TSP203在小角度不整合帶隧道中的應(yīng)用研究

梅 華 鄭立孝 劉文祥

(湖南工學(xué)院 建筑工程與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院 湖南衡陽(yáng) 421002)

0 引言

目前， TSP探測(cè)系列在很多隧道施工過程中對(duì)水文地質(zhì)情況進(jìn)行了比較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，并得出了很多有價(jià)值的探測(cè)經(jīng)驗(yàn)和解譯規(guī)律[1-4]。然而，TSP作為一種物探方法，其探測(cè)和解譯結(jié)果的多解性與隨機(jī)性特點(diǎn)[5-6]，除與實(shí)際操作者的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、儀器的精度等有關(guān)外，主要還是取決于自然環(huán)境和地質(zhì)條件的復(fù)雜性[5-7]。所以，開展不同地質(zhì)情況下的TSP探測(cè)和解譯成果研究，不斷地積累該方面的工程實(shí)踐資料，對(duì)提高TSP探測(cè)精度和解譯成果的準(zhǔn)確性具有非常重要的意義。

本文以十天高速公路小川隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為工程實(shí)例，通過TSP探測(cè)成果與實(shí)際開挖結(jié)果對(duì)比分析，力求得出在小角度不整合帶地質(zhì)情況下隧道TSP探測(cè)成果圖特點(diǎn)及探測(cè)準(zhǔn)確性。通過對(duì)TSP的實(shí)例預(yù)報(bào)分析，為該隧道的施工提供幫助，也為今后類似工程的探測(cè)和研究提供參考。

1 工程概況

小川隧道位于甘肅省隴南市成縣，隧址區(qū)位于徽成盆地西南部與秦嶺山地交匯處，山高溝深，溝壑縱橫，地下水豐富，氣候溫暖濕潤(rùn)，植被覆蓋率較高。隧道為分離式雙洞特長(zhǎng)隧道，長(zhǎng)3428.5m，最大埋深為360m。地層巖性主要為中、上石炭統(tǒng)(C2+3)中厚層～塊狀灰?guī)r，中厚層～薄層狀碳質(zhì)板巖及中厚層狀砂巖，主要分布于隧道洞身段；新近系(N2)泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖及礫巖，主要分布于出口段及洞身段的平緩地帶，不整合于石炭系地層之上；第四系晚新統(tǒng)風(fēng)積層(Q3col)黃土主要分布于山頂?shù)容^高位置；第四系全新統(tǒng)坡積層(Q4dl)，分布于斜坡及槽谷地帶。地表水主要為水流量較小的沖溝季節(jié)性流水及泉水，地下水有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、碳酸巖巖溶裂隙水。圍巖劃分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)。

2 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與處理

圖4 巖體物理力學(xué)參數(shù)圖

在隧道出口段TSP探測(cè)試驗(yàn)中，由于隧道內(nèi)右壁靠近左線隧道，炮孔和接收孔均布置于上臺(tái)階的左側(cè)壁上。掌子面里程為YK607+673，接收器里程為YK607+727，布設(shè)24個(gè)激發(fā)炮孔，1個(gè)接收孔，預(yù)報(bào)里程范圍為YK607+673～+573。依據(jù)規(guī)定對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)布置好后，按要求安裝套管和接收器，并裝藥激發(fā)和數(shù)據(jù)采集。

2.2 解譯分析與預(yù)報(bào)

由三波的深度偏移圖(圖1～圖3)可知，P波深度偏移圖中有很多較寬的負(fù)反射條帶，表明存在巖性由強(qiáng)變?nèi)醯内厔?shì)；SH波和SV波正前方反射條帶存在明顯異常凹凸現(xiàn)象。

圖1 P波深度偏移圖

圖2 SH波深度偏移圖

圖3 SV波深度偏移圖

由巖體物理力學(xué)參數(shù)圖(圖4)可知，距離掌子面較近范圍的參數(shù)相對(duì)波動(dòng)較小，較遠(yuǎn)處的參數(shù)相對(duì)波動(dòng)較大，這與圍巖的特點(diǎn)和地震波以球面?zhèn)鞑ビ嘘P(guān)。

圖5 縱視圖與俯視圖

由縱視圖和俯視圖(圖5)可知，反射界面分布比較雜亂，規(guī)律性較差，多個(gè)反射界面相互交叉，與隧道軸線夾角離散性較大，均由P波、SH波和SV波各一個(gè)反射界面組成，每組反射界面內(nèi)的3個(gè)反射界面相距較近，與隧道軸線夾角相差不大。

根據(jù)以上分析，可得出YK607+573～+673段TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論，具體如表1所示。

表1 小川隧道TSP預(yù)報(bào)結(jié)果

3 實(shí)際開挖情況分析

3.1 掌子面描述情況

小川隧道(右線)在里程為YK607+673～YK607+573段開挖施工過程中，上臺(tái)階共進(jìn)行了30次開挖施工循環(huán)，掌子面地質(zhì)描述連續(xù)進(jìn)行了31次，每?jī)纱蚊枋銎骄g距為3.3m。描述時(shí)間為每次上臺(tái)階開挖完畢。

根據(jù)描述結(jié)果分析得出，該段隧道地層巖性主要為石炭系(C2+3)塊狀灰?guī)r和新近系(N1)厚層礫巖。其中灰?guī)r有方解石巖脈，出露于掌子面左下半部分，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為60～85MPa，屬于較堅(jiān)硬巖，無貫通型節(jié)理裂隙；礫巖出露于掌子面右上半部分，膠結(jié)性差，遇水易軟化，單軸抗壓強(qiáng)度約40MPa，屬于較軟巖，節(jié)理裂隙較多寬度較大，產(chǎn)狀均為330°∠80°，裂隙閉合，內(nèi)有泥質(zhì)/鈣質(zhì)充填物。灰?guī)r層呈巨厚層狀，礫巖巖層有明顯層里構(gòu)造，走向?yàn)镹E55°或SW235°，傾向?yàn)镾E145°，傾角為3°，走向近似平行隧道軸線。上覆新近系(N1)礫巖地層和下伏石炭系(C2+3)灰?guī)r地層之間為缺失不整合接觸帶，產(chǎn)狀均為188°∠25°，厚度變化較大，為8cm～45cm，微風(fēng)化，出露較良好。YK607+642～+629.2段掌子面中部不整合帶下盤存在多處較大滲水，呈面流狀，拱頂?shù)嗡^多，如圖6所示。

圖6 YK607+629.2掌子面中部

圖7 實(shí)際開挖掌子面不整合面隨里程變化趨勢(shì)

3.2 不整合帶TSP探測(cè)效果分析

3.2.1不整合帶空間分布探測(cè)效果分析

由地質(zhì)描述結(jié)果可知，不整合帶兩側(cè)巖體強(qiáng)度差異較大，且節(jié)理裂隙也有所不同，圍巖情況相差較大。本段P波深度偏移圖中右側(cè)反射條帶相對(duì)較密集且強(qiáng)度稍大，這與不整合接觸面及影響帶位于TSP觀測(cè)系統(tǒng)右側(cè)吻合。深度偏移圖中負(fù)反射條帶相對(duì)較多且能量較大，與掌子面描述的較硬巖灰?guī)r減少的實(shí)際情況相對(duì)應(yīng)。由于不整合帶填充效果較好，且不整合接觸面走向與隧道軸線呈小角度相交，TSP探測(cè)的深度偏移圖等成果圖中也沒有出現(xiàn)明顯的差異分界面。因此，通過分析和相關(guān)資料顯示，TSP無法準(zhǔn)確探測(cè)出不整合分界面的位置和空間展布狀態(tài)。

根據(jù)巖體物性參數(shù)圖可知，YK607+620位置巖體物性參數(shù)下降幅度很大，跟TSP的直觀性解譯結(jié)果為YK607+620～+573段巖體強(qiáng)度降低，存在明顯巖性分界面。實(shí)際開挖是在YK607+673～+622.4段不整合接觸帶分界面呈向左下角下降趨勢(shì)，至YK607+622.4以后掌子面中部地面2.1m以上均為新近系礫巖，灰?guī)r所占比例降低，在TSP探測(cè)范圍內(nèi)沒有存在明顯的巖性變化。根據(jù)以上分析和TSP儀器特點(diǎn)對(duì)此分析，可能是地震波由灰?guī)r巖層進(jìn)入礫巖巖層導(dǎo)致。由于觀測(cè)系統(tǒng)是布置于左側(cè)壁灰?guī)r中，且不整合分界面位于右上角一定距離，根據(jù)地震波在巖體中沿球面向前擴(kuò)散，即地震波在巖體內(nèi)激發(fā)后是向整個(gè)空間傳播，而TSP接收器卻只能接收到前方一定范圍內(nèi)的地震波，所以，在靠近掌子面附近一定距離內(nèi)與隧道前方大角度擴(kuò)散的地震波無法被接收，只有隧道前進(jìn)方向部分地震波才能被接收。

3.2.2不整合帶地下滲水探測(cè)效果分析

TSP預(yù)報(bào)有無地下水效果還是比較準(zhǔn)確，但是對(duì)于含水量的多少則存在一定的誤差，YK607+ 673～+629.2段探測(cè)的淋雨?duì)罨蚓植坑克c實(shí)際開挖滲水存在一定的出入，可能原因?yàn)榈刭|(zhì)情況的復(fù)雜性導(dǎo)致地下水徑流的不確定性，以及儀器本身的局限性，或解譯規(guī)律的不完善。

對(duì)于TSP預(yù)測(cè)少量地下水無法明確辨識(shí)出來。通常判斷地下水是根據(jù)物性參數(shù)圖中橫波下降幅度較縱波大判斷，即VP/VS或μ呈現(xiàn)明顯的增大。VP/VS或μ呈現(xiàn)明顯的增大，并不一定是含有地下水，并且地下水的含量也無法根據(jù)VP/VS或μ的變化幅度來判斷。

3.2.3不整合帶節(jié)理裂隙發(fā)育探測(cè)效果分析

YK607+673～+632段節(jié)理裂隙發(fā)育密集帶，判斷依據(jù)為該段縱視圖中存在很多正負(fù)反射界面，縱橫波反射均有，且反射界面延伸性較差，相互交錯(cuò)，存在部分位置聚集現(xiàn)象；其次為物性參數(shù)波動(dòng)較頻繁，幅度較明顯；深度偏移圖顯示為正負(fù)反射條帶相間。實(shí)際開挖情況為該段節(jié)理裂隙發(fā)育，部分位置節(jié)理裂隙密集發(fā)育帶，且其閉合性較好，為泥質(zhì)/鈣質(zhì)充填。但實(shí)際開挖較大的節(jié)理裂隙相對(duì)較少，尤其是YK607+640～+632段預(yù)報(bào)與實(shí)際相差較大，分析其部分反射界面應(yīng)為不整合帶界面，且由于不整合帶部分里程位置存在灰?guī)r與礫巖過渡區(qū)域，巖體均勻性較差，導(dǎo)致產(chǎn)生較多的反射界面。

YK607+620～+573段物性參數(shù)波動(dòng)頻繁且幅度較大預(yù)測(cè)為節(jié)理裂隙較發(fā)育，實(shí)際開挖情況為1～2條較大節(jié)理裂隙，較多較小節(jié)理裂隙，預(yù)報(bào)結(jié)果基本準(zhǔn)確。但認(rèn)為TSP物性參數(shù)波動(dòng)幅度較大并不是節(jié)理裂隙導(dǎo)致，而是地震波在灰?guī)r和礫巖兩類差異較大巖層中所致。

4 結(jié)論

通過以上分析得出以下結(jié)論：

(1)TSP203系統(tǒng)對(duì)與隧道軸線呈小角度不整合帶探測(cè)，P波深度偏移圖負(fù)反射條帶很多且較寬，S波反射條帶存在明顯凹凸現(xiàn)象，巖體物理力學(xué)參數(shù)相對(duì)波動(dòng)較大，反射界面較多且分布較雜亂。

(2)對(duì)于不整合接觸面走向與隧道軸線呈小角度相交的情況，不整合分界面的位置和空間展布狀態(tài)需要根據(jù)TSP探測(cè)與前期開挖掌子面描述、地質(zhì)勘察才能確定；TSP能較準(zhǔn)確預(yù)報(bào)不整合帶處地下水的存在，但對(duì)于地下水的水量無法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)；TSP對(duì)于不整合帶附近節(jié)理裂隙的預(yù)報(bào)結(jié)果基本準(zhǔn)確，但解譯結(jié)果會(huì)受到不整合面的影響。

(3)通過實(shí)例分析表明，TSP能較準(zhǔn)確地進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，但對(duì)于差異性不太明顯的地質(zhì)體，其預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際開挖情況存在一定差異，對(duì)于該問題的解決還需進(jìn)行進(jìn)一步研究。