TGP 在云山隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

趙新梅

(山西省公路局太原分局，山西太原 030012)

近些年來，我國高速公路大規(guī)模建設(shè)，長(zhǎng)大隧道所占比重也越來越大，隧道常常成為控制性工程，其施工進(jìn)度經(jīng)常成為控制整個(gè)工程進(jìn)展的瓶頸。隧道選線因地形地質(zhì)條件和環(huán)境條件的約束，在開挖過程中不可避免的會(huì)遇到地質(zhì)構(gòu)造帶等地質(zhì)問題，隨之而來的是施工進(jìn)度問題和施工安全問題，如含水豐富地層中開挖硐室可能出現(xiàn)突水突泥問題，淺埋不穩(wěn)定地層中開挖隧道的冒頂和垮塌問題，如果不能提前預(yù)知，處理不當(dāng)容易造成突發(fā)性的重大人員傷亡安全事故，國內(nèi)外隧道施工已有不少血的教訓(xùn)。如何規(guī)避和解決這些問題是現(xiàn)代隧道開挖中的一個(gè)新課題。

和榆高速公路云山特長(zhǎng)隧道位于山西省左權(quán)縣城東北5 km處，橫穿太行山脈西翼的陽曲山東南延，地形地貌極為復(fù)雜，崇山峻嶺，峰巒疊嶂，溝壑縱橫，海拔標(biāo)高介于1 215.33 m～2 070.70 m，相對(duì)高差855.37 m，總的地勢(shì)為東高西低，微地貌為基巖山脊、梁、懸崖、峭壁、陡坎、沖溝，較大沖溝以北東向?yàn)橹鳌Ｋ碇穮^(qū)位于孟信垴自然保護(hù)區(qū)，K43+530～K43+800，ZK43+570～ZK43+800段，植被為灌木、疏林、草地;K43+800～K54+967，ZK43+800～ZK54+980段，植被發(fā)育，有茂密的森林，以針闊葉混交林為主，并有相適應(yīng)的草木灌群植被，樹種以油松為主，其余樹種為山楊、山柳、白樺、柏樹等。隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖層均一性差，地層巖性變化較為頻繁。給施工安全帶來隱患，甚至?xí)?yán)重影響施工進(jìn)度。為了更詳實(shí)的探明地質(zhì)情況，防止事故發(fā)生，加快施工進(jìn)度，采用TGP-206隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)隧道開挖前方圍巖進(jìn)行預(yù)報(bào)。

1 探測(cè)方法及原理

1)探測(cè)原理。TGP-206隧道地震波超前儀采用地震波反射回波方法測(cè)量的原理，地震波震源采用小藥量炸藥激發(fā)產(chǎn)生。地震波在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(即波阻抗差異接口，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時(shí)，一部分地震波信號(hào)反射回來，一部分地震波信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)，反射的地震信號(hào)被高靈敏度的地震檢波器接收，反射信號(hào)的傳播時(shí)間與傳播距離成正比，與傳播速度成反比，因此通過測(cè)量直達(dá)波速度、反射回波的時(shí)間、波形和強(qiáng)度，可以達(dá)到預(yù)報(bào)隧道掌子面前方地質(zhì)條件的目的。通過專用的TGPwin軟件快速建立地震波波速數(shù)學(xué)模型，可以得到隧道圍巖的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，如動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量和動(dòng)泊松比參數(shù)等，結(jié)合相關(guān)的地質(zhì)資料和施工地質(zhì)工作，可對(duì)掌子面前方圍巖進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。

2)測(cè)線測(cè)點(diǎn)布置。在隧道一側(cè)邊墻的同一水平線上從外向里布置一個(gè)接收器(另一個(gè)接收器布設(shè)在同一側(cè)相同的位置)和不少于18個(gè)炮孔，接收器鉆孔距第一個(gè)炮孔約20 m，炮孔間距約2.0 m，深度約2.0 m，炮孔高度約 1.0 m，如圖1 所示。

2 云山隧道TGP超前預(yù)報(bào)

以在ZK47+593里程處布置預(yù)報(bào)接收孔，接收孔距掌子面70 m，預(yù)報(bào)范圍為ZK47+663～ZK47+820為例，探測(cè)結(jié)果原始波形圖見圖2，三波形合成位圖見圖3。

圖1 TGP超前預(yù)報(bào)測(cè)線平面示意圖

圖2 地震波三分量原始記錄波形圖

通過對(duì)原始地震波數(shù)據(jù)采用TGPwin專用軟件進(jìn)行處理，取得P波、SH波、SV波深度偏移剖面和反射層，結(jié)合地質(zhì)情況綜合分析，最后得出預(yù)報(bào)結(jié)果見表1。

圖3 三波形合成位圖

根據(jù)表1可見原設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察成果和實(shí)際開挖地層有一定的出入，這也是不可避免的，通過TGP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，詳實(shí)有效的預(yù)報(bào)掌子面前方圍巖情況，預(yù)報(bào)成果和實(shí)際開挖地層基本吻合，原設(shè)計(jì)地質(zhì)探測(cè)成果與開挖成果吻合度為70%，預(yù)報(bào)成果與實(shí)際開挖地層吻合度為90%。顯著提升了前方地層的預(yù)知性，給予了后續(xù)施工積極的指導(dǎo)作用，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，提升了施工進(jìn)度。當(dāng)然，由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性和TGP-206反演的多解性，TGP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)仍不能完全精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)地層中的所有問題，實(shí)際上，國內(nèi)外還沒有一種技術(shù)或者是一種儀器設(shè)備能完全解決隧道開挖中的地質(zhì)預(yù)報(bào)問題。現(xiàn)階段要提高預(yù)報(bào)精度，一方面加強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)積累，結(jié)合預(yù)報(bào)結(jié)合和實(shí)際開挖情況，深度分析了解區(qū)域地質(zhì)，甚至可以建立區(qū)域地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，以提高預(yù)報(bào)精度。另一方面，綜合多種探測(cè)手段，將不同探測(cè)手段得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比綜合分析，以取得最佳的預(yù)報(bào)效果、積極指導(dǎo)施工。

表1 掌子面ZK47+663前方(斜井往出口)157 m巖體性質(zhì)預(yù)報(bào)

3 結(jié)語

隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)(TGP法)是一項(xiàng)先進(jìn)可靠的探測(cè)技術(shù)，它代表了地震反射波探測(cè)技術(shù)的發(fā)展水平，是間接的、無損檢測(cè)的重要手段，能夠及時(shí)提供有關(guān)隧道掌子面前方和周圍地質(zhì)條件變化信息，具有探測(cè)精度高，探測(cè)速度快，對(duì)施工干擾少等優(yōu)點(diǎn)，為隧道開挖施工作業(yè)提供了良好的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防指導(dǎo)。通過對(duì)云山隧道的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，實(shí)踐證明，TGP-206超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在云山隧道施工中的應(yīng)用有效，避免了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，一定程度上為隧道安全、快速、高效施工提供了技術(shù)保障，顯著提高了隧道施工安全性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，TGP法在云山隧道中的成功應(yīng)用也促進(jìn)了它在類似隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用與推廣。

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