吳德勝 張富貴 李麗

(1中國中鐵二局第三工程有限公司 四川成都 610031)

(2重慶地質(zhì)儀器廠 重慶 400033)

1 概述

明月山隧道跨川、渝兩省,穿越明月山,左洞長6557m,右洞長6555m,是滬蓉國道主干線支線忠縣至墊江高速公路的重點(diǎn)工程。明月山隧道地質(zhì)復(fù)雜,隧址區(qū)位于新華夏系川東弧形構(gòu)造,華鎣山隆褶帶明月峽背斜中段鞍部,隧道穿越明月山背斜,地表沿背斜軸部發(fā)育一條走向斷層。受地質(zhì)構(gòu)造影響,隧道進(jìn)口段 K4+416～K5+700段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、巖溶發(fā)育,巖體破碎,富含層間裂隙水和巖溶水,穩(wěn)定性差,開挖前期多次發(fā)生突水、坍塌,給正常施工帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn),嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和工期。由于該段以Ⅱ類圍巖為主,且地下水多以股狀、大股狀產(chǎn)出,因此開挖方式和支護(hù)參數(shù)與設(shè)計(jì)相比發(fā)生了很大變化,堵水墻、全斷面深孔預(yù)注漿在施工過程中被大量應(yīng)用。相比隧道進(jìn)口段,出口段圍巖相對較好,主要為砂巖、泥巖,巖體較完整、局部破碎,圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主。

為了在隧道掘進(jìn)前掌握掌子面前方地質(zhì)變化情況,從而合理安排掘進(jìn)速度,優(yōu)化施工方案,加強(qiáng)防護(hù)措施,防止坍塌、突水突泥可能帶來的人員傷亡事故和經(jīng)濟(jì)損失,確?？茖W(xué)、安全通過不良地質(zhì)段,通過比較,決定采用 TSP203系統(tǒng)結(jié)合地質(zhì)分析對明月山隧道開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

2 TSP203系統(tǒng)應(yīng)用原理和工作方法

2.1 應(yīng)用原理

TSP203系統(tǒng)是利用地震波的反射原理進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。工作時(shí),采用弱爆破產(chǎn)生地震波,產(chǎn)生的地震波在隧道中的巖體內(nèi)傳播,當(dāng)遇到地震界面時(shí),如斷層、破碎帶、溶洞等地質(zhì)異常,一部分被反射回來,反射波經(jīng)巖體傳播后到達(dá)接收傳感器,通過接收傳感器被記錄儀記錄下來,然后經(jīng)專門的軟件進(jìn)行分析處理,得到反射波的各種圖像和巖石各種物性參數(shù)。反射界面兩側(cè)的巖性差異越大,反射回來的信號就越強(qiáng)。由于從產(chǎn)生地震波到反射信號被接收這段時(shí)間是與反射界面的距離成正比,因此通過地震波的雙程走時(shí)與地震波的波速就可確定反射界面的位置。另外,反射波信號的強(qiáng)弱與反射界面的性質(zhì)、產(chǎn)狀有密切關(guān)系,通過對反射波性質(zhì)的分析,可以推斷反射界面的性質(zhì)。圖1為 TSP203系統(tǒng)工作原理示意圖。

圖1 TSP203系統(tǒng)工作原理示意圖

TSP203系統(tǒng)使用的是高靈敏度的三維傳感器,它可以接收來自掌子面前方和四周較遠(yuǎn)的地震反射波,因此該系統(tǒng)預(yù)報(bào)距離遠(yuǎn),預(yù)報(bào)范圍大。一般情況下,TSP203系統(tǒng)可以預(yù)報(bào)150～200m,在地質(zhì)條件較好時(shí),可以預(yù)報(bào)更長的距離。

2.2 工作方法

TSP203系統(tǒng)測線布設(shè)在掌子面附近的邊墻上,它是由2個(gè)接收器孔和24個(gè)炮孔組成,2個(gè)接收器孔對稱分布在兩邊墻,24個(gè)炮孔等間距分布在一側(cè)邊墻。在數(shù)據(jù)采集前,鉆孔、接收傳感器套管的安裝,以及接收器孔、炮孔傾角傾向和各孔距基準(zhǔn)點(diǎn)距離的測量要提前完成。由于這些準(zhǔn)備工作不影響正常施工,因此可與隧道施工作業(yè)同時(shí)進(jìn)行。當(dāng)正式放炮采集數(shù)據(jù)時(shí),洞內(nèi)施工必須停止,尤其針對巖體的施工,以確保采集到的數(shù)據(jù)盡可能少的受外界噪聲的干擾。數(shù)據(jù)采集期間,各個(gè)環(huán)節(jié)要密切配合,以縮短采集時(shí)間,減少對施工的影響。在操作熟練的情況下,數(shù)據(jù)采集時(shí)間可控制在一小時(shí)以內(nèi)。

通常,炮孔間距 1.5m,孔深 1.5～2.0m,孔徑35～38mm,孔口距隧底約1.0m,最后一個(gè)炮孔距掌子面距離根據(jù)現(xiàn)場情況而定。接收器孔與第一個(gè)炮孔間距 15～20m,孔深 2.0m,孔徑 42～45mm,孔口距隧底約1.0m,與炮孔等高。接收器孔和炮孔因不同目的需向上下傾斜一定角度,一般情況下,為了留住灌入的水,炮孔向下傾斜15～20°;當(dāng)用環(huán)氧樹脂固定接收器套管時(shí),為了使孔內(nèi)的水能夠流出,接收器孔向上傾斜5～10°;當(dāng)用水泥砂漿固定接收器套管時(shí),為了利于水泥砂漿的凝固,接收器孔向下傾斜5～10°。根據(jù)圍巖軟硬和完整破碎程度以及距接收器位置的遠(yuǎn)近,每個(gè)炮孔裝藥50～100g,炸藥采用普通乳化炸藥,雷管采用零延時(shí)電雷管。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

3.1斷層地質(zhì)預(yù)報(bào)

明月山隧道隧址區(qū)地表沿背斜軸部發(fā)育一條走向斷層,通過鉆孔和巖層產(chǎn)狀推斷斷層與隧道左線軸線交于 K5+722,其破碎帶范圍在 K5+722～K5+773。為了詳細(xì)查明該斷層在掌子面前方的具體位置和規(guī)模,避免因施工不當(dāng)造成坍塌帶來的安全事故,在里程樁號 K5+627的位置開展了一次TSP203系統(tǒng)地質(zhì)預(yù)報(bào)測試,圖2、圖3是測試后經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到的地質(zhì)預(yù)報(bào)成果圖。

圖2 P波反射面

圖3 波速、泊松比、密度曲線和反射面二維圖

通過地質(zhì)預(yù)報(bào)成果圖分析,在 K5+642、K5+690兩處分別有一個(gè)明顯反射界面,且是圍巖由硬變軟的負(fù)反射界面,在兩反射界面之間的其它反射界面也以由硬變軟的信號為主,在 K5+738有一個(gè)圍巖由軟變硬的正反射界面。從Vp和Vp/V s曲線圖分析,K5+642～K5+690段Vp下降,Vp/V s比值減小,依據(jù) TSP系統(tǒng)數(shù)據(jù)解釋原則,結(jié)合洞外地質(zhì)踏勘和前期地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果,推斷 K5+642～K5+690為斷層及擠壓破碎帶,位置較前期推測提前。開挖后揭示,K5+644圍巖裂隙較發(fā)育,巖體開始變得破碎,穩(wěn)定性變差;K5+667～K5+683段裂隙發(fā)育,巖體破碎,穩(wěn)定性差,拱部、側(cè)壁極易掉快,發(fā)生坍塌;K5+695～K5+700段巖體又開始趨于完整,裂隙稍發(fā)育,穩(wěn)定性較好。通過比較證實(shí),TSP203系統(tǒng)預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖結(jié)果基本吻合。

3.2 巖溶預(yù)報(bào)

明月山隧道進(jìn)口段巖性復(fù)雜,其中以灰?guī)r為主,受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響,圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、巖溶發(fā)育。圖4、圖5是在掌子面里程樁號 K5+501處進(jìn)行TSP203系統(tǒng)測試后得到的地質(zhì)預(yù)報(bào)成果圖。

圖4 P波反射面

圖5 波速、泊松比、密度曲線和反射面二維圖

通過地質(zhì)預(yù)報(bào)成果圖分析,K5+523～K5+532、K5+563～K5+576兩段處于信號負(fù)反射區(qū)域,且 K5+523～K5+532段泊松比突然增大,K5+563～K5+576段Vp降低,參照設(shè)計(jì)資料和開挖段地質(zhì)情況,并結(jié)合洞外地質(zhì)探勘情況,推斷 K5+523～K5+532、K5+563～K5+576兩段巖溶發(fā)育,富含層間裂隙水和巖溶水,可能發(fā)生涌突水。開挖結(jié)果證明,預(yù)報(bào)的兩段溶隙、溶孔發(fā)育,富水,在 K5+573～K5+579段發(fā)育一個(gè)充填溶洞。由于預(yù)報(bào)準(zhǔn)確,施工隊(duì)伍提前采取了一些預(yù)防措施,溶洞段未造成大規(guī)模突水突泥,但還是影響了施工進(jìn)度并帶來不小經(jīng)濟(jì)損失。

3.3 破碎帶預(yù)報(bào)

明月山隧道進(jìn)口段受地質(zhì)構(gòu)造影響,圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、巖溶發(fā)育,巖體破碎。圖6～8是在掌子面里程樁號 YK5+387處進(jìn)行 TSP203系統(tǒng)測試后得到的地質(zhì)預(yù)報(bào)成果圖。

圖6 P波深度偏移剖面

圖7 P波反射面

通過地質(zhì)預(yù)報(bào)成果圖分析,在 YK5+395、YK5+409、YK5+417三處分別有一個(gè)明顯反射界面,且是圍巖由硬變軟的負(fù)反射,后面圍巖逐漸變硬,反射減弱,圍巖變化趨于穩(wěn)定。在 YK5+395～YK5+417段,對應(yīng)的圍巖密度變小、泊松比顯著增大、P波波速降低,這些信息反映該段巖體應(yīng)力釋放,巖體可能很破碎,推斷該段為破碎帶。開挖結(jié)果顯示,YK5+390～YK5+419段圍巖裂隙發(fā)育,巖體破碎,穩(wěn)定性差,拱頂、側(cè)壁易坍塌,其結(jié)果與 TSP203系統(tǒng)預(yù)報(bào)結(jié)果非常吻合。由于提前調(diào)整了施工工藝,開挖后及時(shí)加強(qiáng)了支護(hù),使得該段得以順利、安全通過。

3.4 地下水預(yù)報(bào)

圖8 波速、泊松比、密度曲線和反射面二維圖

TSP203系統(tǒng)是利用地震波的反射原理來進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào),由于在測試過程中主要針對的是縱波,橫波的測試是依靠建立一個(gè)模型通過縱波來推定,所以數(shù)據(jù)處理與解釋更多的是利用縱波的信息。而對地下水的判斷很大程度上又依賴于對橫波變化的分析,因此 TSP203系統(tǒng)并不是預(yù)報(bào)地下水的一種好方法。盡管如此,將 TSP203系統(tǒng)測試與地質(zhì)分析法結(jié)合起來,還是能夠提高對地下水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。圖9、圖10是在掌子面里程樁號 YK5+413處進(jìn)行TSP203系統(tǒng)測試后得到的地質(zhì)預(yù)報(bào)成果圖。

圖9 P波反射面

圖9、10顯示,YK5+426～+468段地震波反射信號強(qiáng),以負(fù)反射為主,巖體泊松比增大、Vp/V s比值增大,結(jié)合地質(zhì)分析法,推斷該段圍巖破碎、穩(wěn)定性差、富含層間裂隙水。開挖結(jié)果顯示,YK5+415～＋457段裂隙發(fā)育,富含層間裂隙水,呈股狀、大股狀產(chǎn)出。由于預(yù)報(bào)及時(shí)準(zhǔn)確,提前調(diào)整了施工方案,選擇了合理的支護(hù)差數(shù),該段開挖過程中未出現(xiàn)坍塌和人員傷亡事故。

圖10 波速、泊松比、密度曲線和反射面二維圖

4 經(jīng)驗(yàn)體會(huì)

TSP203系統(tǒng)是基于地震波的一種物探方法,其預(yù)報(bào)成果質(zhì)量與采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理的方法、解釋工作人員對物探知識和工程地質(zhì)知識掌握的程度有密切關(guān)系。因此,為提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)精度、準(zhǔn)確度,必須做好以下幾個(gè)方面的工作:

(1)嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)采集操作程序完成每次數(shù)據(jù)采集工作。數(shù)據(jù)采集工作是最基礎(chǔ)的工作,也是最關(guān)鍵的工作,如果采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差,將直接影響到后面數(shù)據(jù)處理和解釋的質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集質(zhì)量控制要點(diǎn):嚴(yán)格按要求鉆炮孔和接收孔;準(zhǔn)確測量炮孔的孔深、傾角、傾向,相對于參考點(diǎn)的位置、高度;按要求安裝接收器套管,保證套管與圍巖耦合良好;控制好炸藥藥量;爆破時(shí),盡量使炮孔內(nèi)注滿水。

(2)加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理工作,合理選擇每步處理參數(shù)。選擇參數(shù)時(shí),要根據(jù)圍巖的類別、性質(zhì)和波形特征進(jìn)行設(shè)定;要參考同一座隧道或同類型隧道前期預(yù)報(bào)工作成果,尤其是成功案例的經(jīng)驗(yàn)。

(3)把數(shù)據(jù)解釋作為工作重點(diǎn),采用綜合分析法進(jìn)行判斷。要充分合理利用數(shù)據(jù)處理后的成果資料,相互印證對比,總結(jié)各種地質(zhì)異常在成果圖中的特征和表現(xiàn)。同時(shí),始終要把地質(zhì)知識與物探知識結(jié)合起來,取長補(bǔ)短,綜合分析判斷。

(4)做好相關(guān)地質(zhì)資料、施工資料的收集,加強(qiáng)跟蹤地質(zhì)觀測和地面地質(zhì)調(diào)查工作。

(5)專業(yè)技術(shù)人員必須加強(qiáng)物探知識和地質(zhì)知識的學(xué)習(xí),要不斷總結(jié)工作中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),注重經(jīng)驗(yàn)的積累。

5 結(jié)束語

明月山隧道裂隙、巖溶發(fā)育,地質(zhì)條件復(fù)雜,尤其進(jìn)口段很大一部分由于強(qiáng)富水,給施工帶來非常大的難度和風(fēng)險(xiǎn)。通過TSP203系統(tǒng)開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,開挖前準(zhǔn)確了解掌子面前方地質(zhì)情況,特別是地質(zhì)異常的位置、規(guī)模、性質(zhì),及時(shí)進(jìn)行技術(shù)方案調(diào)整和處理方法的制訂,有效避免了開挖過程中因坍塌、突水突泥等帶來的設(shè)備損壞、人員傷亡等事故,保證了明月山隧道安全、順利貫通,為施工單位贏得了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

TSP203系統(tǒng)是目前超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中應(yīng)用較為廣泛的一種方法,其預(yù)報(bào)效果很大程度上也得到了認(rèn)可,尤其對斷層、邊界呈平面形態(tài)的巖溶等地質(zhì)異常的預(yù)報(bào),但作為物探地震波方法中的一種,也還存在一些問題需要進(jìn)一步研究,如橫波波速的測定方法、炸藥爆速對預(yù)報(bào)距離、精度的影響,反射界面數(shù)量的選取原則等。正因如此,建議在采用 TSP203系統(tǒng)的同時(shí),還應(yīng)結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)、陸地聲納、超前鉆孔以及地質(zhì)分析等其它方法進(jìn)行綜合預(yù)報(bào),只有這樣,才能使地質(zhì)預(yù)報(bào)距離更長,結(jié)果更準(zhǔn)。