超前地質預報技術在隧道探測中的應用

藍志杰,張成良

(昆明理工大學國土資源工程學院,云南昆明 650093)

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超前地質預報技術在隧道探測中的應用

藍志杰,張成良

(昆明理工大學國土資源工程學院,云南昆明 650093)

摘要:通過超前地質預報技術,可有準備地做好各項預防和施工措施,從而提早改變施工方法,做好應急預案,保證隧道工程的順利進行。文中結合工程實例,采用地質雷達(GPR)、TSP地震波、高密度電阻率法等超前地質預報技術對隧道進行探測,判斷隧道地層巖性、風化程度、節理發育、圍巖級別等性質,對隧道易產生的地質災害進行分析并對隧道施工提出相關建議。

關鍵詞:隧道;超前地質預報;地質雷達(GPR);TSP地震波;高密度電阻率法

進入21世紀,伴隨著西部大開發戰略的啟動,鐵路、公路工程建設明顯增多。受隧道長度、埋深等因素的影響,地質條件越趨復雜。由于隧道埋深大,在初期勘探中采用宏觀的地面調繪、鉆探、波速測井等方法很難準確查明微觀水文、地質條件及不良地質體的賦存狀態,導致施工過程中突水、突泥、坍塌等事件時有發生,給施工帶來極大困難,造成施工人員和施工設備的重大安全事故。在隧道施工過程中進行超前地質預報,通過對每部分地質段的分析,并根據圍巖的穩定性對施工最為不利地段作出判斷,進而在開挖前切實做好預防措施,可減少施工盲目性,保證隧道施工安全。

1 超前地質預報技術的運用

依據設計圖紙提供的地質資料、現場地質調查資料及洞內圍巖觀測資料,在隧道施工中采取長距離宏觀預報與短距離準確預報相結合,采用不同原理的方法對隧道進行超前地質預報。

1.1 探測方法及流程

目前超前地質預報主要使用以下3種方法:1)地質雷達(GPR),適合短期超前地質預報;2)TSP地震波,適合中期超前地質預報;3)高密度電阻率法,適合長期超前地質預報。隧道超前地質預報工作流程見圖1。

1.2 超前地質預報數據的處理分析

(1)根據隧道預報區域的工程與水文地質簡介繪制開挖掌子面的地質素描圖并制作地質編錄。

(2)采用物探的工作原理、設備簡述,根據現場的實際設計觀測系統。

(3)對物探數據進行處理,提供典型圖例,對規定測試內容提出明確結論及建議。

(4)對物探數據進行解釋,結合地質方法,對隧道掌子面前方一定距離內的地質結構和含水性進行描述,對存在的不良地質體和地質災害進行預警,提供預報地質圖件。

(5)描述隧道圍巖類別劃分,對隧道施工提出有針對性的建議。

圖1 超前地質預報工作流程

1.3 工程概況

北山隧道位于云南省曲靖市太平哨至青山繞城高速公路,進口設計高程1 886.09 m,出口設計高程1 887.97 m,最大埋深約85 m。該隧道穿越不同地質帶,地質構造尤為復雜,儀器探測精度對隧道超前地質預報的開展有著重大影響。隧道圍巖以玄武巖為主,可能有凝灰巖巖體和溶洞、地下暗河等不良地質體,這也是探測工作的難點之一。凝灰巖巖體可能含有蒙脫石、高嶺石等黏土礦物,這些礦物遇水極不穩定,可能導致隧道底鼓和變形,對施工的正常進行產生極大阻礙。測區上部覆蓋層巖體完整性較差,全～強風化,呈砂狀、角礫狀,少量碎石樁狀、土狀,巖體極破碎,節理極發育,富水性較為貧乏。下面采用上述3種方法對該隧道進行超前地質預報。

2 GPR超前地質預報

2.1 GPR原理及系統組成

利用GPR進行無損檢測是地球物理探測技術中的一種方法,在隧道質量檢測中得到廣泛應用。GPR是使用高頻甚至超高頻段的地下電磁波反射探測技術,主要利用寬帶高頻時域電磁脈沖波的反射探測目標體,可根據測得的雷達波走時自動求得反射物的深度z并進一步界定其范圍、判定其性質。其工作原理見圖2。

圖2 GPR工作原理示意圖

2.2 北山隧道GPR探測與解釋

使用意大利IDS-RIS-K2型GPR對北山隧道進行探測。探測的有效距離取20 m,根據隧道施工設計圖及隧道施工現場地質調查進行探測斷面布置(見圖3)。

圖3 GPR探測測線布置示意圖

由GPR探測反射波剖面圖像(見圖4)可知:測線在20 m深度內,局部反射波強,同向軸呈較連續狀態,振幅、頻率變化不大。據GPR探測得到的反射波圖像,結合該工程地質實際,K51+284—264段圍巖為玄武巖,節理裂隙很發育,巖體很破碎,地下水不豐富,局部出水狀態為點滴狀滲水。

圖4 GPR探測反射波剖面圖像

2.3 GPR探測結論

根據GPR探測結果和掌子面地質調查,北山隧道圍巖地質情況為:

(1)巖性及風化程度。巖體為灰綠色、褐黃色塊狀玄武巖,中等～強風化。

(2)節理裂隙發育情況。節理裂隙發育3組以上,且雜亂,一組左傾,一組右傾,主要一組近直立微向右傾,構成不利結構面組合;巖體破碎,巖體完整性較差,呈碎石狀壓碎結構。

(3)地下水。地下水不豐富,局部出水狀態為點滴狀滲水。

(4)巖石的堅硬程度。玄武巖原巖屬于硬質巖,但受構造影響很嚴重,在地下水和風化等綜合作用下,圍巖的堅硬程度有所降低。

(5)圍巖級別。根據JTG C20-2011《公路工程地質勘察規范》關于隧道圍巖分類的有關規定,判定圍巖級別為Ⅳ級。

2.4 北山隧道施工建議

鑒于探測段圍巖穩定性較差,拱部無支護時可能產生較大坍塌,側壁經常發生小坍塌,宜采用“多循環、及支護、早成環”的方式進行隧道施工。具體措施如下:

(1)巖體節理裂隙很發育,巖體被切割成碎石、角礫狀,開挖后易產生掉塊和塌方,需采用光面爆破控制輪廓面的開挖,并嚴格控制開挖進尺和單響最大藥量,最大程度減少爆破震動對圍巖的擾動。

(2)圍巖強度較低,自穩能力較差,開挖前采用超前支護,開挖后立即進行初期支護,減少圍巖的暴露時間,避免開挖不當或支護不及時造成圍巖失穩;同時進行仰拱施工,盡早成環。

3 TSP法超前地質預報

3.1 TSP法原理和系統組成

TSP法的基本原理:在隧道邊墻一定范圍內布置激發點,人工激發地震波,所產生的地震波在隧道圍巖中傳播,當圍巖強度發生變化(如遇巖溶、斷層或巖層的分界)時,一部分地震波將被反射回來,另一部分地震波將繼續向前傳播,反射的地震波由高精度的接收器接收并傳遞到主機形成地震波記錄(見圖5)。TSP230系統的組成及測試見圖6。

圖5 TSP法波形記錄

圖6 TSP230系統的組成及測試示意圖(單位:m)

3.2 TSP探測與參數成果

預報時掌子面里程為K51+264,預報里程為K51+264—164(即預報掌子面前方100 m)。該測區位于“山”字形構造前弧東翼,路線所經區域構造體系行跡主要為華夏系、新華夏系及北西向構造體系,各種構造行跡交織,復合形式復雜多樣。隧道處于新華夏構造體系阿角村向斜西翼,受構造影響不強,巖石破碎,風化強烈,隧道范圍內無斷層通過。

布置一個地震波信息接收孔和23個激發孔分別激發地震波進行探測。TSP法反射層位及物理力學參數與二維推斷分析成果見圖7。

3.3 TSP法探測結論和建議

(1)K51+264—254段:長約10 m,圍巖為灰綠色塊狀玄武巖,原巖屬堅硬巖,強度較高,中等～強風化,受構造影響很嚴重,節理裂隙發育3組以上,結構面結合程度差,巖體破碎,巖體呈碎石狀壓碎結構,硐室圍巖穩定性較差;掌子面潮濕,地下水不豐富,含基巖裂隙水,出水狀態為點滴狀滲水;圍巖級別為Ⅳ級。建議該段施工時加強超前支護,防止塌方。

圖7 TSP法二維推斷分析成果

(2)K51+254—200段:長約54 m,圍巖為灰綠色塊狀玄武巖,原巖屬堅硬巖,強風化,結構面結合程度很差,受構造影響很嚴重,節理裂隙很發育且雜亂,巖體很破碎,巖體呈角(礫)碎(石)狀松散結構,局部地段為軟弱巖層,硐室圍巖穩定性差;地下水不豐富,含基巖裂隙水,出水狀態以點滴狀為主; K51+254—248、K51+236—217、K51+203—200段圍巖節理裂隙雜亂,巖體很破碎,地下水較豐富,推測可能為巖體破碎帶,應注意加強超前支護;圍巖級別為Ⅴ級。建議該段施工時加強支護,防止坍塌。

(3)K51+200—164段:長約36 m,圍巖為灰綠色塊狀玄武巖,原巖屬堅硬巖,強度較高,中等～強風化,受構造影響很嚴重,節理裂隙發育3組以上,結構面結合程度差,巖體破碎,巖體呈碎石狀壓碎結構,硐室圍巖穩定性較差;地下水不豐富,含基巖裂隙水,出水狀態為點滴狀滲水;圍巖級別為Ⅳ級。建議該段施工時加強支護,防止坍塌。

4 高密度電阻率法超前地質預報

4.1 工作方法及原理

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法,也稱自動電阻率系統,是直流電法的發展,其功能相當于三極測深與電剖面法的結合。觀測中設置較高密度的測點,通過電極向地下供電形成人工電場,其電場分布與地下巖土介質的電阻率ρ的分布密切相關。其工作系統見圖8。

圖8 高密度電阻率法工作系統示意圖

4.2 北山隧道勘察成果和分析

運用高密度電阻率法,利用相關觀測儀器對北山隧道進行觀測,根據所得視電阻率圖像判斷隧道圍巖節理發育情況和整體完整性,得出對施工最為不利的地質段有4段(見表1)。

表1 北山隧道不良地質段

4.3 北山隧道探測結論

綜合地質勘察、高密度電阻率法和地表地形地質調查結果,得出如下結論:

(1)隧址區經歷了較長時期強烈的地質構造及區域地質作用,巖體破碎,風化強烈,完整性差,隧道圍巖級別低,對施工安全不利。

(2)對施工最為不利的地段有4段,總長318 m,超過隧道總長的1/2,對隧道施工影響較大。

(3)隧道圍巖節理發育,巖體切割破碎,風化程度高,圍巖的整體完整性差,圍巖級別為Ⅴ級。

4.4 施工建議

(1)對可能存在和產生涌水、坍塌的地段,為防止突發性地質災害的發生,開挖前切實做好預防措施,施工中及時做好支護及排水,防止坍塌。

(2)針對高密度電阻率法超前預報提出的施工最為不利地段,在施工過程中進一步采用地質雷達法、TSP法加強短期和中期超前預報,以提高預報精度,更好地指導施工,確保施工安全。

5 結語

隧道埋藏于地下一定深度,天然地質體中存在節理裂隙、應力和地下水,在隧道施工中需采用不同儀器設備進行探測,對不良地質類型進行預報,以達到隧道開挖和支護工程優化配置的目的。超前地質預報是保證隧道安全施工的關鍵,采用地質雷達法、TSP地震波、高密度電阻率法等技術對隧道進行探測,可探明隧道中斷裂破碎帶、富水帶等不良地質現象的分布,查清工程地質與水文地質特征。采用不同的儀器設備探測同類不良地質類型,通過相互印證和判斷,可提高對不良地質類型預報的準確性。

為保證信息快速反饋到施工一線,確保施工安全,隧道地質短距離預測應在每次掌子面爆破后進行,如根據掌子面地質情況結合地質勘察、TSP探測判斷前方短距離內存在不良地質體,應第一時間將不良地質體的類型、大致規模、應采取的防范措施和應急措施告知現場技術人員和施工人員,保證隧道施工的順利進行。

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收稿日期:2015-11-19

中圖分類號:U456.3

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0216-04