TSP203系統在明月山隧道超前地質預報中的應用

吳德勝 張富貴 李麗

(1中國中鐵二局第三工程有限公司 四川成都 610031)

(2重慶地質儀器廠 重慶 400033)

1 概述

明月山隧道跨川、渝兩省,穿越明月山,左洞長6557m,右洞長6555m,是滬蓉國道主干線支線忠縣至墊江高速公路的重點工程。明月山隧道地質復雜,隧址區位于新華夏系川東弧形構造,華鎣山隆褶帶明月峽背斜中段鞍部,隧道穿越明月山背斜,地表沿背斜軸部發育一條走向斷層。受地質構造影響,隧道進口段 K4+416～K5+700段圍巖節理裂隙發育、巖溶發育,巖體破碎,富含層間裂隙水和巖溶水,穩定性差,開挖前期多次發生突水、坍塌,給正常施工帶來嚴峻挑戰,嚴重影響施工進度和工期。由于該段以Ⅱ類圍巖為主,且地下水多以股狀、大股狀產出,因此開挖方式和支護參數與設計相比發生了很大變化,堵水墻、全斷面深孔預注漿在施工過程中被大量應用。相比隧道進口段,出口段圍巖相對較好,主要為砂巖、泥巖,巖體較完整、局部破碎,圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主。

為了在隧道掘進前掌握掌子面前方地質變化情況,從而合理安排掘進速度,優化施工方案,加強防護措施,防止坍塌、突水突泥可能帶來的人員傷亡事故和經濟損失,確保科學、安全通過不良地質段,通過比較,決定采用 TSP203系統結合地質分析對明月山隧道開展超前地質預報工作。

2 TSP203系統應用原理和工作方法

2.1 應用原理

TSP203系統是利用地震波的反射原理進行超前地質預報。工作時,采用弱爆破產生地震波,產生的地震波在隧道中的巖體內傳播,當遇到地震界面時,如斷層、破碎帶、溶洞等地質異常,一部分被反射回來,反射波經巖體傳播后到達接收傳感器,通過接收傳感器被記錄儀記錄下來,然后經專門的軟件進行分析處理,得到反射波的各種圖像和巖石各種物性參數。反射界面兩側的巖性差異越大,反射回來的信號就越強。由于從產生地震波到反射信號被接收這段時間是與反射界面的距離成正比,因此通過地震波的雙程走時與地震波的波速就可確定反射界面的位置。另外,反射波信號的強弱與反射界面的性質、產狀有密切關系,通過對反射波性質的分析,可以推斷反射界面的性質。圖1為 TSP203系統工作原理示意圖。

圖1 TSP203系統工作原理示意圖

TSP203系統使用的是高靈敏度的三維傳感器,它可以接收來自掌子面前方和四周較遠的地震反射波,因此該系統預報距離遠,預報范圍大。一般情況下,TSP203系統可以預報150～200m,在地質條件較好時,可以預報更長的距離。

2.2 工作方法

TSP203系統測線布設在掌子面附近的邊墻上,它是由2個接收器孔和24個炮孔組成,2個接收器孔對稱分布在兩邊墻,24個炮孔等間距分布在一側邊墻。在數據采集前,鉆孔、接收傳感器套管的安裝,以及接收器孔、炮孔傾角傾向和各孔距基準點距離的測量要提前完成。由于這些準備工作不影響正常施工,因此可與隧道施工作業同時進行。當正式放炮采集數據時,洞內施工必須停止,尤其針對巖體的施工,以確保采集到的數據盡可能少的受外界噪聲的干擾。數據采集期間,各個環節要密切配合,以縮短采集時間,減少對施工的影響。在操作熟練的情況下,數據采集時間可控制在一小時以內。

通常,炮孔間距 1.5m,孔深 1.5～2.0m,孔徑35～38mm,孔口距隧底約1.0m,最后一個炮孔距掌子面距離根據現場情況而定。接收器孔與第一個炮孔間距 15～20m,孔深 2.0m,孔徑 42～45mm,孔口距隧底約1.0m,與炮孔等高。接收器孔和炮孔因不同目的需向上下傾斜一定角度,一般情況下,為了留住灌入的水,炮孔向下傾斜15～20°;當用環氧樹脂固定接收器套管時,為了使孔內的水能夠流出,接收器孔向上傾斜5～10°;當用水泥砂漿固定接收器套管時,為了利于水泥砂漿的凝固,接收器孔向下傾斜5～10°。根據圍巖軟硬和完整破碎程度以及距接收器位置的遠近,每個炮孔裝藥50～100g,炸藥采用普通乳化炸藥,雷管采用零延時電雷管。

3 應用實例分析

3.1斷層地質預報

明月山隧道隧址區地表沿背斜軸部發育一條走向斷層,通過鉆孔和巖層產狀推斷斷層與隧道左線軸線交于 K5+722,其破碎帶范圍在 K5+722～K5+773。為了詳細查明該斷層在掌子面前方的具體位置和規模,避免因施工不當造成坍塌帶來的安全事故,在里程樁號 K5+627的位置開展了一次TSP203系統地質預報測試,圖2、圖3是測試后經數據處理得到的地質預報成果圖。

圖2 P波反射面

圖3 波速、泊松比、密度曲線和反射面二維圖

通過地質預報成果圖分析,在 K5+642、K5+690兩處分別有一個明顯反射界面,且是圍巖由硬變軟的負反射界面,在兩反射界面之間的其它反射界面也以由硬變軟的信號為主,在 K5+738有一個圍巖由軟變硬的正反射界面。從Vp和Vp/V s曲線圖分析,K5+642～K5+690段Vp下降,Vp/V s比值減小,依據 TSP系統數據解釋原則,結合洞外地質踏勘和前期地質預報結果,推斷 K5+642～K5+690為斷層及擠壓破碎帶,位置較前期推測提前。開挖后揭示,K5+644圍巖裂隙較發育,巖體開始變得破碎,穩定性變差;K5+667～K5+683段裂隙發育,巖體破碎,穩定性差,拱部、側壁極易掉快,發生坍塌;K5+695～K5+700段巖體又開始趨于完整,裂隙稍發育,穩定性較好。通過比較證實,TSP203系統預報結果與開挖結果基本吻合。

3.2 巖溶預報

明月山隧道進口段巖性復雜,其中以灰巖為主,受區域地質構造影響,圍巖節理裂隙發育、巖溶發育。圖4、圖5是在掌子面里程樁號 K5+501處進行TSP203系統測試后得到的地質預報成果圖。

圖4 P波反射面

圖5 波速、泊松比、密度曲線和反射面二維圖

通過地質預報成果圖分析,K5+523～K5+532、K5+563～K5+576兩段處于信號負反射區域,且 K5+523～K5+532段泊松比突然增大,K5+563～K5+576段Vp降低,參照設計資料和開挖段地質情況,并結合洞外地質探勘情況,推斷 K5+523～K5+532、K5+563～K5+576兩段巖溶發育,富含層間裂隙水和巖溶水,可能發生涌突水。開挖結果證明,預報的兩段溶隙、溶孔發育,富水,在 K5+573～K5+579段發育一個充填溶洞。由于預報準確,施工隊伍提前采取了一些預防措施,溶洞段未造成大規模突水突泥,但還是影響了施工進度并帶來不小經濟損失。

3.3 破碎帶預報

明月山隧道進口段受地質構造影響,圍巖節理裂隙發育、巖溶發育,巖體破碎。圖6～8是在掌子面里程樁號 YK5+387處進行 TSP203系統測試后得到的地質預報成果圖。

圖6 P波深度偏移剖面

圖7 P波反射面

通過地質預報成果圖分析,在 YK5+395、YK5+409、YK5+417三處分別有一個明顯反射界面,且是圍巖由硬變軟的負反射,后面圍巖逐漸變硬,反射減弱,圍巖變化趨于穩定。在 YK5+395～YK5+417段,對應的圍巖密度變小、泊松比顯著增大、P波波速降低,這些信息反映該段巖體應力釋放,巖體可能很破碎,推斷該段為破碎帶。開挖結果顯示,YK5+390～YK5+419段圍巖裂隙發育,巖體破碎,穩定性差,拱頂、側壁易坍塌,其結果與 TSP203系統預報結果非常吻合。由于提前調整了施工工藝,開挖后及時加強了支護,使得該段得以順利、安全通過。

3.4 地下水預報

圖8 波速、泊松比、密度曲線和反射面二維圖

TSP203系統是利用地震波的反射原理來進行地質預報,由于在測試過程中主要針對的是縱波,橫波的測試是依靠建立一個模型通過縱波來推定,所以數據處理與解釋更多的是利用縱波的信息。而對地下水的判斷很大程度上又依賴于對橫波變化的分析,因此 TSP203系統并不是預報地下水的一種好方法。盡管如此,將 TSP203系統測試與地質分析法結合起來,還是能夠提高對地下水預報的準確性。圖9、圖10是在掌子面里程樁號 YK5+413處進行TSP203系統測試后得到的地質預報成果圖。

圖9 P波反射面

圖9、10顯示,YK5+426～+468段地震波反射信號強,以負反射為主,巖體泊松比增大、Vp/V s比值增大,結合地質分析法,推斷該段圍巖破碎、穩定性差、富含層間裂隙水。開挖結果顯示,YK5+415～＋457段裂隙發育,富含層間裂隙水,呈股狀、大股狀產出。由于預報及時準確,提前調整了施工方案,選擇了合理的支護差數,該段開挖過程中未出現坍塌和人員傷亡事故。

圖10 波速、泊松比、密度曲線和反射面二維圖

4 經驗體會

TSP203系統是基于地震波的一種物探方法,其預報成果質量與采集數據的質量、數據處理的方法、解釋工作人員對物探知識和工程地質知識掌握的程度有密切關系。因此,為提高超前地質預報精度、準確度,必須做好以下幾個方面的工作:

(1)嚴格按照數據采集操作程序完成每次數據采集工作。數據采集工作是最基礎的工作,也是最關鍵的工作,如果采集到的數據質量較差,將直接影響到后面數據處理和解釋的質量。數據采集質量控制要點:嚴格按要求鉆炮孔和接收孔;準確測量炮孔的孔深、傾角、傾向,相對于參考點的位置、高度;按要求安裝接收器套管,保證套管與圍巖耦合良好;控制好炸藥藥量;爆破時,盡量使炮孔內注滿水。

(2)加強數據處理工作,合理選擇每步處理參數。選擇參數時,要根據圍巖的類別、性質和波形特征進行設定;要參考同一座隧道或同類型隧道前期預報工作成果,尤其是成功案例的經驗。

(3)把數據解釋作為工作重點,采用綜合分析法進行判斷。要充分合理利用數據處理后的成果資料,相互印證對比,總結各種地質異常在成果圖中的特征和表現。同時,始終要把地質知識與物探知識結合起來,取長補短,綜合分析判斷。

(4)做好相關地質資料、施工資料的收集,加強跟蹤地質觀測和地面地質調查工作。

(5)專業技術人員必須加強物探知識和地質知識的學習,要不斷總結工作中的經驗教訓,注重經驗的積累。

5 結束語

明月山隧道裂隙、巖溶發育,地質條件復雜,尤其進口段很大一部分由于強富水,給施工帶來非常大的難度和風險。通過TSP203系統開展超前地質預報工作,開挖前準確了解掌子面前方地質情況,特別是地質異常的位置、規模、性質,及時進行技術方案調整和處理方法的制訂,有效避免了開挖過程中因坍塌、突水突泥等帶來的設備損壞、人員傷亡等事故,保證了明月山隧道安全、順利貫通,為施工單位贏得了經濟和社會效益。

TSP203系統是目前超前地質預報中應用較為廣泛的一種方法,其預報效果很大程度上也得到了認可,尤其對斷層、邊界呈平面形態的巖溶等地質異常的預報,但作為物探地震波方法中的一種,也還存在一些問題需要進一步研究,如橫波波速的測定方法、炸藥爆速對預報距離、精度的影響,反射界面數量的選取原則等。正因如此,建議在采用 TSP203系統的同時,還應結合地質雷達、陸地聲納、超前鉆孔以及地質分析等其它方法進行綜合預報,只有這樣,才能使地質預報距離更長,結果更準。