842+048段(即掌子面前方110 m)。

地質(zhì)雷達(dá)法：分別在隧道DK841+964和DK841+985的開(kāi)挖面上水平布置兩條測(cè)線。采用100 MHz天線對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)。兩次預(yù)報(bào)里程范圍分別為DK841+964～DK841+994段和DK841+985～DK842+015段。

2.2 數(shù)據(jù)處理

TSP法數(shù)據(jù)處理處理流程為：數(shù)據(jù)設(shè)置→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→反射層提取等。

對(duì)TSP203 Plus儀器采集的數(shù)據(jù)利用TSPwin軟件進(jìn)行處理，可以獲得隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、巖石的反射層位、物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等中間成果資料，同時(shí)還可得到反射層的二維和三維空間分布。根據(jù)上述資料預(yù)報(bào)隧道掌子面前方的地質(zhì)情況，如溶洞、采空區(qū)、軟弱夾層、節(jié)理裂隙及富水體等不良地質(zhì)體。

地質(zhì)雷達(dá)法：采用“RADAN FOR WINDOWS NT”軟件包對(duì)地質(zhì)雷達(dá)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其處理流程為：數(shù)據(jù)傳輸→文件編輯→水平均衡→數(shù)字濾波→零點(diǎn)歸位→偏移處理→能量均衡→時(shí)深轉(zhuǎn)換→文件注釋→輸出雷達(dá)深度剖面圖。將雷達(dá)深度剖面圖作為資料解釋的基本圖件，根據(jù)雷達(dá)深度剖面圖上的反射波組、強(qiáng)能量團(tuán)塊分布和曲線等特征對(duì)資料進(jìn)行判釋。

3 資料分析與解譯

TSP法原始資料經(jīng)過(guò)一系列步驟處理后，得到TSP法反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果圖和TSP法偏移成像圖，分別如圖1和圖2所示。

圖1 TSP法反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果圖

針對(duì)隧道DK841+946～DK842+000段，由圖1可以看出：反射界面較多且動(dòng)態(tài)楊氏模量和泊松比變化頻繁，說(shuō)明該段圍巖破碎；動(dòng)態(tài)楊氏模量值在17～22之間，說(shuō)明該段圍巖巖質(zhì)較軟；尤其是DK841+962～DK842+000段，Vp/Vs和泊松比變大，也說(shuō)明DK841+962～DK842+000段圍巖變破碎或有水。由圖2可以看出：S波反射能量較弱，P波反射能量較強(qiáng)，說(shuō)明該段圍巖裂隙發(fā)育。

圖2 TSP法偏移成像圖

圖3給出了掌子面地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖像示意。由圖3(a)可知，DK841+970～DK841+994段圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在不同巖性的互層和軟弱夾層，推測(cè)該段圍巖存在煤層和煤窯采空區(qū)。由圖3(b)可知，DK841+990～DK842+005段圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在不同巖性的互層和軟弱夾層，推測(cè)該段圍巖存在煤層和煤窯采空區(qū)。

圖3 掌子面地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖像示意

結(jié)合TSP資料、地質(zhì)雷達(dá)資料、超前鉆探資料及設(shè)計(jì)資料綜合分析得出：DK841+970～DK842+005段圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在不同巖性的互層和軟弱夾層，該段圍巖存在煤層和煤窯采空區(qū)。安全起見(jiàn)，提請(qǐng)施工時(shí)DK841+970～DK842+005段務(wù)必采用超前鉆孔(必要時(shí)采用取芯超前鉆孔)和加深炮孔對(duì)掌子面前方采空區(qū)、煤層厚度、圍巖破碎情況、瓦斯含量及含水量進(jìn)行核實(shí)，以防范其安全風(fēng)險(xiǎn)，并注意及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，防止坍塌，確保隧道工程及施工安全。

4 開(kāi)挖驗(yàn)證

根據(jù)隧道后續(xù)開(kāi)挖結(jié)果顯示，如圖4所示：(1)DK841+990處發(fā)現(xiàn)一較大煤窯采空區(qū)，破碎炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤及少量泥質(zhì)充填，潮濕，充填物破碎，自穩(wěn)能力極差，易發(fā)生坍塌；(2)DK841+994處發(fā)現(xiàn)一煤窯采空區(qū)，破碎炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤充填，潮濕，充填物破碎，自穩(wěn)能力差，易發(fā)生坍塌；(3)DK841+997處發(fā)現(xiàn)有頁(yè)巖夾煤軟弱夾層，有滴水，圍巖破碎，自穩(wěn)能力差，易發(fā)生坍塌。

圖4 隧道開(kāi)挖過(guò)程中煤窯采空區(qū)和破碎頁(yè)巖夾煤圖片

5 結(jié)論

(1)TSP資料和地質(zhì)雷達(dá)資料對(duì)掌子面前方的不良地質(zhì)體都有較明顯的物探異常，說(shuō)明TSP 法和地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)預(yù)測(cè)煤窯采空區(qū)、煤層、軟弱夾層及節(jié)理裂隙密集帶有較好的應(yīng)用效果。

(2)根據(jù)隧道后續(xù)開(kāi)挖結(jié)果顯示，以超前鉆探法、TSP法和地質(zhì)雷達(dá)法為主的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的預(yù)報(bào)效果顯著，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)掌子面前方采空區(qū)、軟弱夾層、節(jié)理裂隙及富水體等不良地質(zhì)體。建議在進(jìn)行隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作時(shí)，采用綜合預(yù)報(bào)，從而進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。