淺埋隧道塌方冒頂后TSP及監(jiān)控量測回顧性分析研究

周露

(1.長沙理工大學， 湖南 長沙 410114；2.湖南華罡規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司， 湖南 長沙 410076)

目前，中國已有約1萬座公路、鐵路隧道，總長度5 000 km左右，隧道數(shù)量及總長度均居世界第一。在建隧道也很多，其中淺埋隧道塌方冒頂時有發(fā)生，特別是在雨季，有了水源、水量，常導致巖體滑層、垮塌。地質(zhì)超前預報(TSP)及監(jiān)控量測是隧道安全施工的重要技術(shù)手段。20世紀50年代，日本OYO在隧道兩側(cè)平行于隧道底板布置發(fā)射源和接收器，研發(fā)了HSP水平聲波剖面法。中國曾昭璜利用隧道垂直剖面獲得負視速度同相軸來識別掘進頭前方的反射波標準，并據(jù)此推測反射界面，該方法即為隧道垂直地震剖面法(TVSP)。發(fā)展至今的TSP技術(shù)已成為一種多波多分量高分辨率的地震反射方法。隧道監(jiān)控量測作為新奧法的三大核心之一，主要是對實測數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場分析、處理，為確定實際圍巖級別及變形特性提供準確依據(jù)，并決定二次襯砌的施作時間等。

1 TSP和監(jiān)控量測簡介

如圖1所示，TSP是在隧道圍巖中用炸藥激發(fā)24個震源點，彈性波傳播中遇到構(gòu)造破碎帶、巖溶發(fā)育帶等分界面時，部分地震信號會反射回來，利用加速度傳感器接收反射波，使用專業(yè)軟件處理分析掌子面前方地質(zhì)體信息，達到地質(zhì)超前預測預報的目的。

隧道監(jiān)控量測主要是對隧道凈空收斂、拱頂下沉、錨桿抗拔力、地表下沉、圍巖位移、砼應(yīng)變等信息進行監(jiān)控，為隧道施工中圍巖穩(wěn)定性和支護、襯砌施作提供可靠信息，并為施工中調(diào)整圍巖級別、修改支護系統(tǒng)設(shè)計和變更施工方法提供依據(jù)。

圖1 TSP原理示意圖

采用TSP303plus超前地質(zhì)預報系統(tǒng)，其觀測系統(tǒng)主要包括炮孔布置、傳感器鉆孔布置、測試前準備等，其中測線布置見圖2。

監(jiān)控量測使用的設(shè)備有地質(zhì)羅盤儀、光學水準儀、銦鋼水準尺、收斂儀、計算軟件等。監(jiān)測項目主要有地表沉降(22個測點位)、洞內(nèi)拱頂沉降(46個測點位)、洞內(nèi)凈空收斂(46個測點位)。

圖2 TSP觀測系統(tǒng)布置示意圖(俯視圖，單位：m)

2 TSP數(shù)據(jù)處理與分析

TSP數(shù)據(jù)基本處理流程為偏移距計算→數(shù)據(jù)準備→數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)→數(shù)據(jù)設(shè)置→時變高截→帶通濾波→初至拾取→拾取管理→拾取處理→炮能量均衡→Q估計→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。首先輸入炮點、接收點和隧道相關(guān)信息，將質(zhì)量合格的地震道用于數(shù)據(jù)處理與解釋。若縱波速度減小，表明節(jié)理裂隙發(fā)育；若為正反射振幅，表明巖層堅硬；若為負反射振幅，表明軟弱巖層；反射振幅越強，反射系數(shù)、波阻抗差異越大；若縱波反射比橫波反射弱，表明巖層含水；若縱橫波速度比或泊松比突然增大，可能是由流體引起。

如圖3、圖4所示，該段圍巖主要為頁巖，受地層巖性、構(gòu)造影響，圍巖呈較破碎～破碎狀，局部含水，局部可能存在夾泥或軟弱夾層。預測預報的掌子面前方150 m內(nèi)，在后期進入雨季時垮塌冒頂段的縱波波速為4 897～5 038 m/s、橫波波速為2 888～2 992 m/s，相對于其他正常段，波速偏低，但差異不明顯，推斷為雨季時節(jié)有了水源、水量，致使巖體滑層、垮塌。

圖3 巖石屬性圖

圖4 TSP二維成果圖

3 監(jiān)控量測統(tǒng)計與分析

如圖5所示，JGD35-1、JGD35-2、JGD35-3、JGD36 4個洞內(nèi)拱頂沉降測點的拱頂沉降測值中，沉降變化量最大的測點為JGD35-3和JGD36，最大累計變化量為-35 mm，日變化速率為-0.67 mm/d。

圖5 洞內(nèi)拱頂累計沉降曲線

如圖6所示，JSL35-1、JSL35-2、JSL35-3、JSL36 4個洞內(nèi)凈空收斂測點的收斂測值中，收斂變化量最大的測點為JSL35-3和JSL36，最大累計變化量為-20 mm，日變化速率為-0.38 mm/d。

圖6 洞內(nèi)凈空收斂累計曲線

4 結(jié)論

通過TSP回顧性分析、定量解釋，雖然該段圍巖強度有所增強、巖質(zhì)較硬，但巖體較破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育，施工中應(yīng)注意安全。根據(jù)監(jiān)控量測所得洞內(nèi)拱頂沉降、凈空收斂變化速率，隧道所處一定區(qū)域內(nèi)沉降、形變在雨季時的變化特征，特別是塌方冒頂前的極限累計變化量和日變化速率，可為隧道施工安全提供有力的技術(shù)支撐。