李 夢(mèng)

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川成都 611756)

國(guó)內(nèi)西南部地區(qū)的高鐵建設(shè)往往面臨著許多隧道工程。且有許多長(zhǎng)大深隧道工程，受技術(shù)和成本的限制，地質(zhì)勘察時(shí)難以將諸如巖溶、暗河、斷層、軟弱夾層等不良地質(zhì)體的情況詳細(xì)反映出來，這常常會(huì)導(dǎo)致涌水、突泥、坍塌等不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，給人身以及施工安全造成巨大災(zāi)難。為保障長(zhǎng)大深高風(fēng)險(xiǎn)隧道的施工安全，需對(duì)其存在的不良地質(zhì)情況進(jìn)行精確及時(shí)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

在國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)大隧道的施工中，已將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)列為必不可少的技術(shù)環(huán)節(jié)。在用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方面，主要采用地質(zhì)與物探相結(jié)合的方式。地質(zhì)預(yù)報(bào)是對(duì)工作面前方地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,包括圍巖類型、類別、涌水量、突水、突泥、塌方地段的預(yù)報(bào)等[1]。超前鉆探準(zhǔn)確率雖然高,但是預(yù)報(bào)距離有限，且其成本高、周期長(zhǎng)。因此常常用于監(jiān)測(cè)中、長(zhǎng)期不良地段[2]。由于大長(zhǎng)深隧道高風(fēng)險(xiǎn)地質(zhì)問題十分復(fù)雜,地質(zhì)方法預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率很低,為了提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，必須結(jié)合物探方法進(jìn)行預(yù)報(bào)。

目前國(guó)內(nèi)外主流物探方法有TSP、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁法、紅外線測(cè)水、微分電測(cè)深、陸地聲納法等。然而隧道施工中應(yīng)用的各種超前預(yù)報(bào)方法具有一定的缺陷，單一方法預(yù)報(bào)存在各自局限性，在預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體的空間位置和規(guī)模大小上往往與實(shí)際開挖情況存在較大的偏差。其準(zhǔn)確性和可靠性還有待提高[3-4]。為了提高預(yù)報(bào)精度和效率。在宜萬鐵路榮家灣隧道工程實(shí)際探測(cè)工作中采用長(zhǎng)短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合，地震方法與電磁方法相結(jié)合，多種方法相互配合，共同解決不良地質(zhì)構(gòu)造、含水構(gòu)造等其他構(gòu)造的超前預(yù)報(bào)問題。

1 TSP法原理簡(jiǎn)介

TSP(Tunnel Seismic Prediction)法，即超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，它的基本原理基于在隧道掌子面附近邊墻一定范圍內(nèi)布置激發(fā)孔，通過在孔中人工激發(fā)地震波，所產(chǎn)生的地震波以球面波的形式在隧道圍巖中傳播，當(dāng)圍巖波阻抗發(fā)生變化時(shí)(例如遇巖溶、斷層或巖層的分界面)，一部分地震波將會(huì)被反射回來，另一部分地震波將會(huì)繼續(xù)向前傳播。反射的地震波由高精度的接收器所接收并傳遞到主機(jī)形成地震波記錄(圖1)[5-6]。

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[7]。

圖1 TSP法工作原理示意

2 地質(zhì)雷達(dá)法原理概述

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，GPR)是利用高頻電磁脈沖的反射探測(cè)地下目標(biāo)體的空間位置及分布形態(tài)的一種技術(shù)，在工作過程中，由發(fā)射天線向被檢測(cè)體內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)高頻電磁波傳至被檢測(cè)體內(nèi)兩種不同介質(zhì)的分界面時(shí)，由于兩種介質(zhì)的介電常數(shù)不同而使電磁波發(fā)生反射、折射，入射波、反射波和折射波的傳播遵循反射定律和折射定律，反射波返回被檢測(cè)體的表面，并由地質(zhì)雷達(dá)的接收天線所接收，形成雷達(dá)圖像[8]。

雷達(dá)圖像包含了被檢測(cè)體的豐富信息，根據(jù)雷達(dá)圖像特征對(duì)被檢測(cè)體(如：不密實(shí)帶、空洞、反射界面等)進(jìn)行定性判釋，再根據(jù)式(1)可對(duì)被檢測(cè)體的異常部位作定量解釋。

h=v·t2

v=cεr

h=c·t2·εr

(1)

式中：v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度；t為電磁波從檢測(cè)體表面?zhèn)鞑ブ翙z測(cè)體中異常部位(或不同介質(zhì)分界面)后反射回表面的雙程時(shí)間；c為電磁波在空氣中的傳播速度；h為異常體(或不同介質(zhì)分界面)深度；εr為材料的相對(duì)介電常數(shù)[9]。

3 工程概況

榮家灣隧道平導(dǎo)起訖里程為PDK621+600～PDK626+105，全長(zhǎng)4 505 m。隧址區(qū)屬溶蝕中低山、地勢(shì)陡峻，河谷深切，碳酸鹽巖分布廣泛，巖溶槽谷地貌區(qū)，丘脊槽谷相間出現(xiàn)。隧道位于橫石溪背斜北翼，受小構(gòu)造影響，巖層產(chǎn)狀差異大，巖體較破碎。

隧道主要穿越地層為三疊系中統(tǒng)巴東組二段(T2b2)泥巖夾砂巖、巴東組一段(T2b1)泥質(zhì)灰?guī)r、三疊系下統(tǒng)嘉陵江組三段(T1j3)灰?guī)r。PDK621+618～PDK627+475段地下水以巖溶水為主，隧道位于巖溶水垂直滲流帶與季節(jié)交替帶，地下水發(fā)育，不良地質(zhì)主要為巖溶、順層及順層偏壓、危巖落石及松軟土。

3.1 TSP現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)成果

TSP203 Plus儀器主要由三分量檢波器、記錄單元及起爆裝置組成。三分量檢波器用來接收地震波信號(hào)；記錄單元將接收到的地震波信號(hào)進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄，同時(shí)還進(jìn)行測(cè)量過程控制；起爆裝置則用于引爆電雷管和炸藥,人工激發(fā)地震波。

在榮家灣隧道進(jìn)口平導(dǎo)PDK622+775.3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，左右邊墻孔深均約為1.8 m，左右邊墻孔高均約為2.0 m；在PDK622+799.5～PDK622+830.4段的右邊墻，按約1.3 m的間距布置24個(gè)激發(fā)孔分別激發(fā)地震波，孔徑均為45 mm，每個(gè)激發(fā)孔孔深為1.2～1.5 m不等，每個(gè)激發(fā)孔向下傾斜0～4°不等；1～12號(hào)激發(fā)孔裝填的藥量均約為200 g，13～24號(hào)激發(fā)孔裝填的藥量均約為100 g；所有地震波激發(fā)孔與接收孔基本位于同一水平面上。所采集TSP數(shù)據(jù)經(jīng)過TSPwin軟件處理后得到反射層位及物理力學(xué)參數(shù)圖(圖2)。本次預(yù)報(bào)時(shí)掌子面里程為：PDK622+841，預(yù)報(bào)里程范圍為PDK622+841～PDK622+959段(即掌子面前方118 m)。結(jié)合掌子面開挖地質(zhì)資料，對(duì)圖2進(jìn)行解譯，解譯結(jié)論(超前地質(zhì)預(yù)報(bào)解釋成果表)如表1所示。

表1 TSP 預(yù)報(bào)成果

圖2 TSP反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果

TSP整個(gè)預(yù)報(bào)里程段隧道穿越地層巖性主要為灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，受溶蝕作用和地層巖性構(gòu)造影響，圍巖較破碎～破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育～發(fā)育，局部地段巖溶中等～強(qiáng)烈發(fā)育，存在灰?guī)r與泥質(zhì)灰?guī)r的不同巖性互層和夾黃泥等現(xiàn)象，局部地段含水(推測(cè)呈滲水狀～股狀)，推測(cè)PDK622+929～PDK622+959段圍巖存在泥質(zhì)半充填型溶洞等巖溶現(xiàn)象。

施工中可產(chǎn)生掉塊、塌方、突水、突泥等工程地質(zhì)災(zāi)害。施工過按設(shè)計(jì)要求務(wù)必采用超前鉆孔和加深炮孔對(duì)掌子面前方圍巖破碎情況、巖溶發(fā)育情況及地下水含量作進(jìn)一步的探測(cè)，同時(shí)應(yīng)短進(jìn)尺、多循環(huán)、弱爆破、及時(shí)施作初期支護(hù)，防止掉塊、塌方、突水、突泥等工程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，確保隧道工程及施工安全。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

地質(zhì)雷達(dá)法作為短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，對(duì)隧道開挖實(shí)行跟蹤預(yù)報(bào)，它利用電磁波雙程走時(shí)的長(zhǎng)短差別來確定前方地質(zhì)體的形態(tài)和屬性，是一種應(yīng)用電磁波的探測(cè)技術(shù)(圖3)。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)測(cè)線布置示意

通過分析TSP203采集數(shù)據(jù)結(jié)果，推測(cè)PDK622+929～PDK622+959段圍巖存在泥質(zhì)半充填型溶腔、溶蝕裂隙等巖溶現(xiàn)象。為進(jìn)一步驗(yàn)證，采用SIR-4000型地質(zhì)雷達(dá)，在榮家灣隧道進(jìn)口平導(dǎo)PDK622+915的開挖面上水平布置兩條測(cè)線，探測(cè)側(cè)線布置圖如圖3所示，測(cè)線長(zhǎng)度均為8.0 m，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)。本次預(yù)報(bào)時(shí)掌子面里程為PDK622+915,預(yù)報(bào)里程范圍為PDK622+915～PDK622+945段(即掌子面前方30 m)。所采集的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后得到地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖(圖4)。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)解釋成果

破碎帶的預(yù)報(bào)：通過分析地質(zhì)雷達(dá)深度剖面圖，掌子面前方0～3 m、9～15 m深度范圍內(nèi)(對(duì)應(yīng)里程分別為PDK622+915～PDK622+918和PDK622+924～PDK622+930段)電磁波反射波相對(duì)正常，同相軸連續(xù)性略有斷續(xù)，結(jié)合掌子面地質(zhì)情況、TSP資料、設(shè)計(jì)資料綜合分析得樁號(hào)PDK622+915～PDK622+918和PDK622+924～PDK622+930段圍巖破碎，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在不同巖性的互層和夾泥等現(xiàn)象，推斷該兩段范圍內(nèi)分別存在破碎帶。施工時(shí)對(duì)該段圍巖注意及時(shí)支護(hù)，防止掉塊、塌方。

巖溶的預(yù)報(bào)：同樣通過分析地質(zhì)雷達(dá)深度剖面圖，掌子面前方3～9 m、15～30 m深度范圍內(nèi)(對(duì)應(yīng)里程為PDK622+918～PDK622+924和PDK622+930～PDK622+945段)電磁波反射信號(hào)較凌亂，波形有畸變，同相軸連續(xù)性較差，振幅較強(qiáng)。經(jīng)綜合分析推斷樁號(hào)PDK622+918～PDK622+924和PDK622+930～PDK622+945段段圍巖破碎，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶中等～強(qiáng)烈發(fā)育，存在不同巖性的互層和夾泥等現(xiàn)象，局部含水(推測(cè)呈滲水狀～滴水狀)，推測(cè)PDK622+918～PDK622+924段隧道右部圍巖存在泥夾碎石半充填型溶洞、PDK622+930～PDK622+945段隧道右部與中部圍巖存在泥夾碎石半充填型溶洞。受其影響，PDK622+918～PDK622+924和PDK622+930～PDK622+945段段圍巖自穩(wěn)能力較差。施工時(shí)對(duì)PDK622+918～PDK622+924段圍巖注意及時(shí)支護(hù)，防止掉塊、塌方、突泥，雨季注意水量變化。

地質(zhì)雷達(dá)整個(gè)預(yù)報(bào)里程段隧道穿越地層巖性主要為灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，受溶蝕作用和地層巖性構(gòu)造影響，圍巖較破碎，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖溶中等～強(qiáng)烈發(fā)育，存在不同巖性的互層和夾泥等現(xiàn)象，局部地段含水(推測(cè)呈滲水狀～滴水狀),推測(cè)PDK622+918～PDK622+924段隧道右部、PDK622+930～PDK622+945段隧道右部與中部圍巖存在泥夾碎石半充填型溶洞。施工中可產(chǎn)生掉塊、塌方、突泥等工程地質(zhì)災(zāi)害。施工過程中對(duì)PDK622+915～PDK622+945段圍巖按照設(shè)計(jì)要求采用超前鉆孔和加深炮孔對(duì)掌子面前方圍巖破碎情況、巖溶發(fā)育情況及含水量作進(jìn)一步的探測(cè)，同時(shí)應(yīng)短進(jìn)尺、多循環(huán)、弱爆破、及時(shí)施作初期支護(hù)，防止掉塊、塌方、突泥等工程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，確保隧道工程及施工安全。

3.3 實(shí)際開挖結(jié)果

通過上述兩種方法相結(jié)合對(duì)榮家灣隧道PDK622+841～PDK622+959范圍內(nèi)展開的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確的該范圍內(nèi)的破碎帶。切在榮家灣隧道進(jìn)口平導(dǎo)施工至PDK622+931時(shí),于掌子面右側(cè)揭示一溶洞(圖5)。溶洞內(nèi)無水，長(zhǎng)度約40 m，寬度2～3 m不等，高度5～30 m不等，洞壁鐘乳石發(fā)育，洞壁及洞底充填硬塑狀黃色黏土，掌子面與溶縫內(nèi)暫時(shí)穩(wěn)定。開挖結(jié)果與預(yù)報(bào)結(jié)果較為吻合，但是在精確度上還有待提高，且在預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體的具體里程和規(guī)模上和實(shí)際開挖還存在一定差異。

圖5 溶洞照片

4 結(jié)論

榮家灣隧道巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，施工時(shí)遇巖溶大廳及溶腔的可能性大，突水涌水風(fēng)險(xiǎn)高。對(duì)于類似大長(zhǎng)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。對(duì)掌子面前方的不良地質(zhì)體進(jìn)行精確預(yù)報(bào)是非常必要的。

盡管TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)能在長(zhǎng)距離地質(zhì)預(yù)報(bào)中預(yù)報(bào)出掌子面前方的圍巖類別、斷層、破碎帶、巖溶等不良地質(zhì)體。但是其預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度和精度還有待提高。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在預(yù)報(bào)與水和空洞有關(guān)的不良地質(zhì)情況時(shí)較敏感，正好填補(bǔ)了TSP預(yù)報(bào)系統(tǒng)的不足。采用TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)和地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合長(zhǎng)、短距離預(yù)報(bào)相互印證，可提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度和效率，有效的保障隧道施工安全。建議在類似的隧道施工中結(jié)合TSP預(yù)報(bào)系統(tǒng)和地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，或在此基礎(chǔ)上加入其它超前預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)。