顏英軍,李鈺強,王海濤

(中國電建集團 西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 引 言

地下工程地質(zhì)情況往往具有復(fù)雜多變性，導(dǎo)致在隧道施工中經(jīng)常會遇到地質(zhì)條件與勘察設(shè)計不符、圍巖條件變化較大以及出現(xiàn)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害等情況[1-3]，地質(zhì)超前預(yù)報能夠?qū)Φ叵露词仪胺絿鷰r的不良地質(zhì)情況進行及時預(yù)測，以達到提前預(yù)防、及時發(fā)現(xiàn)、及時處理、降低工程風(fēng)險之目的[4,5]。目前通用的地質(zhì)超前預(yù)報方法除采用常規(guī)的工程地質(zhì)推斷之外,主要依據(jù)定量化程度高的地球物理技術(shù)[6-9]，而反射地震是當(dāng)前地質(zhì)超前預(yù)報中最常用的方法。為了有效地使用反射地震信號預(yù)報隧道掌子面前方的地質(zhì)情況，在觀測方式和處理方法方面形成了幾種不同的專門技術(shù)，其中包括負視速度法、水平剖面法(HSP)、TSP、TGP、TRT、TST等預(yù)報技術(shù)[9-12]，這些技術(shù)均屬反射地震預(yù)報技術(shù)，具有不同的研究成果和技術(shù)特點，得到了廣泛的應(yīng)用。TGS360Pro作為從俄羅斯新引進的超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，本次測試過程中，針對同一掌子面同時應(yīng)用TGS360Pro和TRT7000兩種預(yù)報系統(tǒng)進行測試、對比分析[13,14]，并在實際開挖過程中實時跟蹤圍巖開挖情況。

2 TGS360Pro與TRT7000測試技術(shù)對比

2.1 TGS360Pro

2.1.1 工作原理

“TGS360Pro”地震波超前預(yù)報方法3D-3C 是基于不同極化反射地震波來記錄的。記錄系統(tǒng)預(yù)設(shè)了三組分(3C)檢波器的可選分配(圖1)，將它們分布在隧道壁等位置(一共3～10個檢波器)。震源可選擇大錘，液壓錘和炸藥。錘擊震源在合適的地質(zhì)條件下能夠達到150 m的探測范圍，炸藥震源可達幾百米。

圖1 反射波探測原理

該技術(shù)的理念是專注于航空無線電定位3C檢波器的工作原理提出一個定向覆蓋錐形雷達(錐角為45°)(圖2)。根據(jù)每個檢波器遷移映射的結(jié)果，所有覆蓋錐還原成一個在面部的中心點。在多個震源位置(連續(xù))激發(fā)情況下，完整波場矢量分量記錄在現(xiàn)場處理系統(tǒng)，確保在任何方向(前面，后面，兩邊)均能收到巖體可靠而穩(wěn)定的總結(jié)性參數(shù)化三維圖像。該參數(shù)圖像可以可靠地識別巖體分離元素(巖體材料損壞的垂直區(qū)對應(yīng)于不同的地球動力學(xué)狀態(tài))，通過處理得到的圖像可以判別涌水，冒頂和含水區(qū)域及破碎帶等隧道前方危險情況。

圖2 TGS360Pro探測原理

2.1.2 工作方法

TGS360Pro傳感器采用兩種布置方式：(a)掌子面正面布置；(b)左右邊墻布置(圖3)。本次測試過程中采用第一種布置方式。

圖3 TGS360Pro傳感器布置

傳感器的安裝：①第一種布置方式的安裝方法，傳感器上下兩行各4個，盡可能地保持平行，傳感器間隔2±0.5 m，第一行距離地面0.5 m左右；②第二種布置方式安裝方法，傳感器安裝左右邊墻并保持平行關(guān)系，間隔2±0.5 m，距離地面1 m左右；③鉆孔要求：直徑50 mm，深度400 mm。

2.2 TRT7000

2.2.1 工作原理

TRT7000是隧道地震波反射層析成像技術(shù)[15,16]的簡稱，該技術(shù)的基本原理在于當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異(密度和波速的乘積)界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質(zhì)。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，通過分析，被用來了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)，位置及規(guī)模[17-22]。正常入射到邊界的反射系數(shù)計算公式如下：

(1)

式(1)假設(shè)R為反射系數(shù)(無量綱);ρ1、ρ2為巖層的密度(g/cm3);V為地震波在巖層中的傳播速度(cm/s)。地震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到一個高阻抗物質(zhì)時，反射系數(shù)是正；反之，反射系數(shù)為負。因此，當(dāng)?shù)卣鸩◤能泿r傳播到硬圍巖時，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源一致。當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時，回波的極性會反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學(xué)阻抗差別越大，回波就越明顯，越容易探測到。

2.2.2 工作方法

TRT7000的震源和檢波器采用分布式立體布置方式，具體方法見圖4。儀器的工作過程為: 在震源點上錘擊，在錘擊巖體產(chǎn)生地震波的同時,觸發(fā)器產(chǎn)生一個觸發(fā)信號給基站,然后基站給無線遠程模塊下達采集地震波指令,并把遠程模塊傳回的地震波數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦，完成地震波數(shù)據(jù)采集。儀器連接見圖5。

圖4 震源和檢波器的布置方法

圖5 TRT7000地震波采集系統(tǒng)模型

2.3 測試方法及成果輸出對比

在現(xiàn)場測試及成果展示的基礎(chǔ)上對兩種儀器進行對比，包括檢波器布置方式、準備工作、傳感器安裝和坐標測量、震源、數(shù)據(jù)采集、儀器收裝、數(shù)據(jù)分析、成果展示等方面(表1)。

表1 TGS360Pro與TRT7000對比

從表1可以看出，TGS360Pro與TRT7000兩者的共同點在于：

1)震源：均可采用錘擊的方式，對巖體損傷小。

2)數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集結(jié)果實時顯示，如果采集過程中有外界較大噪音影響時，則可不予記錄，通過增加有效錘擊次數(shù)可以完成。

3)在成果顯示方面均可以實現(xiàn)三維成果圖，清晰和直觀地反映地質(zhì)異常體位置、規(guī)模、特征，易識別、解釋。

4)測試過程中均需要施工單位進行配合做一些輔助工作。

不同點在于：

1)檢波器布置方式：TGS360Pro可在隧道掌子面布置或者兩壁邊墻布置，共計8個檢波器，自帶耦合裝置，TRT7000則是在距掌子面20 m以外的拱頂、拱腰、邊墻交叉梅花型布置，共計10個檢波器。

2)準備工作：需在掌子面鉆8個孔徑50 mm、深40 mm檢波器安裝孔，TRT7000則在拱頂和拱腰共布設(shè)檢波器時需借助臺車或大型機械配合安裝。

3)傳感器坐標測量：是采用鋼卷尺測量傳感器相對坐標信息，TRT7000則需采用全站儀測量傳感器、震源、掌子面中心點位置共計23個測點的絕對大地坐標。

4)儀器收裝：是將8個傳感器直接從工作孔內(nèi)拔出用抹布擦拭裝箱即可，即插即拔，TRT7000這是通過臺車或裝載機配合操作人員將拱頂和拱腰的無線模塊、傳感器和固定塊拆除，專業(yè)清理工具清理后裝箱。

5)數(shù)據(jù)分析：是依托兩項美國發(fā)明專利研發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件，自動運行和分析數(shù)據(jù)，人為干擾少，操作簡單，智能化程度高，TRT7000則是在36次有效震源下的10個傳感器采集到的360條數(shù)據(jù)首波的定位，多次輸入傳感器、震源點、掌子面等坐標值以及其他信息，在excel表格和軟件中來回調(diào)用數(shù)據(jù)。

6)成果顯示：成果圖顯示了富水區(qū)位置、楊氏模量、泊松比、地震波速、溶洞位置、圍巖應(yīng)力狀態(tài)分布等，成果較豐富；TRT7000成果以3D顯示聲學(xué)阻抗差異顏色區(qū)別圖，采用掃描圖像處理方式，繪制三維視圖，以及圍巖波速信息。

3 預(yù)報與實際開挖對比

3.1 工程概況

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站上下庫連接路2#隧道穿越地層為震旦系條紋條痕大理巖，薄層狀結(jié)構(gòu)。巖層走向為NE24°～30°，傾向SE，傾角5°～20°。巖體基本無強風(fēng)化，弱卸荷水平深度一般8～10 m，弱風(fēng)化下限水平深度20～45 m。地下水不豐富，局部溶洞、溶蝕裂隙較發(fā)育，對隧道圍巖穩(wěn)定不利。在開挖至樁號0+965時，針對同一掌子面采用TRT7000和TGS360Pro兩種超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)進行了預(yù)報。

3.2 預(yù)報成果

預(yù)報成果見圖6～圖10。

圖6 TGS360Pro三維成像

圖7 應(yīng)力梯度

圖8 含水概率

圖9 P波波速

圖10 危險性等級

預(yù)報結(jié)論如下：

1)K0+965～K0+921段：圍巖總體穩(wěn)定性一般。在K0+936～926段局部可能存在較破碎區(qū)域或溶隙發(fā)育區(qū)，此區(qū)域較掌子面潮濕局部可能含水，危險等級Ⅳ級。

2)K0+921～K0+896段：圍巖總體穩(wěn)定性一般。在K0+911～901段可能存在破碎帶或斷層，危險等級Ⅳ-Ⅴ級。

3)K0+896～K0+851段：圍巖總體穩(wěn)定性一般。在K0+895～885段應(yīng)力云圖有很強差異，波速變化大，此區(qū)域可能存在溶孔或溶縫，含水可能性較大，危險等級Ⅴ級。

4)K0+851～K0+815段：圍巖總體穩(wěn)定性一般。在K0+846～836段應(yīng)力云圖有很強差異，可能存在破碎帶或裂隙發(fā)育帶，危險等級Ⅳ級。

3.3 TRT7000預(yù)報成果

TRT7000預(yù)報成果見圖11。

圖11 三維成像圖-俯視圖

預(yù)報結(jié)論如下：

1)K0+965～K0+945段：未見明顯異常，P波波速為4 800 m/s，圍巖與掌子面類似，圍巖參考等級為III級。

2)K0+945～K0+905段：裂隙較發(fā)育，局部裂隙水呈滲出狀，開挖支護不及時，局部易產(chǎn)生掉塊、塌方，圍巖平均波速為4 600 m/s，圍巖以III級為主，局部IV級。

3)K0+905～K0+885段：未見明顯異常，圍巖完整性較好，圍巖平均波速為4 800 m/s，圍巖參考等級為III級。

4)K0+885 m～K0+855段：隧道右側(cè)存在較強反射，左側(cè)反射不明顯，顯示隧道左右兩側(cè)巖體不連續(xù)，巖體完整性較差，開挖支護不及時，局部易產(chǎn)生掉塊、塌方，巖體P波平均波速為4 500 m/s。圍巖以III級為主。

5)K0+855～K0+815 m段：未見明顯異常，巖體完整較好，巖體平均波速為5 800 m/s。圍巖參考等級為III級。

3.4 開挖情況

K0+965～K0+815段：巖性為條紋條痕大理巖，灰白色，微風(fēng)化。巖層產(chǎn)狀NE50°～55°SE∠15°～25°，巖層傾角較緩，整體穩(wěn)定性一般。洞內(nèi)較干燥，局部洞段(K0+925～K0+932)存在滲水—串珠狀滴水現(xiàn)象，主要在左拱頂部位。圍巖類別以Ⅲ級為主，K0+910～K0+900段由于溶蝕裂隙發(fā)育導(dǎo)致洞室整體穩(wěn)定性較差，為Ⅳ級。

3.5 預(yù)報成果與開挖驗證對比

TRT7000和預(yù)報結(jié)論與實際開挖驗證情況對比見圖12。從圖12中可以看出：

圖12 TGS360Pro與TRT7000預(yù)報結(jié)論實際開挖對比

1)在洞室同一掌子面部位同時預(yù)報樁號K0+965～K0+905區(qū)段，兩種儀器針對洞室存在的滲水現(xiàn)象、溶隙破碎帶均有相應(yīng)的預(yù)報；

2)TRT7000預(yù)測的圍巖級別與實際開挖情況相符，以Ⅲ級為主，局部為Ⅳ級。但預(yù)報的滲水洞段和溶隙發(fā)育破碎帶洞段較籠統(tǒng)，不夠具體。

3)預(yù)報的滲水洞段和溶隙破碎帶洞段更為具體，在前70 m范圍也與實際開挖情況相符。但在預(yù)報的70 m以后的問題洞段(K0+895～K0+885、K0+846～K0+836)在開挖過程中未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

4 結(jié) 論

通過對和TRT7000兩種超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報成果和開挖驗證對比表明：

1)兩者均能探測得到隧洞開挖過程中的地質(zhì)異常(如斷層破碎帶、滲水、溶蝕裂隙等)，預(yù)報結(jié)果與實際開挖也基本相符，均可在隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作中應(yīng)用；

2)本次預(yù)報中預(yù)報的地質(zhì)異常(如滲水和溶隙發(fā)育破碎帶洞段)較TRT7000更為具體，在前70 m也更準確，與實際開挖吻合度高。本文的測試對比可為其他隧道工程提供一定的參考。