TGP超前地質預報技術在丹洲二號隧道斷層破碎帶中的應用

鐘乃龍

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著國民經濟的飛躍，交通事業也得到了進一步的發展。山嶺地區采用隧道穿越是交通基礎建設的一大趨勢，然而因地形、地質條件的復雜性給現場施工帶來了嚴峻的挑戰。盡管勘察階段投入了大量的財力、物力、時間，但因地形地貌的多變性、地質條件的復雜性，加之交通行業勘察技術的現狀水平不高以及時間和經費的有限，勘察階段的地質資料難免存在不準確甚至錯誤的現象，從而誤導設計。因此，施工過程中進行超前地質預報是必要的[1-2]。

超前地質預報主要是探測開挖面前方水文地質情況，分析不良地質體的性質、位置、規模等特征，指導現場施工，避免因盲目的施工造成生命、財產損失，同時也是現場進行設計變更的有力依據。目前，國內外施工階段主要采用的預報方法有地質雷達法、電測深法、瞬變電磁法、地震波反射法、陸地聲吶法、現場取芯鉆孔法、掌子面地質素描法等[3-5]。TGP是地震波反射法中的一種，其原理與TSP地震波反射法原理相似。國內于20世紀90年代引進隧道地震波超前地質預報技術，同期鐵一院物探隊分別在侯月線云臺山隧道、寶中線頡河隧道、老爺嶺隧道成功運用該技術。經過幾十年的消化吸收、改進，目前TGP超前地質預報技術在超前地質預報中已得到廣泛運用，并在業內得到很好的認可[6]。基于TGP超前地質預報技術，本文對三江至柳州高速公路丹洲二號隧道斷層破碎帶段進行探測，對探測結果進行了分析，并進行開挖驗證。

1 TGP工作原理

TGP超前地質預報技術是利用地震波在三維空間傳播遇到斷層破碎帶、溶洞及富水帶等不良地質體分界面產生反射波，被傳感器接收，通過軟件處理后，達到準確判斷地質體的性質、位置、規模的目的。檢測結果分析應遵循以下原則[6-7]：

(1)以左、右兩側采集的數據進行比對分析。

(2)判斷不良地質規模、性質，遵循縱波(P波)與橫波(SH、SV)相結合綜合分析判斷的原則。縱波主要判斷巖體完整性，波速越高完整性越好，反之，巖體完整性越差；橫波主要判斷地下水的富水量，橫波越低含水量越高，反之，地下水越發育。

(3)判斷不良地質范圍，以縱波為主，橫波為輔。

2 工程實例

2.1 工程概況

丹洲二號隧道左線長度為957 m，右線長度為902 m，屬于中隧道。隧道區屬低山地貌，地形起伏較大，溝谷發育。沿隧道走向地表部分地段基巖出露，坡殘積層覆蓋，植被茂密。隧區主要由殘坡積層粉質黏土(Qdl+el)和中-強風化狀上板溪群板巖(Ptb)組成。勘察設計階段ZK51+106～ZK51+256為斷層破碎帶段，存在較大的施工安全隱患，若未探測清楚地質情況盲目開挖，極有可能出現突泥、涌水、坍塌等不良地質災害，危及現場施工人員生命安全，造成財產損失以及工期延誤。因此，對丹洲二號隧道斷層破碎帶段進行地質超前預報工作是非常有必要的。

2.2 數據采集

TGP超前地質預報系統是在靠近隧道左邊墻或右邊墻布置24個爆破孔，爆破孔布置于同一水平面上，布置總長度為69～81 m，孔深2.0 m，下傾10°～15°(保證水能封孔)的炮孔。第1個爆破孔距檢波器孔20～30 m，第24個爆破孔距開挖面3～5 m，爆破孔間距為2 m，接收孔(檢波器)應布置于巖體完整性較好的地段，記錄接收孔里程、激發孔里程、掌子面里程。逐炮孔安置帶有計時線的炸藥卷，藥量控制在60～120 g。然后對逐炮地震波數據進行采集，數據采集過程中避免洞內施工噪音干擾，同時停止隧道內振動作業。本次TGP超前地質預報檢測激發孔24個，實際激發23個，其中22個激發孔檢測數據良好，滿足數據處理和解釋要求。

2.3 預報成果解譯

2.3.1 地震波三分量記錄圖

將采集的TGP地震波數據導入TGPwin軟件，按采集的波速計算，管波傳播速度接近340 m/s，濾除管波干擾，如圖1所示。

2.3.2 縱橫波偏移成果圖

縱橫波偏位成果圖是超前地質預報成果演繹的重要依據，圖形中異常部分波形既有有效波生成的，也有干擾波生成的，因此，必須進行繞射波偏移和歸位處理。根據偏移圖的異常推斷巖體不良地質的位置、規模、性質。圖2～4分別為ZK51+106～ZK51+256測段的縱波偏移成果圖、橫波SH偏移成果圖和橫波SV偏移成果圖。

圖1 地震波三分量示例圖

圖2 縱波(P波)偏移成果圖

圖3 橫波(SH)偏移成果圖

圖4 橫波(SV)偏移成果圖

2.3.3 地質構造與結構參數(表1)

表1 地質構造與結構參數表

由表1可知，ZK51+106～ZK51+256測段范圍內，共有8條反射界面，其中縱波4條，橫波4條。分別根據波軸相似度、反射幅度比，將反射界面分為三類：(1)強反射界面2個(序號3、4)；(2)中等反射界面2個(序號7、8)；(3)弱反射界面4個(序號1、2、5、6)。上述反射界面8個，有4個正反射特征、4個負反射界面(見表1)。根據TGP超前地質預報技術基本原理判斷，負強反射為斷層破碎帶，負中等反射為節理裂隙發育帶，負弱反射為節理裂隙一般。縱波中正強反射界面處為由軟巖向硬巖的過渡；橫波中正強反射含水量大。測段范圍內巖層走向與隧道軸線的水平夾角在61°～121°范圍內。

2.3.4 超前地質預報成果(圖5)

圖5 TGP超前地質預報成果圖

采用TGPwin軟件分析，結合開挖面的水文地質條件，對三江至柳州高速公路丹洲二號隧道ZK51+106～ZK51+256測段進行超前地質預報分析。

ZK51+106～ZK51+150測段縱橫波速較低，縱波出現較強的負反射，推測該段為破碎帶，巖體較破碎，節理裂隙較發育，自穩能力較差。其中，ZK51+130～ZK51+150段處縱波出現強的負反射，且ZK51+135附近出現較大的橫波，推測此段為一處斷層破碎帶，該段施工中易出現掉塊、塌方等現象，施工中可能出現滲水現象，施工過程中應加強支護，做好防排水措施。ZK51+150～ZK51+190測段縱波波速較高，縱波出現中等正反射，推測測段圍巖以中風化板巖為主，巖性較前段變好。ZK51+190～ZK51+256測段縱波波速較低，縱波出現中等負反射，推測測段圍巖以中-強風化板巖為主，圍巖較前段變差，自穩能力較差，施工中易出現塌方、掉塊等現象，可能出現點滴狀出水，施工中應采取措施加強支護。

3 開挖驗證

測段開挖驗證，掌子面ZK51+106圍巖以中風化為主，呈灰褐色，節理裂隙較發育，多呈閉合狀態，巖體為塊狀結構、潮濕、巖質堅硬、自穩能力一般。ZK51+138處以中-強風化為主，灰褐色，節理裂隙發育，呈塊碎狀結構，黃褐色黏性土膠結，巖質較硬，巖體有變差的趨勢，左側拱腰有滲水。ZK51+197以強風化為主，節理裂隙發育，呈塊碎狀結構，黃褐色黏性土填充，拱部點滴狀出水，自穩能力較差-差。隧道開挖揭露地質情況基本與檢測結果相符，圍巖整體呈逐漸變差的趨勢，局部存在有破碎帶、黏性土填充，整體含水量變化不大，呈點滴狀出水。

4 結語

本文采用TGP206超前地質預報系統對三江至柳州高速公路丹洲二號隧道斷層破碎帶段進行預報，對預報結果和實際開挖揭露的水文地質情況進行對比分析，預報結果與實際水文地質情況基本吻合。

(1)TGP超前地質預報系統預報長度長、周期長，可減少對現場施工的干擾，操作簡易，預報結果準確。

(2)TGP預報可以帶來較長時間上的超前性，現場施工人員可以較超前地了解開挖面前方水文地質情況，提前采取有效的施工措施，有效地減少因不良水文地質情況導致塌方、突泥、涌水等不良地質災害的發生，減少經濟損失，避免因不良水文地質原因造成施工工期的延誤。

(3)經開挖驗證，本次超前地質預報結果與實際水文地質情況基本吻合，較準確地判斷了不良地質體的位置、規模以及性質。

(4)TGP也存在一些問題，在判別不良地質體時沒有明確的判定指標，較多地依賴檢測地質專家的現場經驗。檢測過程對現場條件要求較高，現場施工對預報結果干擾性較大，且一次檢測時間較長，現場進行檢測需要的作業空間較大。這些不良因素均是TGP預報系統今后一段時間必須進行改進的地方。