TGP與地質雷達在鐵路隧道超前地質預報中的綜合應用

李曉渭

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

目前,TSP地震預報、地質雷達(GPR)、紅外探水、超前水平鉆探等方法已在我國隧道工程中被廣泛應用[1-2]。某鐵路隧道全長3940.186 m,位于低中山區,地形高低起伏。隧道地層巖性由新到老主要為第四系全新統坡積塊石土、沖洪積漂石土、泥盆系中統片巖、變質砂巖、大理巖、片巖夾大理巖、華力西期閃長巖,節理發育,地層巖性變化較大,隧址有F4斷層經過,在斷層帶與大理巖巖性接觸帶區域是圍巖節理裂隙密集帶,為地下水的運移提供了通道。該區域可能存在巖體坍塌掉塊、突涌水、巖溶等不良地質災害。

對該隧道出口處進行預報。根據地質資料、地質調查及設計資料發現,該區段地質構造為閃長巖與大理巖夾片巖的不整合接觸帶,巖體破碎,富水,以裂隙水及碳酸巖巖溶水為主。由隧道設計縱斷面圖(見圖1)發現,該段落埋深100 m左右且山體上有較大地表徑流溝谷存在,巖性接觸帶的分界線穿過溝底,設計圍巖等級為Ⅴ級,初步分析該段落可能出現坍塌、突涌水及巖溶現象,需密切觀察水質及水量變化,提前做好施工安排,預防不良地質災害的發生。

圖1 隧道縱斷面Fig.1 Tunnel profile

1 數據采集

1.1 TGP超前預報數據采集

根據已開挖的隧道地質情況,對炮孔及接收孔進行選址。炮孔及接收孔盡量選擇在巖體相對完整、沒有洞室開挖的一側壁進行布設,布設要求第一個炮孔距離隧道掌子面3～5 m,背向掌子面方向間隔1.5～2.0 m垂直隧道軸向依次布設24個炮孔,炮孔盡量布設在同一標高上,孔深2.0 m略向下傾斜,確保可以用水來封孔起到耦合作用。接收器孔布設在距離最后一個炮孔20～30 m處,在兩側壁的同一里程斷面垂直隧道軸向分別布設1個,孔深2.0 m略向上傾斜并與炮孔布設在同一標高上,接收孔內需清理干凈,避免接收探頭難以放入,影響耦合效果。檢查炮孔及接收孔符合要求后,在每個炮孔內放入事先準備好的炸藥(一支瞬發電雷管+100 g左右的乳化炸藥),用水封孔,完成儀器的安裝及調試,通知準備依次進行微震爆破,采集現場數據。

1.2 地質雷達(GPR)超前預報數據采集

采用地質雷達探測時,根據現場開挖工藝進行測線布設。掌子面一般布設兩條測線,若現場需要可布設成“井”字型或網格形式。測線布設完成后,通過現場試驗測試,選取合適的天線工作參數,條件允許時探測宜采用連續測量方式,測線布設要盡量長,以獲取更多數據。現場數據采集時,工作場所環境較復雜,干擾較多,要時刻注意數據采集質量是否滿足要求,確保采集數據的真實有效,便于后期數據分析處理[3]。

2 預報數據處理與成果解譯

2.1 TGP預報數據處理與成果解譯

按照軟件處理流程對隧道出口處的原始數據進行分析處理,數據分析后得到的圖形有地震波三分量原始記錄(見圖2)、TGP綜合地質預報成果(見圖3)、巖體比速度參數成果(見圖4)、三維縱波繞射橫斷面掃描(見圖5)。

圖2 地震波三分量原始記錄Fig.2 Original three-component record of seismic waves

圖3 TGP綜合地質預報成果Fig.3 Results of TGP comprehensive geological forecast

圖4 巖體比速度參數成果Fig.4 Results of rock mass specific velocity parameters

圖5 三維縱波繞射橫斷面掃描Fig.5 Three-dimensional longitudinal wave diffraction cross section scanning

以預報段落的地質資料為依據,根據TGP數據解譯原則對圖2～圖5進行解譯分析。可將預報里程段隧道圍巖劃分為以下3個地質單元:A段,長度26 m;B段,長度30 m;C段,長度44 m。

對各地質單元的詳細推斷與建議如下:

1)A段,長度26 m。開挖揭示掌子面圍巖巖性為閃長巖,預報段估算巖體速度與炮孔實測段巖體速度相當,反映預報段圍巖巖體性質與炮孔段巖體性質基本一致,節理裂隙較發育,圍巖較破碎,局部有掉塊現象。建議按照現有施工參數進行施工,圍巖等級為Ⅳ級。

2)B段,長度30 m。由地質資料得知,該段巖性為大理巖夾片巖,結合預報成果可以得出以下結論:綜合地質預報成果在該區段縱波橫波速均明顯減小,尤其在20 m處時縱橫波速迅速降低,存在比較粗的藍色負反射條帶,反射界在此處比較集中。三維橫斷面掃描顯示從起點處,縱波繞射橫斷面切片藍色負反射條帶呈不完整圓圈出現,沿著隧道軸向,藍色負反射條帶向隧道洞身靠近,在24 m處的斷面切片隧道洞身附近都變成藍色,推斷在該處隧道節理裂隙發育,圍巖破碎,圍巖穩定性差,可能有裂隙水發育。施工中謹防拱頂坍塌及突涌水現象發生,提前做好排水及加強支護。建議圍巖等級為Ⅴ級。

3)C段,長度44 m。由估算巖體速度曲線可以看出,波速估計值較前段減小,但縱橫波速恒定不變,推測該段圍巖由于巖性發生變化,波速較測量段降低,反射面減少,圍巖均一,節理裂隙較發育,圍巖較破碎,由于還處于巖性接觸帶影響范圍內,建議圍巖等級為Ⅳ級。

2.2 地質雷達(GPR)預報數據處理與成果解譯

由于地質雷達采集現場一般環境比較復雜,采集到的地質雷達信號存在較多的干擾信號,也存在采集時天線移動難以保證勻速、記錄標記不均勻等現象,為了消除記錄不均勻現象及干擾信號對圖像解譯的影響,采用RADAN軟件,通過標記的歸一化、確定地面反射波信號位置、信號振幅自動增益調整、水平與垂直濾波、背景消除、反褶積等處理手段消除干擾,突出有用信號,輸出雷達實時波形剖面。

預報采用美國GSSI公司的SIR-3000型地質雷達,沿掌子面自左向右連續測量,在掌子面平整度較差時采取加密點測的方式,通過軟件處理得到隧道出口處的地質雷達探測反射波形(見圖6)及單點反射波形(見圖7)。

圖6 隧道出口地質雷達探測反射波形Fig.6 Geological radar detection of reflection waveform of the tunnel exit

圖7 隧道出口地質雷達單點反射波形Fig.7 GRADar single point reflection waveform of the tunnel exit

根據地質雷達探測得到的反射波形,結合預報段落地質資料及TSP超前地質預報報告,本次探測成果解譯為:掌子面雷達反射波形前方3 m范圍內出現強振幅波形,代表雷達波直達波及掌子面前方3 m范圍爆破造成的振動松弛區,掌子面前方8～20 m,雷達波波幅及相位變化較大,電磁波頻率高,同向軸錯斷,波形不光滑,毛刺較多,衰減較快,說明圍巖處于接觸帶分界線位置,圍巖節理裂隙發育,圍巖破碎,裂隙水發育,圍巖穩定性差,容易出現坍塌、突涌水現象。在施工中應注意防止坍塌、涌水情況的發生。建議圍巖級別按照V級加強進行支護、超前支護與二襯緊跟的方式施工,避免發生事故。在掌子面前方20～25 m,由于電磁波能量的衰減較多,后面波形參考意義不大。

3 超前預報成果的驗證對比

根據超前地質預報成果,在隧道掌子面開挖時,采用超前水平鉆探對預報里程段的不良地質體進行探測,在鉆機向前鉆進過程中發現鉆進速度不均勻,有混濁的裂隙水順鉆孔流出,當鉆進到31 m附近時,水量變大,退出鉆機,有一定壓力的裂隙水從鉆孔噴出,通過排水泄壓后采取短掘進、弱爆破開挖,當掌子面開挖到32 m時,掌子面巖體節理發育,圍巖破碎,穩定性差,不斷有巖塊掉落,有較大裂隙水流出(見圖8)。

圖8 隧道出口掌子面裂隙水發育Fig.8 Water development of tunnel outlet metacarpal surface fissure

通過TGP與GPR物探技術相結合的方法,掌子面前方100 m范圍圍巖地質情況預報結果與實際開挖基本吻合。

4 結束語

在隧道出口地質超前預報工作中,以預報段地質資料為依據,通過TSP與GPR長短距離相結合的預報方法,對隧道掌子面前方圍巖工程地質情況有了比較準確的掌握,對后續隧道施工參數與工藝的選取有一定的指導意義, 有效控制了地質災害的發生。任何一種預報方法都不可能做到準確無誤,需不斷學習、不斷積累、不斷探索,以實現高精度、高水平的超前地質預報。