高風險巖溶隧道裂隙水超前地質預報與應用

陳樹見 李榮華 張以澤

(云南第二公路橋梁工程有限公司，云南昆明 650205)

0 引言

隨著我國隧道、礦山以及其他地下工程建設的迅猛發(fā)展，遇到的地質條件也越復雜。地下工程修建過程中將會遇到更多的巖溶和不良地質災害，其中巖溶突涌水已成為巖溶地區(qū)隧道施工中主要的地質災害之一［1，2］。

隧道地震勘探法(TSP)是施工期非破壞性長期超前地質預報的主要方法之一，基于TSP方法適用范圍廣、預報距離長、施工干擾小、探測時間短以及資料提交及時等諸多優(yōu)點，TSP方法已經成為長大隧道信息化施工中應用最廣泛的物探方法之一。

目前探測巖溶裂隙水的技術方法主要有水文地質法、地質雷達技術、瞬變電磁法和紅外探水法等。TSP方法對工作面前方遇到與隧道軸線近垂直的不連續(xù)體(節(jié)理、裂隙、斷層破碎帶等)界面的測量結果比較可靠，但在工作中發(fā)現，TSP對巖溶裂隙水的存在也有一定的反應。

1 TSP探測原理

TSP測量系統(tǒng)是通過在掌子面后方一定距離內的鉆孔中以微震爆破來發(fā)射信號的，爆破引發(fā)的地震波在巖體中以球面的形式向四周傳播，其中一部分向隧道前方傳播，經隧道前方的界面反射回來，反射信號經接受傳感器轉換成電信號并放大。從起爆到發(fā)射信號被接收的這段時間是與反射面的距離成比例的。通過反射時間與地震波傳播速度的換算就可以將反射面的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進面的距離確定下來，同時還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置方便的探測出來。

TSP地震波數據處理的第一步是根據測得的從震源直接到達傳感器的縱波傳播時間由式(1)換算出地震波的傳播速度:

其中，T1為直達縱波的傳播時間，s;L1為爆破孔至傳感器的距離，m。

確定反射界面位置的關鍵，是在準確判定反射界面的基礎上給出發(fā)射波的傳播時間。由式(1)求得地震波的傳播速度，就可以通過測得反射波傳播時間來推導出發(fā)射界面與接收傳感器的距離以及與隧道端面的距離，整個推導過程可由式(2)導出:

式中:T2——反射波的傳播時間;

L2——爆破孔至反射面的距離;

L3——傳感器至反射面的距離。

接收傳感器將接受到的反射波數據傳輸給記錄儀電腦儲存起來，利用處理軟件對儲存的數據進行處理，形成反映隧道相關界面的隧道影像點圖，由分析人員進行解釋，得到前方的地質情況。可以根據公式求出預測洞段的泊松比、靜態(tài)揚氏模量等信息，以用來對掌子面前方的不良地質體進行預報。

泊松比:

動態(tài)彈性模量:

式中:VS——橫波波速;

VP——縱波波速;

ρ——巖石密度。

2 工程概況

峽口隧道位于興山縣峽口鎮(zhèn)總長6 487.0 m，隧道最大埋深約1 500 m，屬深埋特長隧道。

隧道所處區(qū)域地貌單元屬構造剝蝕層狀單斜低中山地貌，地形起伏大，巖溶較為發(fā)育。隧道區(qū)大地構造屬于構造剝蝕層狀單斜低中山嶺地貌，山體由寒武系～三疊系碳酸鹽巖夾碎屑巖地層構成，以堅硬碳酸鹽巖砂巖為主、夾半堅硬泥頁巖，峰嶺走向受地層走向控制，呈南北向條帶展布。隧道所穿越的河間地塊為單斜構造區(qū)，由寒武系～奧陶系碳酸鹽巖地層、志留系～泥盆系碎屑巖地層、二疊系～三疊系碳酸鹽巖地層構成，地層走向近南北，中等傾斜，傾向西～西南。

3 TSP203系統(tǒng)數據采集、處理和解釋

本次預報采用的是TSP203plus系統(tǒng)，對隧道ZK108+580～ZK108+450段進行探測。沿隧道右側洞壁布置24個爆破點，爆破點平行于隧道底面呈直線排列，孔距1.5 m，孔深1.5 m，炮孔垂直于邊墻向下傾斜15°～20°。圖1為TSP深度偏移圖。

根據TSP探測成果可知，在ZK108+488附近，深度偏移圖中P波反射較S波弱，且S波負反射能量較正反射強;速度圖中P波處于高速區(qū)，S波處于低速區(qū);反射層提取圖中S波出現較明顯負反射面;巖性圖中S波曲線明顯下降，縱橫波波速比VP/VS和泊松比δ顯著增大，巖體密度ρ和動態(tài)楊氏模量E.Dyn明顯下降;因此，可推斷此處巖體內節(jié)理裂隙發(fā)育且含較多裂隙水。

圖1 深度偏移圖

4 實際開挖結果驗證

當隧道施工至ZK108+488時，掌子面節(jié)理裂隙發(fā)育，拱部呈破碎狀，掌子面出現大面積淋水，且拱頂中部有兩股狀出水點，兩個出水點相距約1.5 m。掌子面涌水情況如圖2所示。

圖2 掌子面涌水圖

通過開挖結果驗證比較，TSP超前地質預報對ZK108+488處涌水預報基本準確，對隧道的安全施工起到了指導作用。

5 結語

1)TSP對與隧道軸線近垂直的不連續(xù)體界面探測結果比較可靠，而在不連續(xù)體界面與隧道軸線斜交的情況下，探測結果存在一種不確定的(或遠或近)誤差。

2)TSP不僅可以準確可靠的探測節(jié)理、裂隙、斷層破碎帶等不良地質體的位置，還可以準確的探測裂隙水的賦存情況。

3)本次TSP超前地質預報對基巖裂隙水的探測結果基本準確，通過超前地質預報，能及時掌握掌子面前方的地質情況，為隧道施工和及時調整支護參數提供依據，有效地控制和避免地質災害的發(fā)生。

［1］肖書安，吳世林.復雜地質條件下的隧道地質超前探測技術［J］.工程地球物理學報，2004，1(2):159-164.

［2］王洪勇.綜合超前地質預報在圓梁山隧道中的應用［J］.現代隧道技術，2004，41(3):55-56.

［3］鐘世航，孫宏志，王 榮，等.隧道掌子面前方地質預報的現狀及發(fā)展之路［J］.工程地球物理學報，2007，4(3):180-185.

［4］許振浩，李術才，張慶松，等.TSP超前地質預報地震波反射特性研究［J］.地下空間與工程學報，2008，4(4):640-644.