HSP法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

楊詞光，吳豐收，李天斌，曾知法

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都 610059;2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都 611731;3.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

HSP法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

楊詞光1，吳豐收2，李天斌1，曾知法3

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都 610059;2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都 611731;3.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

文章簡要介紹了HSP聲波反射法的工作原理，并以杜家山隧道為例，利用HSP聲波反射法并結(jié)合工程地質(zhì)方法對隧道前方圍巖進行了預(yù)測，對隧道實際開挖進行現(xiàn)場跟蹤。并將預(yù)報成果和實際揭露資料進行對比，驗證了HSP聲波反射法在超前地質(zhì)預(yù)報中的實用性。

HSP法 隧道 超前預(yù)報

隨著我國公路交通事業(yè)的發(fā)展，越來越多的高速公路需要穿越山嶺修建隧道。隧道施工特別復(fù)雜，面臨著很多地質(zhì)災(zāi)害問題，如巖溶地段的突水突泥，斷層破碎帶的塌方等。超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)可以很好地避免災(zāi)害事故的發(fā)生[1]。以地質(zhì)法為基礎(chǔ)的HSP聲波反射法超前地質(zhì)預(yù)報，是在HSP水平聲波剖面法基礎(chǔ)上發(fā)展而來的地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)。本文結(jié)合廣甘高速公路杜家山隧道超前地質(zhì)預(yù)報，驗證了HSP聲波反射法在超前地質(zhì)預(yù)報中的實用性。

1 HSP聲波反射法簡介

1.1 基本原理

該方法和地震波探測原理基本相同。其原理是建立在彈性波理論的基礎(chǔ)上，傳播過程遵循惠更斯—菲涅爾原理和費馬原理。本方法探測的物理前提是巖體間或不同地質(zhì)體間明顯的聲學(xué)特性差異。測試時，在隧道施工掌子面或邊墻一點發(fā)射低頻聲波信號，在另一點接收反射波信號。采用時域、頻域分析反射波信號，進一步根據(jù)隧道掌子面、地面的地質(zhì)調(diào)查推測掌子面前方地質(zhì)條件的預(yù)報方法。可了解前方巖體的變化情況，探測掌子面前方可能存在的巖性分界、斷層、巖體破碎帶、軟弱夾層、以及巖溶等不良地質(zhì)體的規(guī)模、性質(zhì)及延伸情況等[2]。

1.2 分析軟件及測試系統(tǒng)

HSP聲波反射法地質(zhì)超前預(yù)報采用智能工程探測聲波儀進行現(xiàn)場采集，用與儀器采集數(shù)據(jù)匹配的專用反射譜分析軟件和反射子波分析軟件，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查方法，確保了探測的快速、資料的準(zhǔn)確和分析結(jié)果的可靠。

現(xiàn)場測試方法采用通道觸發(fā)，一發(fā)一收的方式進行。用大錘敲擊木樁作振源觸發(fā)換能器，另一個換能器同時接收信號，信號采集和數(shù)據(jù)儲存都通過便攜式計算機控制。每一測區(qū)都重復(fù)進行10次測試。掌子面測試時，接收換能器距觸發(fā)換能器20～300 cm，實際測試距離應(yīng)根據(jù)掌子面現(xiàn)場條件具體確定。

2 工程實例

2.1 工程概況及地質(zhì)條件

杜家山隧道為廣元—甘肅高速公路G5標(biāo)段的在建隧道。隧道進口位于四川青川縣木魚鎮(zhèn)文武村八組柳樹溝左側(cè)，出口位于青川縣騎馬鄉(xiāng)新明村三組王石溝右側(cè)。該隧道設(shè)計為單洞雙車道分離式長隧道，左線進出口里程為ZK15+044—ZK16+885，長1 841 m;右線進出口里程為K15+024—K16+910，長1 886 m。隧道最大埋深200 m。

隧道區(qū)位于四川盆地西北邊緣龍門山脈北端，緊鄰摩天嶺山系，隧道穿越山體由多個山脊組成，總體走向呈EW向，并以大角度與山體走向斜交。根據(jù)地勘報告，該隧道處于青川大斷裂的下盤，細(xì)米山倒轉(zhuǎn)向斜北翼，隧道圍巖條件極差，90%以上為Ⅴ級，施工難度大，工程地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜。

2.2 掌子面地質(zhì)情況及測點布置

工作區(qū)為隧道右線出口端，掌子面里程為K16+690，圖1為掌子面測點布置示意圖。通過現(xiàn)場觀測，掌子面巖性為砂質(zhì)千枚巖夾絹云母千枚巖，為薄層片狀巖體，巖層片理產(chǎn)狀N26°E/NW∠56°，傾角較陡，走向與隧道軸向大角度相交。主要發(fā)育一組明顯的節(jié)理，產(chǎn)狀為 S70°E/NE∠10°，間距 0.5 ～1.0 m，長度1.0～1.5 m。巖體片理、劈理發(fā)育，呈薄層片狀結(jié)構(gòu)，嵌合程度較緊密，巖層風(fēng)化程度為微風(fēng)化～新鮮。榔頭敲擊聲較清脆。掌子面干燥，局部呈浸潤狀。

圖1 K16+690掌子面測點布置示意

2.3 測試結(jié)果及建議

采用HSP聲波反射法進行測試，測試巖體平均聲波速度為2 460 m/s。對現(xiàn)場采集原始波形曲線進行時域和頻域分析，得到時域和頻域分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2綜合分析可知，目前掌子面前方60 m范圍內(nèi)主要為砂質(zhì)千枚巖夾絹云母千枚巖，其中掌子面前方32～60 m范圍反射波信號雜亂，信號衰減快，表明巖體破碎，圍巖自穩(wěn)能力差。其詳細(xì)判斷結(jié)果如下:

1)K16+690—K16+658段長度為32 m，巖性主要為灰色砂質(zhì)千枚巖，巖質(zhì)較軟，巖體較完整～較破碎，呈碎裂塊狀結(jié)構(gòu)，片理發(fā)育，開挖后易出現(xiàn)掉塊和小規(guī)模坍塌現(xiàn)象，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙水不發(fā)育。判定圍巖級別為Ⅳ級。

2)K16+658—K16+630段長度為28 m，巖體較破碎，呈塊狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較軟，遇水易軟化，易掉塊和小規(guī)模坍塌，可能發(fā)育少量裂隙水，判定圍巖級別為Ⅳ級弱。

建議施工單位及時加強支護，并做好監(jiān)測工作，同時根據(jù)實際情況加強超前支護的施工。

2.4 開挖對比驗證

本工作組對杜家山隧道開挖情況進行現(xiàn)場跟蹤，發(fā)現(xiàn)K16+690—K16+658段圍巖以干燥巖體為主，K16+658—K16+630段局部有濕軟軟弱巖體出現(xiàn)。由此可見掌子面實際開挖結(jié)果與HSP法預(yù)報結(jié)果基本相符，驗證了HSP聲波反射法在超前地質(zhì)預(yù)報中的實用性。

圖2 K16+690里程探測時域和頻域分析結(jié)果

3 結(jié)語

1)本工作組對杜家山隧道進行HSP法超前地質(zhì)預(yù)報，預(yù)報結(jié)果與實際開挖情況基本一致，可以為隧道正常施工提供一定的指導(dǎo)作用。

2)由于解譯結(jié)果受多種因素影響具有多解性，所以在實踐中應(yīng)持科學(xué)、客觀和審慎的態(tài)度。將探測成果與既有地質(zhì)勘探資料、掌子面地質(zhì)資料結(jié)合起來綜合分析，并加強典型不良地質(zhì)的圖像識別能力，不斷通過開挖驗證，來積累經(jīng)驗，提高預(yù)報的準(zhǔn)確率。

[1]李曉紅.隧道新奧法及其測量技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2002.

[2]林志軍，牛建軍，張曉培，等.HSP聲波反射法在地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用[J].公路交通技術(shù)，2008，4(2):102-104

U456.3+3

A

1003-1995(2012)06-0082-02

2012-01-30;

2012-03-14

地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室團隊重點課題資助(SKLGP2009Z002)

楊詞光(1988— )，男，江西九江人，碩士研究生。

(責(zé)任審編 葛全紅)