張志勇

摘要：隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是在隧道施工過(guò)程中，為掌握開(kāi)挖前方圍巖情況，對(duì)不良地質(zhì)情況提前預(yù)測(cè)，及時(shí)反饋，指導(dǎo)施工。文章采用TGS360Pro預(yù)報(bào)系統(tǒng)，根據(jù)地震反射波變化，分析預(yù)報(bào)出前方不良地質(zhì)體分布情況。具體針對(duì)一巖溶發(fā)育區(qū)隧道工程進(jìn)行預(yù)報(bào)，通過(guò)后期開(kāi)挖實(shí)際情況和預(yù)報(bào)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證，證明此方法針對(duì)巖溶發(fā)育的地質(zhì)體具有良好的預(yù)報(bào)效果。同時(shí)為后期預(yù)報(bào)中，能準(zhǔn)確識(shí)別不良地質(zhì)體積累指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào) 地震波反射法 巖溶 TGS360pro

0 前言

隧道工程多種行業(yè)逐步發(fā)展延伸，由于前期勘察設(shè)計(jì)階段的局限性，加之地質(zhì)環(huán)境條件的復(fù)雜性與多變性，隧道施工開(kāi)挖階段，掌子面前方會(huì)出現(xiàn)勘察設(shè)計(jì)未知的斷層破碎帶、軟弱帶、巖溶等不良地質(zhì)情況[1]。因此，開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，提早發(fā)現(xiàn)安全隱患，警惕不良地質(zhì)，具有前瞻性和預(yù)見(jiàn)性。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[2]主要通過(guò)前期勘察資料和現(xiàn)場(chǎng)地表、洞內(nèi)地質(zhì)調(diào)查分析巖溶發(fā)育的地質(zhì)條件，圈定巖溶發(fā)育的潛在靶區(qū)，通過(guò)掌子面地質(zhì)分析巖溶發(fā)育前兆性條件[3]，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)法、地震反射波法、瞬變電磁法、電法、超前鉆探等物探手段進(jìn)行綜合判釋[4]。

1 巖溶地質(zhì)情況

巖溶是地下水和地表水對(duì)可溶性巖石造成破壞和改造作用形成的地質(zhì)地貌，是水流和可溶性巖石相互溶解、固化形成的產(chǎn)物[5]?？扇苄詭r（石灰?guī)r），在含CO2的水溶液中，巖體裂隙為水流在巖體內(nèi)部流通的提供通道，加快了水的流動(dòng)，逐漸產(chǎn)生巖溶作用。巖溶地質(zhì)體復(fù)雜，且具有隱蔽性和不確定性，對(duì)巖溶的預(yù)報(bào)，應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況為基礎(chǔ)，綜合采用物探方法[6]，搭配使用，相互驗(yàn)證。

2 TGS360Pro預(yù)報(bào)系統(tǒng)

2.1 TGS360pro系統(tǒng)的應(yīng)用

本次隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中采用TGS360Pro系統(tǒng)，是一種新型地震波發(fā)射法預(yù)報(bào)方式，能根據(jù)接收到的地震反射波，實(shí)現(xiàn)空間上的三維層析成像，而且采集參數(shù)全面，包含有：圍巖內(nèi)應(yīng)力分布、含水量分布、縱波波速、橫波波速、縱橫波速比、泊松比、楊氏模量、開(kāi)挖危險(xiǎn)等級(jí)和波場(chǎng)分布等，能綜合反映地震波在前方圍巖中傳播后反射后的多方面參數(shù)的變化。

2.2 TGS360pro系統(tǒng)預(yù)報(bào)原理

“TGS360pro”系統(tǒng)地震波超前預(yù)報(bào)方法，是地震反射波法和地震層析成像技術(shù)的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)隧道掌子面前方的地質(zhì)情況以三維圖像形式顯現(xiàn)。該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)方面提出了一個(gè)定向覆蓋錐形雷達(dá)（錐角為45°）的技術(shù)原理，系統(tǒng)采集的波場(chǎng)，經(jīng)過(guò)極化處理，根據(jù)遷移映射的結(jié)果，使得所有覆蓋錐還原成一個(gè)在面部的中心點(diǎn)[7]。在不同激發(fā)震源位置（疊加4次）激發(fā)，每次激發(fā)的時(shí)的8個(gè)傳感器分別采集每道數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)保存完整的波場(chǎng)矢量分量記錄，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理顯示出總結(jié)性參數(shù)化三維圖像。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方式

TGS360pro系統(tǒng)的震源及傳感器布置方式，綜合施工現(xiàn)場(chǎng)情況及隧道圍巖等級(jí)情況，本次測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)掌子面圍巖硬度大，完整狀況較好，圍巖有一定的穩(wěn)定性，無(wú)擾動(dòng)時(shí)無(wú)碎石掉落，滿(mǎn)足在掌子面上布置傳感器的條件。

3 TGS360pro系統(tǒng)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用

使用新型TGS360pro預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)貴州省某一級(jí)旅游公路隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

3.1 工程概況

本次預(yù)報(bào)段，通過(guò)對(duì)掌子面地質(zhì)分析，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，該探測(cè)區(qū)域段的地質(zhì)概述分為兩段：（1）K13+785～K13+705段∶Ⅳ級(jí)圍巖，主要為微風(fēng)化灰?guī)r，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，物探勘測(cè)為低阻段，推測(cè)巖溶發(fā)育。根據(jù)周?chē)孛娴刭|(zhì)調(diào)繪，隧址區(qū)因地表水沿可溶性灰?guī)r表面或裂隙間流動(dòng)，對(duì)巖石進(jìn)行溶蝕、沖蝕，據(jù)物探成果推測(cè)，局部段存在巖溶裂隙發(fā)育，巖體破碎。

（2）K13+705～K13+645段，該段為Ⅲ級(jí)圍巖，圍巖主要為微風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整，巖質(zhì)堅(jiān)硬，圍巖自穩(wěn)能力較好。

預(yù)報(bào)現(xiàn)場(chǎng)情況描述：此次做預(yù)報(bào)的掌子面里程為出口洞K13+790，掌子面出露圍巖主要為灰白色微風(fēng)化灰?guī)r，巖石較堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖整體較破碎，局部巖體較完整，呈中厚層狀構(gòu)造，無(wú)支護(hù)時(shí)圍巖有一定的自穩(wěn)能力。

3.2 TGS360pro數(shù)據(jù)處理與分析解釋

根據(jù)圍巖應(yīng)力分布圖3.1、縱波波速分布圖3.2和含水分布圖3.3和圍巖破碎危險(xiǎn)等級(jí)圖3.4分析，整體上，0～90米范圍內(nèi)（K13+790～K13+700）整體巖體地震波反射整體巖體反射信號(hào)變強(qiáng)，應(yīng)力變化大，判斷此區(qū)域巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育;縱波波速變化較大;整體含水量相對(duì)較大，局部含水量大。90～150米范圍內(nèi)（K13+700～K13+640）應(yīng)力分布均勻，整體巖體縱波波速較大，含水量整體較小，根據(jù)測(cè)試面情況判斷此區(qū)域巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體較完整。從應(yīng)力分布的均勻性、圍巖破碎危險(xiǎn)等級(jí)和縱波波速等方面的變化，可以明顯看出在90米（K13+700）位置處，應(yīng)力分布更加均勻，圍巖破碎程度變低，縱波波速變大，可以分辨出該位置為圍巖IV級(jí)和III級(jí)的分界帶。

如圖3.1所示，在50～55米（K13+740～K13+735）位置處，中間位置圍巖內(nèi)應(yīng)力反應(yīng)較大，中部巖體破碎;該位置含水量相對(duì)較大，如圖3.3，且縱波波速較小，如圖3.2;由于圍巖越破碎，地震縱波波速越低，圍巖含水量越大，縱波波速越低，推斷K13+740～K13+735段存在巖體破碎帶，疑似含水溶洞。

在80～85米（K13+710～K13+705）位置處掌子面中間位置，圍巖應(yīng)力反應(yīng)較大，中部巖體較破碎，含水量相對(duì)周?chē)鷩鷰r相對(duì)較大，且縱波波速較小，推斷K13+710～K13+705段疑似為溶洞，沿隧道開(kāi)挖斷面橫向發(fā)展。

3.3 隧道施工開(kāi)挖驗(yàn)證

隧道施工至K13+747位置時(shí)，隧道拱頂位置出現(xiàn)向左側(cè)上方延伸的破碎帶，此時(shí)開(kāi)挖難度增大，開(kāi)挖至K13+745位置處時(shí)，拱頂破碎帶出現(xiàn)大量的涌水現(xiàn)象，涌水量較大，此時(shí)采用機(jī)械開(kāi)挖的方式，在K13+742位置處發(fā)現(xiàn)在隧道開(kāi)挖斷面左側(cè)位置處，有一溶洞發(fā)育，裂隙水沿破碎帶大量涌出。如圖3.5.地質(zhì)預(yù)報(bào)中顯示，該溶洞發(fā)育情況在隧道斷面左側(cè)位置，沿隧道縱向方向發(fā)展距離較小，實(shí)際開(kāi)挖后，溶洞縱向深度為6米，現(xiàn)場(chǎng)情況與預(yù)報(bào)結(jié)果相符。

隧道施工開(kāi)挖至K13+711位置處，在隧道界面隧底位置，出現(xiàn)一橫向溶洞，從左邊墻位置，一直發(fā)育延伸至右邊墻位置處，其中，右邊墻位置處溶腔發(fā)育規(guī)模較大，如圖3.6所示。此處溶洞內(nèi)不含水，與地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果整體相符。

4 結(jié)論

（1）新型TGS360pro系統(tǒng)為地震波反射法和地震三維層析成像技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，該系統(tǒng)采集的圍巖數(shù)據(jù)全面，能多方位的掌握圍巖參數(shù)，系統(tǒng)處理系統(tǒng)簡(jiǎn)單方便，只需提取出縱波波速和橫波波速，根據(jù)預(yù)報(bào)現(xiàn)場(chǎng)情況，確定含稅情況等參數(shù)，即可計(jì)算分析出地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果圖及三維展示圖，結(jié)果圖像直觀，對(duì)比明顯，便于區(qū)分不良地質(zhì)體的位置及分布;

（2）在該系統(tǒng)結(jié)果分析中，對(duì)圍巖中的流體（水）的識(shí)別效果比其他地震反射波法有很好的體現(xiàn)，不僅表現(xiàn)在圍巖含水結(jié)果圖像上，從縱波波速和橫波波速的變化上，也能識(shí)別出圍巖的含水情況，因此，在該項(xiàng)目應(yīng)用中，才能分析辨別出含水溶洞和不含水溶洞的圖像區(qū)別;

（3）該項(xiàng)目為典型的我國(guó)西南巖溶發(fā)育地區(qū)地質(zhì)預(yù)報(bào)情況，地質(zhì)條件本身比較復(fù)雜，能在成果圖像中識(shí)別出各項(xiàng)參數(shù)的異常變化，需要我們盡可能多的掌握該的地區(qū)地質(zhì)條件特征，掌握現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，做好地質(zhì)調(diào)查工作，在探測(cè)到局部災(zāi)害體時(shí)，只有掌握宏觀的工程區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，才能做出準(zhǔn)確、合理、符合地質(zhì)情況的不良地質(zhì)體的預(yù)報(bào)。

（4）文章主要介紹了兩個(gè)典型溶洞發(fā)育地質(zhì)體的預(yù)報(bào)結(jié)果分析，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的分析，掌握地震波在圍巖中傳播反射的變化規(guī)律，掌握判定不良地質(zhì)體的方法，掌握分析解釋成果圖的能力，根據(jù)實(shí)際施工開(kāi)挖情況的驗(yàn)證，為以后地震波反射法預(yù)報(bào)中提供一些相應(yīng)的對(duì)比分析建議。

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