賈光輝 管仁杰 李沼霏

(中鐵十六局集團第四工程有限公司,北京 101400)

0 引言

使用隧道地質(zhì)超前預報系統(tǒng)(tunnel seismic prediction,TSP)203進行超前地質(zhì)預報工作,是現(xiàn)階段在隱蔽工程及隧道超前地質(zhì)預報工作中比較成熟的作業(yè)方式,可以有效準確地預報掌子面前長距離范圍內(nèi)的地質(zhì)情況,能為后續(xù)施工以及變更施工工藝提供數(shù)據(jù)支持和參考。

1 工程概況

中鐵十六局集團有限公司承建的太錫鐵路太子城至崇禮段工程,位于河北省張家口市崇禮區(qū),南起崇禮鐵路太子城站,北迄崇禮區(qū)大夾道溝村崇禮站,太錫鐵路作為冬奧會的配套工程,必須于2021年底奧運賽事開始之前完成聯(lián)調(diào)聯(lián)試通車工作,時間緊任務重。該標段測區(qū)里程為DK53+035.74～DK68+900,正線全長15.864 km。其中和平隧道DK53+035.74～DK61+980,全長8.944 km。崇禮隧道DK62+310～DK67+800,全長5.490 km。根據(jù)施工圖紙和指導性施工組織設計,兩座隧道共設10個斜井(或橫洞),全長6.164 km;支洞9處,全長0.470 km,共計23個作業(yè)面同時施工。施工區(qū)域地形起伏較大,標高在1 100～2000 m之間,溝壑發(fā)育,部分沖溝切割較深,地勢較陡峭,山體植被覆蓋率較高,局部泉水發(fā)育,施工難度大。為保證現(xiàn)場施工安全性,項目要求做超前地質(zhì)預報,保證工程順利進行。

2 工作原理

TSP203設備采用的是回聲測量原理。當?shù)卣鸩▊鬟_到不同物質(zhì)時,部分發(fā)射的信號經(jīng)過物質(zhì)反射被設備回收采集,其余部分發(fā)射波信號將繼續(xù)進入前方其他介質(zhì)。反射回來的地震波信號被地震檢波器全部接收。儀器采集收回的地震波波形特征將與之對應的地質(zhì)形態(tài)有相對關聯(lián),波形信號在人為處理后,可以提取出掌子面前方地質(zhì)的泊松比、波速度、反射系數(shù)及其地質(zhì)資料情況,通過數(shù)據(jù)就可預報掌子面前方不良地質(zhì)的地質(zhì)形態(tài)、大小、走向、缺陷類型等,以便達到地質(zhì)超前預報的目的。TSP203設備在超前地質(zhì)預報工作中大多由現(xiàn)場炮組、三維接收信號波的傳感器、三維接收信號波的接收機及后期數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)四部分組成(圖1)。

圖1 TPS203系統(tǒng)的方法原理與野外布設圖

3 現(xiàn)場條件及工作布置

3.1 TSP測量系統(tǒng)的布置和量測

根據(jù)隧道走向及巖層狀況可在左右邊墻位置任選一側進行采集,第一個激發(fā)孔應布置在掌子面10 m范圍內(nèi)的邊墻上,下一個激發(fā)孔與上個激發(fā)孔間距不應小于1 m大于2 m布置,要注意激發(fā)孔應做到口部比根部高10～15 cm,孔深設置1.5 m左右,連續(xù)布置至少20個偶數(shù)激發(fā)孔。在最后一個激發(fā)位置向洞口方向量測20 m分別在左、右兩側布置好地震波信息接收孔,接受孔徑為50 mm,深度深于激發(fā)孔的最深深度。激發(fā)孔與接收孔基本保持在同一個高度上。待孔全部鉆好后需要對孔間距進行量測。鉆孔完成后應注意保護,防止塌孔。詳細布置如表1和圖2所示。

表1 炮孔和接收器孔布置參數(shù)表

圖2 炮孔和TSP接收器孔分布

3.2 爆破要求

(1)遵守《爆破安全規(guī)程》的規(guī)定。

(2)保證乳化炸藥與炮孔嚴密耦合,用水注滿引爆激發(fā)孔。

(3)接收器孔用方木等固定,測量過程隧道中避免其他振動源干擾。

3.3 現(xiàn)場檢測探測所需的時間規(guī)劃

(1)鉆工鉆激發(fā)孔、接收孔及清孔的時間：約4 h。

(2)埋設接收器設備連接測試：30 min。

(3)藥包的埋設時間：30 min。

(4)放炮及數(shù)據(jù)采集的時間：40 min。

(5)清理爆破后現(xiàn)場的時間：10 min。

現(xiàn)場單次TSP探測總時間：350 min。

3.4 資料整理與提交

(1)數(shù)據(jù)檢測的波幅應在每個激發(fā)孔爆破前單獨進行現(xiàn)場調(diào)節(jié),如果數(shù)據(jù)采集異常需要補炮進行重新采集。

(2)采集完成后及時進行波場現(xiàn)場粗處理,提取出反射界面。

(3)提交地質(zhì)預報報告,內(nèi)容包括：TSP野外記錄表、原始曲線圖、地震P波時距曲線圖、二維解釋成果圖(包含速度、泊松比、動態(tài)楊氏模量參數(shù))和地質(zhì)解譯結果。

4 檢測數(shù)據(jù)與分析示例

4.1 測點位置

該次預報起始里程在H6DK0+153-H6DK0+033里程處,需要在H6DK0+223里程布置信號波接收孔,本次信號波接收孔距掌子面70 m。測線測點布置在隧道單側邊墻的水平線上從外向里布置24個炮孔,最后一孔需在左右兩側邊墻各布置一個接收器鉆孔(左右邊墻對稱共計2個),接收器鉆孔距第一個炮孔位置15 m,炮孔間距1.5 m,炮孔高度2 m,最后一個炮孔距檢測面距離12 m,如圖3所示。本次地震波數(shù)據(jù)采集需要激發(fā)24炮,每激發(fā)孔藥量為50 g乳化炸藥及雷管擊發(fā)器一套,其中有20炮產(chǎn)生的地震波參與計算。

圖3 TSP203測線布置示意圖

4.2 資料分析

資料處理流程如圖4所示。

圖4 資料處理流程圖

成果解釋應以設計單位探測結果為主結合現(xiàn)場地質(zhì)素描及數(shù)據(jù)分析進行解譯,同時遵循以下原則：

(1)無反射界面表明圍巖情況基本無變化;正反射振幅較強時表明掌子面前方圍巖變完整或變硬。負反射振幅較強時表明掌子面前方圍巖變破碎或變軟。

(2)縱橫波波速及動態(tài)楊氏模量降低說明掌子面前方圍巖將變破碎或變軟;反之則表明掌子面前方圍巖變完整或變硬。

(3)泊松比增大表明地下水發(fā)育。

4.3 結論建議

本次預報里程范圍為H6DK0+153-H6DK0+033,由測量數(shù)據(jù)可分析得出該段圍巖巖性為花崗片麻巖,節(jié)理裂隙發(fā)育一般,弱風化,巖體從較破碎往完整發(fā)育,地下水一般發(fā)育、裂隙滲滴水或線狀出水,圍巖穩(wěn)定性一般,容易發(fā)生易掉塊,局部易塌方。H6DK0+127-H6DK0+114段圍巖以弱風化為主,局部強風化,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,圍巖穩(wěn)定性差,易塌方,H6DK0+114-H6DK0+106段局部破碎,圍巖穩(wěn)定性一般,局部易塌方,相比較施工圖實際地質(zhì)情況要略差。

5 在隧道施工中的特殊案例

TSP203設備在太錫鐵路隧道超前地質(zhì)預報工作中提前多次發(fā)現(xiàn)預報特殊地質(zhì)災害情況。2020年6月19日于和平隧道二號斜井準確預測掌子面前35 m處存在較大溶腔發(fā)育,腔體內(nèi)裂隙水充盈,初步預算涌水量達150～500 m3,發(fā)現(xiàn)問題后立即通知現(xiàn)場停止作業(yè),報告項目部,配合設計單位積極進行專項地質(zhì)災害應急方案啟動及方案編輯實施。隨后嚴格按照方案進行得當處理,發(fā)現(xiàn)預報里程處確實存在地質(zhì)災害,裂隙水極發(fā)育,引流處理后發(fā)現(xiàn)呈股狀噴射。完全統(tǒng)計后涌水量達670 m3。由于預報及時,為施工安全做出警示,處理得當。未造成人員傷亡。節(jié)約資金約60萬元。并獲得項目部質(zhì)量安全先進工作小組的稱號,為公司樹立了良好的企業(yè)形象,受到各界領導及其他公司的稱贊。TSP203的優(yōu)勢被展漏無疑,幫助我們高效完成作業(yè),給公司帶來榮譽與效益。

6 結束語

隨著鐵路隧道的高速發(fā)展,在隧道開挖過程中,安全高效成為最主要的施工作業(yè)要求。TSP203設備通過現(xiàn)場實測的長期試驗與改進,克服了一個個難題,相比其他方式更加簡潔安全,能高效地進行超前地質(zhì)預報工作,為安全施工保駕護航。該技術成熟，可成為地質(zhì)預報工作中的主要技術設備。