菅永明

(貴州紫望高速公路建設(shè)有限公司，貴州 安順 560800)

近年來，我國(guó)交通事業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，隧道工程數(shù)量越來越多，施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn)越來越高，各種施工事故不斷出現(xiàn)[1]。巖溶隧道施工中的涌水、涌泥、坍塌等施工風(fēng)險(xiǎn)則更為突出，對(duì)施工人員及設(shè)備安全產(chǎn)生巨大威脅。為有效減少隧道施工中的地質(zhì)災(zāi)害，在長(zhǎng)大風(fēng)險(xiǎn)隧道施工中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道施工中必不可少的環(huán)節(jié)，有效促進(jìn)了隧道信息化施工、災(zāi)害防治和安全保障工作[2]。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就是采用地質(zhì)及物探方法對(duì)隧道開挖面前方的巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育情況、溶洞及其充填、斷層破碎帶及其富水性隧道等不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報(bào)，提示技術(shù)人員采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)技術(shù)措施，避免隧道涌水、涌泥、圍巖大變形及坍塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

目前國(guó)內(nèi)外用于隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的主要物探方法有TSP法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)、電測(cè)法、陸地聲納法等[3]。由于物探方法自身的特點(diǎn)與不足，在隧道施工中采用單一方法預(yù)報(bào)存在各自局限性，在預(yù)報(bào)不良地質(zhì)體的存在與否、空間位置和規(guī)模大小等方面往往與實(shí)際開挖情況存在較大的偏差，要提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和可靠性，就必須采用多種方法進(jìn)行相互補(bǔ)充和相互印證[4-5]。

1 TSP法原理

TSP (Tunnel Seismic Prediction) 法，即隧道地震波預(yù)報(bào)法，其基本原理是在隧道開挖面后方邊墻一定范圍設(shè)置一定數(shù)量的激發(fā)孔，通過引爆孔內(nèi)炸藥激發(fā)地震波，所激發(fā)的地震波以球面波的形式向隧道圍巖中傳播，當(dāng)圍巖的波阻抗發(fā)生變化時(shí)(如裂隙、巖溶、斷層或巖層的分界面)，一部分地震波透射邊界繼續(xù)向前傳播，另一部分將會(huì)被反射回來[6]，反射回來的地震波由高精度的三分量傳感器接收并傳遞到主機(jī)形成地震波記錄。由專門的軟件TSPwin對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，得到隧道開挖面前方P波、SH波和SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、巖石的反射層位和物理力學(xué)參數(shù)等中間成果資料[7]，依據(jù)這些資料來判釋開挖面前方地層中是否存在異常地質(zhì)體。

2 TEM法原理

TEM法(Transient Electromagnetic Method)，即瞬變電磁法，是利用不接地回線向巖體中發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，一次電場(chǎng)衰減使地質(zhì)體中產(chǎn)生渦流，用接收線圈感應(yīng)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的渦流衰減產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布，從而來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時(shí)間域電磁法[8]。

瞬變電磁法的解譯成果是被探測(cè)巖體中視電阻率等值線圖。根據(jù)視電阻率等值線特征、視電阻率值的大小和坐標(biāo)來判斷不良地質(zhì)體的形態(tài)及位置。圍巖中地下水越發(fā)育，巖體的視電阻率越??；反之若圍巖中地下水越不發(fā)育、越干燥，巖體的視電阻率越大。

3 工程概況

貴州紫望高速紫云隧道位于安順市紫云縣松山鎮(zhèn)、水塘鎮(zhèn)、火花鄉(xiāng)，為分離式隧道。隧道左線全長(zhǎng)2 159 m，最大埋深約262.1 m；右線全長(zhǎng)2 120 m，隧道最大埋深約255.2 m。紫云隧道區(qū)屬溶蝕峰林谷地及低中山地貌，山體自然坡度30～65°，植被較發(fā)育。隧道工程區(qū)灰?guī)r發(fā)育。

隧道穿越主要地層為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、砂巖夾灰?guī)r、砂巖、泥質(zhì)砂巖等，巖溶較發(fā)育。隧道線路出口右側(cè)發(fā)育有巖溶洼地，最低處有落水洞一處。為了盡可能降低紫云隧道施工中的涌水、涌泥及塌方等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，須進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以便技術(shù)人員及時(shí)采取合理的技術(shù)應(yīng)對(duì)措施。在隧道施工中，主要采取TSP和瞬變電磁法結(jié)合方法對(duì)隧道開挖面前方富水不良地質(zhì)體進(jìn)行探測(cè)。

4 TSP法實(shí)施

4.1 實(shí)施過程

TSP法探測(cè)采用TSP203 Plus，其主要組成包括三分量檢波器、記錄單元及起爆裝置等，目前在我國(guó)廣泛應(yīng)用。采用檢波器接收地震波信號(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；起爆裝置用于引爆孔內(nèi)炸藥，實(shí)現(xiàn)人工激發(fā)地震波。

TSP法實(shí)施之前，在隧道右側(cè)壁上打設(shè)24個(gè)炮孔，鉆孔向下傾斜約15°，孔深1.5 m，孔徑42 mm，間距1.5 m?？卓诰嗟装甯叨燃s1 m，靠近開挖面的1號(hào)孔距開挖面距離為2.3 m。傳感器鉆孔布置在與炮孔同側(cè)隧道壁同高度的延長(zhǎng)線上，距離最外一個(gè)震源炮孔18.5 m。傳感器鉆孔傾角與爆源孔相同，孔深2.0 m，直徑50 mm。炸藥為巖石乳化防水炸藥，每孔用量150 g，雷管為瞬發(fā)電雷管。為了保證炸藥在爆炸時(shí)產(chǎn)生的地震波能量能夠盡可能地向地層中傳播，在各鉆孔內(nèi)炸藥起爆之前孔內(nèi)充滿水作為耦合劑。

4.2 預(yù)報(bào)成果

以紫云隧道右洞開挖面YK8+396～YK8+506段的地質(zhì)預(yù)報(bào)為例說明TSP的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)成果。對(duì)所采集的TSP地震波數(shù)據(jù)采用TSPWin軟件分析后得到開挖面前方圍巖的物理力學(xué)參數(shù)及反射層，如圖1所示。

隧道開挖揭示YK8+396開挖面巖性主要為灰中-薄層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，有裂隙水滲出。結(jié)合開挖面圍巖特征和圖1成果圖對(duì)此段落圍巖地質(zhì)情況預(yù)報(bào)如下：

圖1 TSP反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果

(1) 開挖面YK8+396～YK8+430長(zhǎng)度34 m范圍內(nèi)，圍巖的波速、密度和動(dòng)靜楊氏模量等物理力學(xué)參數(shù)的變化量均很小，可以認(rèn)為此段范圍內(nèi)的圍巖工程力學(xué)特性沒有明顯變化。推斷此段圍巖主要為中風(fēng)化中薄層狀石灰?guī)r；結(jié)構(gòu)面發(fā)育，以層面為主，存在層間滑動(dòng)，層間夾薄泥，巖體較破碎，巖體呈中薄層狀結(jié)構(gòu)；潮濕，局部滴水；巖體穩(wěn)定性較差，易層間剝落掉塊或小滑塌。圍巖級(jí)別可判定為Ⅳ級(jí)。

(2) YK8+430～YK8+480長(zhǎng)度50 m范圍內(nèi)，圍巖的波速、密度和動(dòng)靜楊氏模量等物理力學(xué)參數(shù)明顯減小，因而認(rèn)為此段范圍內(nèi)的圍巖工程力學(xué)特性顯著變差。推斷此段落圍巖主要為中薄層狀石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，受構(gòu)造影響較重，結(jié)構(gòu)面很發(fā)育，以層面和構(gòu)造節(jié)理裂隙為主，推測(cè)存在層間滑動(dòng)面或揉皺破碎帶，巖體較破碎，巖體呈中薄層狀結(jié)構(gòu)，局部碎裂狀結(jié)構(gòu)，可能發(fā)育有小型溶隙，導(dǎo)水性好；含水量可能較大，局部可能出現(xiàn)股狀涌水；巖體穩(wěn)定性較差，易掉塊或局部坍塌。圍巖級(jí)別可判定為Ⅴ級(jí)。

(3) YK8+480～YK8+506長(zhǎng)度26 m范圍內(nèi)，圍巖的波速、密度和動(dòng)靜楊氏模量等物理力學(xué)參數(shù)又有所增大，因而可以認(rèn)為此段圍巖的總體穩(wěn)定性轉(zhuǎn)好。推斷此段落圍巖主要為中層狀白云質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r；結(jié)構(gòu)面發(fā)育，以層面為主，巖體較破碎，巖體呈中薄層狀結(jié)構(gòu)；潮濕；巖體穩(wěn)定性較差，易掉塊。圍巖級(jí)別可判定為Ⅳ級(jí)。

5 瞬變電磁法實(shí)施

5.1 實(shí)施過程

本次預(yù)報(bào)采用ProtemEM-47型瞬變電磁儀，其主要組成部件包括發(fā)射機(jī)和發(fā)射線圈(Tx)、接收機(jī)和接收線圈(Tr)以及主機(jī)等。

瞬變電磁儀的發(fā)射機(jī)通過外接電源在發(fā)射線圈中產(chǎn)生一直流電流，當(dāng)線圈中的電流被突然切斷時(shí)，在被測(cè)巖體中激發(fā)磁場(chǎng)渦流。發(fā)射機(jī)采用外接12 V電源，使電流達(dá)到1.5 A，發(fā)射頻率為25 Hz，發(fā)射框尺寸2 m×2 m。接收機(jī)通過直徑1 m的接收線圈(Rx)感知巖體中磁場(chǎng)渦流等的變化，并通過專用軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析從而判斷隧道開挖面前方地層的富水性。接收機(jī)與接收線圈集成在一起，接收機(jī)將接收線圈感應(yīng)到的圍巖渦流二次場(chǎng)數(shù)據(jù)傳給主機(jī)。利用專用分析軟件將主機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，得到隧道開挖面前方圍巖的視電阻率等值云圖。

瞬變電磁儀對(duì)圍巖進(jìn)行探測(cè)時(shí)，由于開挖面空間的限制，發(fā)射線圈和接收線圈采用共軸方式。發(fā)射線圈靠近開挖面，發(fā)射線圈距接收線圈距離10 m，接收線圈與發(fā)射線圈中心共軸在開挖面上等距移動(dòng)。本次探測(cè)共布置11條測(cè)線，如圖2所示。為減少干擾源，在瞬變電磁儀探測(cè)之前將隧道施工臺(tái)架移至距開挖面30 m以外。

圖2 瞬變電磁法測(cè)線布置圖

5.2 預(yù)報(bào)結(jié)果

利用專用軟件對(duì)開挖面前方圍巖中渦流二次場(chǎng)的衰減數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以距隧道斷面中線的距離為橫軸、以距開挖面的距離為縱軸的前方圍巖視電阻率等值線云圖，如圖3所示。

圖3 圍巖視電阻率等值線云圖

從圖3可以看出，隧道開挖面前方存在一個(gè)低視電阻率異常區(qū)，位于開挖面前方40～75 m(YK8+436～+471)。結(jié)合開挖面揭示圍巖巖性、TSP預(yù)報(bào)開挖面前方出現(xiàn)富水區(qū)及對(duì)應(yīng)里程(YK8+430～YK8+480)，推測(cè)此低電阻率異常區(qū)可能為富水裂隙發(fā)育帶或富水小型溶槽、溶隙或溶腔，并有向左前方延伸趨勢(shì)。為保證隧道施工安全，建議在后續(xù)隧道施工中做好排水工作。

6 兩種預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比及開挖驗(yàn)證

6.1 兩種預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比

TSP預(yù)報(bào)結(jié)果顯示，在YK8+430～YK8+480范圍內(nèi)，圍巖物理力學(xué)參數(shù)明顯減小，推測(cè)此段落為裂隙發(fā)育帶或充水溶槽、溶隙及小型溶洞。TEM法結(jié)果顯示在YK8+436～+471范圍內(nèi)存在低阻區(qū)，這是此段圍巖中存在大含水量構(gòu)造的依據(jù)。另外，此段圍巖巖性為灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r等可溶巖，因而可以判斷開挖面前方Y(jié)K8+436～+471存在富水異常區(qū)，可能發(fā)育有充水溶槽、溶隙及小型溶洞。

6.2 開挖驗(yàn)證

隧道進(jìn)一步的開挖施工揭示出在開挖面里程YK8+463處有小型溶腔，溶洞口出現(xiàn)小規(guī)模涌水。剛揭露時(shí)溶洞口出水呈噴射狀，噴射距離約2.8 m。2 h后變成股狀涌水，隨后水量越來越小，涌水總持續(xù)時(shí)間約9 h。

7 結(jié)束語

隧道常用的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法有多種，但每種方法都有自己的不足，采用多種方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以有效提高預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確度。