戴世鑫 譚小豐 鐘 威 田理嘉

(1.湖南科技大學(xué)煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展，國(guó)家在基礎(chǔ)建設(shè)上的投入越來(lái)越大。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)交通建設(shè)發(fā)展迅速，而隧道工程往往是交通建設(shè)中無(wú)可避免，也是在施工過(guò)程中較容易發(fā)生突水、涌水、掉塊、塌方等工程事故的工程，因此，在隧道工程開(kāi)挖前，地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作就顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的常用方法有：地質(zhì)預(yù)報(bào)法、超前勘探法(包括超前水平鉆孔、平行導(dǎo)洞法、先進(jìn)導(dǎo)洞法)、物探法(電法、電磁波法、地震波法)等。

在過(guò)去大量隧道工程施工過(guò)程中，多采用某種單一的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法，來(lái)對(duì)施工掌子面前方巖土體情況、不良地質(zhì)體的工程部位及成災(zāi)可能性作出預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)。然而，在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際地質(zhì)情況往往與預(yù)報(bào)不太相符，這充分說(shuō)明了單一的方法準(zhǔn)確性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此，為了加快施工進(jìn)度，確保施工安全，保證工程質(zhì)量，采用多種方法同時(shí)對(duì)施工掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)，將所得結(jié)論進(jìn)行相互論證，相互補(bǔ)充，以提高預(yù)報(bào)的可靠性和準(zhǔn)確性。

1 工程概況

新建鐵路蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道三門峽至荊門段核桃園隧道位于河南省南陽(yáng)市西峽縣西坪鎮(zhèn)境內(nèi)豫西秦嶺東段，隧址為丘陵地貌，地形起伏大，溝谷狹長(zhǎng)，多呈“V”字型，隧道采用單洞雙線隧道形式，起訖里程為DK817+849～DK819+229，全長(zhǎng)1 380 m，隧道最大埋深約214 m，縱坡為-10.8%的單面下坡。

隧道區(qū)大部分基巖裸露，局部地段有殘坡積土層分布。出露的地層從新至老有第四系(Q4)；下元古界秦嶺群界牌組(Pt1j)云母石英片巖、石英片巖；下元古界雁嶺溝谷組(Pt1jy)大理巖地層。隧道區(qū)的不良地質(zhì)有風(fēng)化巖、巖溶發(fā)育帶、斷裂破碎帶，本隧道由于構(gòu)造較發(fā)育，故構(gòu)造裂隙水推斷較發(fā)育。

2 工作方法及其原理

2.1 地質(zhì)雷達(dá)法

本次隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)采用了中國(guó)電波傳播研究所開(kāi)發(fā)的LTD-2100地質(zhì)雷達(dá)，配置100 MHz天線。

地質(zhì)雷達(dá)法以電磁波傳播理論為基礎(chǔ)，以目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的介電性質(zhì)差異為前提，通過(guò)發(fā)射高頻電磁波(中心頻率為數(shù)十MHz到千MHz)，以寬帶短脈沖形式在掌子面上由發(fā)射天線T送入前方，遇到不同阻抗界面時(shí)反射回來(lái)，由接收天線R接收，電磁波信號(hào)在介質(zhì)中傳播，遇到介電性質(zhì)不同的分界面就會(huì)產(chǎn)生反射、色散和衰減等現(xiàn)象，發(fā)射和接收天線在測(cè)線上按一定的間距同步移動(dòng)，獲得該測(cè)線的雷達(dá)探測(cè)圖像，根據(jù)反射信號(hào)的時(shí)間、相位、頻率、幅度及波形等特征來(lái)分析和推斷介質(zhì)性質(zhì)與界面位置。

2.2 瞬變電磁法

本隧道工程中利用瞬變電磁法的超前預(yù)報(bào)工作，是將不接地回線置于隧道掌子面上，向掌子面前方發(fā)射脈沖式一次電磁場(chǎng)，在該電磁場(chǎng)的激發(fā)下，掌子面前方的導(dǎo)電地質(zhì)體受感應(yīng)而產(chǎn)生渦旋電流，即二次電流。由于導(dǎo)電地質(zhì)體是非線性的，所以脈沖電流從峰值躍變到零，一次磁場(chǎng)立即消失，而二次電流則有一個(gè)瞬變過(guò)程，在該過(guò)程中即會(huì)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，二次磁場(chǎng)大致按指數(shù)規(guī)律遞減，形成瞬變磁場(chǎng)，通過(guò)觀測(cè)該瞬變磁場(chǎng)，即可發(fā)現(xiàn)掌子面前方的異常地質(zhì)體。

2.3 TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)

本次隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作中，采用了TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)(TST即Tunnel Seismic Tomography的英文縮寫(xiě)，以下簡(jiǎn)稱TST系統(tǒng))。TST是隧道散射地震成像技術(shù)的簡(jiǎn)稱，其觀測(cè)系統(tǒng)采用空間布置，接收與激發(fā)系統(tǒng)布置在隧道兩側(cè)圍巖中。地震波由小規(guī)模爆破或電火花產(chǎn)生，并由地震檢波器接收。TST可有效地判別和濾除側(cè)面和上下地層的地震回波，僅保留掌子面前方回波，避免現(xiàn)行超前預(yù)報(bào)方法中虛報(bào)、誤報(bào)率高的技術(shù)缺陷，并能同時(shí)獲得掌子面前方圍巖的準(zhǔn)確波速和地質(zhì)體的位置圖像。

TST系統(tǒng)硬件主要由地震信號(hào)采集器、地震信號(hào)記錄器、檢波器及連接線纜、震源等幾部分組成。

3 三種方法的綜合應(yīng)用

核桃園隧道工程在施工過(guò)程中分別采用了上述三種方法對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行了探測(cè)?，F(xiàn)以里程DK818+465～DK819+480段為例，先分別對(duì)三種方法所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，得到相應(yīng)的結(jié)果，再綜合三種結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)一對(duì)比分析，相互印證。

3.1 地質(zhì)雷達(dá)法數(shù)據(jù)處理與分析

地質(zhì)雷達(dá)法數(shù)據(jù)處理結(jié)果：在掌子面前方0 m～2 m(DK818+465～DK818+467)范圍內(nèi)反射波信號(hào)較雜亂，是由于掌子面開(kāi)挖引起的雜亂反射。在掌子面前方2 m～8 m(DK818+467～DK818+473)范圍內(nèi)反射波同相軸不連續(xù)，局部振幅較強(qiáng)，電磁波頻率衰減快，推斷該范圍內(nèi)巖溶裂隙較發(fā)育，圍巖較破碎。在掌子面前方8 m～15 m(DK818+473～DK818+480)范圍內(nèi)反射波信號(hào)強(qiáng)烈，能量團(tuán)分布不均勻，振幅高而寬，推斷該范圍為巖溶較發(fā)育，并且富含巖溶水，施工時(shí)應(yīng)做好支護(hù)及防排水措施，防止掉塊及突水、突泥。

3.2 瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理與分析

瞬變電磁法數(shù)據(jù)處理結(jié)果：共存在2個(gè)低阻異常區(qū)和2個(gè)高阻異常區(qū)，具體分析如下：低阻異常區(qū)位于掌子面前方8 m～15 m(DK818+473～DK818+480)和23 m～30 m(DK818+488～DK818+495)范圍內(nèi)，該區(qū)域視電阻率較低，推斷該范圍內(nèi)為富水溶洞。高阻異常區(qū)位于掌子面前方55 m～60 m(DK818+520～DK818+525)和70 m～75 m(DK818+535～DK818+540)范圍內(nèi)，該區(qū)域視電阻率較高，推斷該范圍內(nèi)裂隙帶較發(fā)育，圍巖巖體結(jié)構(gòu)完整性較差。當(dāng)隧道施工到上述里程時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施，再進(jìn)行施工，以確保施工安全。

3.3 TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)處理與分析

TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)處理結(jié)果：在掌子面前方0 m～20 m(DK818+460～DK818+480)段圍巖波速為3 780 m/s，巖石強(qiáng)度低。同時(shí)地震波偏移圖像顯示區(qū)域紅藍(lán)條紋很多，推測(cè)該段巖溶裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，且富含巖溶水，施工時(shí)應(yīng)注意巖體破碎導(dǎo)致的掉塊或塌方，并做好防水措施。 在掌子面前方20 m～50 m(DK818+480～DK818+510)段圍巖波速由3 780 m/s升高到3 980 m/s，巖石強(qiáng)度升高。同時(shí)地震波偏移圖像顯示區(qū)域紅藍(lán)條紋相對(duì)較少，推測(cè)該段節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖完整性較差。在掌子面前方50 m～60 m(DK818+510～DK818+520)段圍巖波速為3 980 m/s，巖石強(qiáng)度相對(duì)較高。同時(shí)地震波偏移圖像顯示區(qū)域紅藍(lán)條紋較強(qiáng)，推測(cè)該段裂隙較發(fā)育，工程性質(zhì)較差。在掌子面前方60 m～70 m(DK818+520～DK818+530)段圍巖波速為3 850 m/s，巖石強(qiáng)度相對(duì)較低。同時(shí)地震波偏移圖像顯示區(qū)域紅藍(lán)條紋很少，推測(cè)該段為無(wú)水溶洞。在掌子面前方70 m～80 m(DK818+530～DK818+540)段圍巖波速由3 850 m/s升高到4 180 m/s，巖石強(qiáng)度升高。同時(shí)地震波偏移圖像顯示區(qū)域紅藍(lán)條紋較明顯，推測(cè)該段溶蝕裂隙較發(fā)育，圍巖較破碎。在掌子面前方80 m～120 m(DK818+540～DK818+580)段圍巖波速為4 180 m/s，巖石強(qiáng)度高。同時(shí)地震波偏移圖像顯示區(qū)域紅藍(lán)條紋較少，推測(cè)該段節(jié)理裂隙較少發(fā)育，圍巖完整性較好。

3.4 綜合分析

通過(guò)對(duì)三種方法的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)在該隧道里程DK818+465～DK818+480段，三種方法的探測(cè)結(jié)果都出現(xiàn)了明顯的異常，推測(cè)該段可能存在溶洞或溶蝕裂隙，且為富水帶。經(jīng)后期施工開(kāi)挖驗(yàn)證了這一結(jié)果的準(zhǔn)確性，見(jiàn)圖1。

4 結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作是隧道工程施工過(guò)程中的重點(diǎn)工作之一，其預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性往往直接影響隧道施工進(jìn)度和工作人員的生命安全。由于物探結(jié)果具有多解性，單一的某種方法對(duì)隧道掌子面前方真實(shí)地質(zhì)情況的預(yù)測(cè)可靠性不高，而采用多種方法來(lái)進(jìn)行預(yù)報(bào)可相互彌補(bǔ)每種方法的不足之處，并且可以相互驗(yàn)證彼此的結(jié)論，從而提高地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

本隧道充分利用了地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)法三種方法的優(yōu)點(diǎn)，得到了較為可靠的地質(zhì)信息，大大降低了因盲目施工引起的隧道突水，突泥，危巖崩塌等工程事故發(fā)生的概率，提高了施工效率，保障了施工安全。

由于不同隧道地質(zhì)情況的不同，所使用的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法也不盡相同，而采用綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)方法可提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性與結(jié)果的可靠性，這是毫無(wú)疑問(wèn)的，因此，對(duì)綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的研究是一個(gè)必然的趨勢(shì)，若能建立一套系統(tǒng)的綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)方法，對(duì)于地下工程建設(shè)將具有非凡意義。