長大高速公路隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

周浩宇，陸 超，楊永平

(1.江西交通咨詢有限公司 南昌市 330008； 2.中聯(lián)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 南昌市 330038)

常用的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法有超前鉆探法、物探法、超前導(dǎo)坑法等，在實(shí)際工程中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)需要因地制宜，需要全面考量地質(zhì)條件等因素，針對(duì)不同的情況，采用合適的方法和手段。論文研究的隧道采用物探法中的TSP方法和地質(zhì)雷達(dá)的方法開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[1-2]。

1 工程概況

1.1 隧道情況

某隧道位于江西省境內(nèi)，項(xiàng)目起點(diǎn)樁號(hào)為K73+800，終點(diǎn)樁號(hào)為K78+365.978，路線全長4.57km。本隧道圍巖級(jí)別為Ⅴ～Ⅲ級(jí)，巖性主要為砂巖。隧道洞身分界樁號(hào)位于直線上，隧道出口位于平曲線上，左、右幅隧道均為R-3000m右轉(zhuǎn)曲線。左、右線間有車行橫洞1處，人行橫洞1處。 隧道左線長1337 m( ZK72+433～ ZK73+770)，右線長1364 m( YK72+436～ YK73+800)。隧道平面設(shè)計(jì)為左右線分離雙向四車道隧道。

1.2 水文地質(zhì)條件

風(fēng)化帶孔隙裂隙水：賦存在第四系坡積層底部以及基巖風(fēng)化帶(主要是強(qiáng)風(fēng)化到中風(fēng)化巖層中)，屬于潛水，其富水性受到地形地貌條件以及風(fēng)化裂隙的發(fā)育程度影響，富水性不均勻，因?yàn)樗淼绤^(qū)地形起伏較大，巖石的風(fēng)化帶厚度有限，一般富水性較弱。主要接受大氣的降水及地下水的側(cè)向補(bǔ)給，受季節(jié)的影響變化大，向下游地下水進(jìn)行排泄。

基巖裂隙水：賦存于隧道區(qū)域的基巖裂隙當(dāng)中，富水性和導(dǎo)水性相對(duì)比較差，而且較不均勻，主要接受大氣的降水以及地下水的側(cè)向補(bǔ)給，向下游地下水進(jìn)行排泄。

構(gòu)造裂隙水：賦存于隧道區(qū)域內(nèi)的破碎帶和節(jié)理裂隙密集區(qū)，富水性、導(dǎo)水性相對(duì)較好，但不均勻，主要接受大氣降水及地下水的側(cè)向補(bǔ)給，向下游地下水排泄。

2 超前預(yù)報(bào)方法

2.1 TSP

TSP工作原理是采用排列方法在隧道圍巖中發(fā)射彈性波，彈性波朝著三維空間傳播，途中碰見巖溶和巖溶發(fā)育帶、構(gòu)造破碎帶等聲阻抗界面，彈性波會(huì)反射，布置在隧道圍巖內(nèi)的檢波裝置接收反射回來的反射波，并且輸送到能夠進(jìn)行信號(hào)的放大、數(shù)字采集和處理的儀器中，分析反射波傳遞的隧道掌子面前方的信息，完成超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。采集的 TSP數(shù)據(jù)，通過 TSPwin軟件進(jìn)行處理，獲得 P波、 SH波、 SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面和反射層提取以及巖石物性參數(shù)等一系列成果[3]。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)的基本原理是：發(fā)射機(jī)依靠發(fā)射天線發(fā)射一種脈沖電磁波訊號(hào)。發(fā)射的訊號(hào)在巖層中傳播，遇到被測(cè)目標(biāo)時(shí)，產(chǎn)生反射訊號(hào)。直達(dá)訊號(hào)和反射訊號(hào)可以經(jīng)過接收天線記錄到接收機(jī)中，經(jīng)過處理，示波器將信號(hào)表現(xiàn)出來。通過觀察是否有反射訊號(hào)來判斷是否有探測(cè)目標(biāo)；獲得反射訊號(hào)與直達(dá)訊號(hào)到達(dá)時(shí)間的差值及探測(cè)目標(biāo)反射平均波速，經(jīng)過計(jì)算，得到接收點(diǎn)到探測(cè)目標(biāo)的大致距離。

3 隧道現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本項(xiàng)目A6標(biāo)隧道進(jìn)口和A7隧道出口，地質(zhì)完整性較差，整個(gè)線路存在斷層破碎帶、軟弱地層、巖溶等不良地質(zhì)，隧道施工風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.1 TSP

3.1.1測(cè)試儀器及探測(cè)步驟

使用TSP203型超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。探測(cè)的基本步驟為：先布置鉆孔，然后完成鉆孔施工，其次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，最后提交分析報(bào)告。

測(cè)線測(cè)點(diǎn)布置：人為制造小型爆破，產(chǎn)生振動(dòng)波，在一側(cè)的隧道洞壁施作24個(gè)孔距1.5m、孔深1.5m爆破孔；炮孔垂直于邊墻向下傾斜15°～200°，這么做的目的是后期利于灌水堵孔。在距離末端的爆破點(diǎn)15～20m的地方，在一側(cè)或者雙側(cè)設(shè)置接收器點(diǎn)位，接收器安裝孔的要求是，孔深為2m，同時(shí)需將接收傳感器放置其中。

探測(cè)：探測(cè)中，按順序引爆炸藥，產(chǎn)生小型的地震波，地震波傳播途中，遇到異常界面時(shí)，產(chǎn)生反射波，不良地質(zhì)界面的產(chǎn)狀、性質(zhì)、界面至接收點(diǎn)的距離可以由產(chǎn)生的反射波的強(qiáng)度和反射波傳送的時(shí)間分析得到。記錄儀電腦儲(chǔ)存有傳感器傳輸?shù)姆瓷洳〝?shù)據(jù)，經(jīng)過軟件處理，獲得隧道影像點(diǎn)圖，再由分析人員解釋，得到工程中隧道前方的地質(zhì)情況。

3.1.2資料分析與處理

在成果解釋中，以P波資料劃分主對(duì)巖層，并綜合橫波的資料進(jìn)行解釋。解釋中，遵循以下準(zhǔn)則：

(1)正反射、負(fù)反射振幅分別對(duì)應(yīng)硬巖層、軟巖層。

(2)S波的反射如果相比于P波強(qiáng)，表明巖層飽含水。

(3)一般情況下，當(dāng)發(fā)生Vp/Vs增大或δ突然增大，是因?yàn)榱黧w的存在而引起。

(4)若Vp下降，則表明裂隙或孔隙度增加。

3.1.3本隧道TSP探測(cè)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果分析

數(shù)據(jù)采集使用TSP203plus儀器，隧道右側(cè)墻布置震源，共設(shè)24炮，實(shí)際上共激發(fā)22炮。設(shè)計(jì)參數(shù)方面，采樣率調(diào)整到62.5μs，記錄長度調(diào)至451ms，接收使用三分量檢波器。探測(cè)深度為掌子面前方90m。TSP預(yù)報(bào)成果解譯如圖1所示，分析可知，范圍內(nèi)的硐段未發(fā)現(xiàn)異常，圍巖在掌子面前方30m范圍內(nèi)條件較好，在30～60m范圍內(nèi)條件差，存在安全隱患，然后圍巖條件逐漸變優(yōu)。因此施工過程中，為了更準(zhǔn)確地掌握掌子面前方的情況，每開挖15m，需使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前探測(cè)。在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)開挖后，發(fā)現(xiàn)確實(shí)在掌子面前方大約45m處，圍巖條件差，存在小型掉落、塌方的情況，而后方的圍巖條件變好，可見，實(shí)際情況和預(yù)測(cè)情況一致度高。

圖1 TSP探測(cè)巖體物性圖

3.2 地質(zhì)雷達(dá)

3.2.1測(cè)試儀器及探測(cè)流程

儀器采用的是型號(hào)為SIR-3000的探測(cè)美國地質(zhì)雷達(dá)，天線主頻為100MHz。

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)主要流程：

(1)對(duì)隧道掌子面的圍巖情況進(jìn)行檢查和記錄。

(2)連接和調(diào)試?yán)走_(dá)主機(jī)、天線以及專用采集筆記本電腦。

(3)做好進(jìn)入采集模式的準(zhǔn)備，盡量避免各種電磁的干擾和串?dāng)_。

(4)通過采集方式，確定天線的運(yùn)動(dòng)方式，采集數(shù)據(jù)。

3.2.2地質(zhì)雷達(dá)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果分析

數(shù)據(jù)處理采用美國雷達(dá)專用處理軟件以及本單位自行開發(fā)的二次處理軟件。布設(shè)一條長度8m的側(cè)線，側(cè)線位于掌子面底部。本次預(yù)測(cè)范圍為掌子面前方25m，地質(zhì)雷達(dá)的成果解譯如圖2所示。分析結(jié)果來看，預(yù)測(cè)范圍內(nèi)圍巖條件差，表現(xiàn)為巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體呈中風(fēng)化。另外實(shí)際施工時(shí)需要注意，在掌子面前方10m發(fā)育一條含水裂隙。實(shí)際開挖后，發(fā)現(xiàn)掌子面前面9m左右存在強(qiáng)滲水，可見，實(shí)際情況和預(yù)測(cè)情況一致度高。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道，地質(zhì)超前預(yù)報(bào)可有效識(shí)別掌子面前方的不良地質(zhì)，為隧道施工提供指導(dǎo)。

(2)TSP203和地質(zhì)雷達(dá)均可有效識(shí)別掌子面前方的不良地質(zhì)，其中TSP203對(duì)斷層破碎帶的識(shí)別精度高，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)地下水的探測(cè)具有較好的效果，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件，需開展綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。