隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用研究

熊春發(fā)，任少博，王淑英，姜洪亮

(1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西　南寧　530007)

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隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用研究

熊春發(fā)1，2，任少博1，2，王淑英1，2，姜洪亮1，2

(1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530007)

摘要：在不良地質(zhì)地區(qū)的隧道施工過(guò)程中，涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較高，給施工帶來(lái)了重大安全隱患。目前地質(zhì)災(zāi)害的物探方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，為了提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，使用多種方法開(kāi)展綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)十分必要。文章以欽崇路四方山隧道為例，將彈性波反射法和地質(zhì)雷達(dá)法相結(jié)合，對(duì)隧道開(kāi)挖掌子面前方的破碎帶、節(jié)理裂隙、富水段等不良地質(zhì)進(jìn)行了有效的綜合預(yù)報(bào)，所采用的預(yù)報(bào)手段和思路可供類(lèi)似工程借鑒。

關(guān)鍵詞：隧道；地質(zhì)災(zāi)害；超前預(yù)報(bào)；彈性波反射法；地質(zhì)雷達(dá)法；綜合應(yīng)用

0引言

隨著西部大開(kāi)發(fā)進(jìn)程的加快，近年來(lái)在地形、地貌及地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)修

建的長(zhǎng)大隧道越來(lái)越多，修建技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜，隧道修建的同時(shí)也伴隨著塌方、涌水涌泥等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)[1，2]，面對(duì)這些地質(zhì)災(zāi)害，如果沒(méi)有良好的預(yù)警預(yù)報(bào)措施，將會(huì)給施工帶來(lái)重大安全隱患，造成工程投資增加，工期延長(zhǎng)，甚至?xí)斐扇藛T傷亡。

為了保證隧道施工安全，減輕突水突泥、塌方冒頂?shù)葹?zāi)害損失，在施工中進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，對(duì)隧道開(kāi)挖掌子面前方不良地質(zhì)體進(jìn)行探測(cè)，是保證工程質(zhì)量和施工安全的重要環(huán)節(jié)和措施。目前常用的地質(zhì)預(yù)報(bào)方法分為兩大類(lèi)：地質(zhì)分析法、地球物理法(包括彈性波反射法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、陸地聲納法、紅外探測(cè)法等)[3-5]，各種物探方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，就是在先期地質(zhì)分析并對(duì)不同地段劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)隧道洞內(nèi)勘察與洞外勘察相結(jié)合，地質(zhì)分析與物探分析相結(jié)合，長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)與短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合的原則，合理地選用不同物探手段對(duì)工作面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)的方法。開(kāi)展綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，可提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

本文以欽崇路四方山隧道為例，將彈性波反射法和地質(zhì)雷達(dá)法相結(jié)合，對(duì)隧道開(kāi)挖面前方的塌方、涌水等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)，所采用的預(yù)報(bào)方法和思路可供類(lèi)似工程借鑒。

1隧道地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)報(bào)工程實(shí)例

1.1工程概況

欽崇路四方山隧道穿越低山地貌，隧道穿越地段最高點(diǎn)高程約為690 m，低點(diǎn)位于隧道出口坡腳一帶，高程約為290 m，相對(duì)高差400 m。隧道進(jìn)口處坡面較為開(kāi)闊，自然斜坡坡度25°～35°。隧道出口端地勢(shì)較平緩，自然斜坡坡度20°～26°，隧道進(jìn)出口軸線與坡面大致垂直，山體植被覆蓋茂密。

隧址區(qū)下伏主要有泥巖、砂巖和灰?guī)r，泥巖與砂巖多呈互層或夾層分布，灰?guī)r巖質(zhì)較硬，局部有溶隙發(fā)育并夾有黑色煤線。

隧道區(qū)內(nèi)地下水主要為賦存于第四系坡殘積層中的孔隙水、基巖裂隙水和灰?guī)r巖溶水，隧址區(qū)地形較陡，橫向坡溝發(fā)育，大氣降水迅速?gòu)搅髋判?，下滲量較小。地下水的主要來(lái)源為大氣降水補(bǔ)給與區(qū)外域流補(bǔ)給，水量不大。地表水主要為地表徑流和低洼積水，地表徑流受降水影響很大。

鑒于隧址區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)情況，根據(jù)長(zhǎng)、短距離相結(jié)合的預(yù)報(bào)原則，采用彈性波反射法和地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)該隧道進(jìn)行了巖體節(jié)理、裂隙、富水段的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。以彈性波反射法為主，局部地段用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行重點(diǎn)補(bǔ)測(cè)。下文以隧道右洞YK77+630～YK77+780段的預(yù)報(bào)情況為例進(jìn)行說(shuō)明。

1.2彈性波反射法預(yù)報(bào)

彈性波反射法超前預(yù)報(bào)是利用人工激發(fā)的地震波在隧道巖體傳播過(guò)程中，在聲阻抗界面會(huì)產(chǎn)生反射波，利用儀器設(shè)備采集地震波傳播信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，結(jié)合已有地質(zhì)資料，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道開(kāi)挖面前方地質(zhì)條件的推斷和預(yù)報(bào)。檢測(cè)結(jié)果為縱波(P波)、兩個(gè)方向的橫波(SH波、SV波)的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、反射層信息、巖石物性參數(shù)等，資料解讀時(shí)以縱波信息為主對(duì)巖層進(jìn)行劃分，結(jié)合橫波信息反映的泊松比、密度、動(dòng)態(tài)楊氏模量等參數(shù)對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋?zhuān)忉屪裱韵聹?zhǔn)則：(1)正反射振幅表明硬巖層，負(fù)反射振幅表明軟巖層；(2)若S波反射較P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水；(3)VP/VS增加或泊松比突然增大，常由于流體的存在而引起；(4)若VP下降，則表明裂隙或孔隙度增加。

本文彈性波反射法預(yù)報(bào)采用北京市水電物探研究所的TGP206型隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，主要探測(cè)隧道掌子面前方150 m范圍內(nèi)巖體含水、空洞和破碎情況。

從隧道縱橫波的偏移圖(見(jiàn)圖1～3)和縱橫波反射界面、反射速度的分布曲線(圖4、圖5)，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷出的地質(zhì)結(jié)果見(jiàn)表1，可知YK77+630～YK77+780段圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)較軟，部分區(qū)段含水量較大。施工中應(yīng)防止拱頂因節(jié)理裂隙存在而造成的塌方，加強(qiáng)支護(hù)，并注意降雨對(duì)隧道施工的影響。

表1　隧道右洞YK77+630～YK77+780段

圖1　縱波(P波)偏移成果圖

圖2　橫波(SH波)偏移成果圖

圖3　橫波(SV波)偏移成果圖

圖4　縱波、橫波反射界面、反射速度分布曲線圖(同側(cè)檢測(cè)結(jié)果。黑色線條為縱波圖像，灰色線條為橫波圖像)

圖5　縱橫波反射界面、反射速度分布曲線圖(對(duì)側(cè)檢測(cè)結(jié)果)

1.3地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)

地質(zhì)雷達(dá)是利用超高頻脈沖電磁波為震源，以自激自收的形式，采用連續(xù)或間斷的方式探測(cè)地質(zhì)介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法，具有快速、無(wú)損、實(shí)時(shí)顯示等特點(diǎn)。

本文地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)采用SIR-3000型探地雷達(dá)系統(tǒng)，包括儀器主機(jī)和100 MHz加強(qiáng)型天線兩部分。探測(cè)時(shí)在隧道掌子面布置2條測(cè)線，用來(lái)探測(cè)隧道掌子面前方30 m范圍內(nèi)巖體的含水、空洞和破碎情況。

隧道右洞YK77+690～YK77+720、YK77+756～YK77+786段地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)圖6、圖7，預(yù)報(bào)結(jié)果見(jiàn)下頁(yè)表2，結(jié)果表明：該區(qū)段巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖以強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r為主，巖質(zhì)較軟。施工中易出現(xiàn)掉塊、塌方現(xiàn)象，建議加強(qiáng)超前支護(hù)。

表2　隧道右洞YK77+690～YK77+720、

圖6　隧道掌子面YK77+690地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖

圖7　隧道掌子面YK77+756地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖

1.4兩種方法預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比

彈性波反射法預(yù)報(bào)可以探測(cè)地層特征、地層界線、地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理裂隙的情況，橫波反射波還可用來(lái)探測(cè)地質(zhì)體含水情況，地質(zhì)雷達(dá)可以探測(cè)斷層破碎帶、軟弱夾層、含水地質(zhì)體的情況。由表3可以看出，兩者對(duì)同一區(qū)段預(yù)報(bào)結(jié)果基本吻合，而地質(zhì)雷達(dá)法在短距離內(nèi)預(yù)報(bào)結(jié)果更為細(xì)致準(zhǔn)確。因此一般先用彈性波反射法作長(zhǎng)距離粗略預(yù)報(bào)，再用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)局部重點(diǎn)區(qū)段作短距離細(xì)致預(yù)報(bào)。

表3　彈性波反射法和地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比表

2結(jié)語(yǔ)

本文利用彈性波反射法和地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)隧道開(kāi)挖面前方的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)，主要得出以下結(jié)論：

(1)彈性波反射法用于長(zhǎng)距離探測(cè)，可以探測(cè)隧道地層特征、地層界線、地質(zhì)構(gòu)造、巖體節(jié)理裂隙情況，根據(jù)橫波反射特性還可探測(cè)地質(zhì)體含水情況；地質(zhì)雷達(dá)法用于短距離探測(cè)，可以探測(cè)隧道斷層破碎帶、軟弱夾層、地質(zhì)體含水情況。

(2)根據(jù)長(zhǎng)距離與短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合的原則，將彈性波反射法和地質(zhì)雷達(dá)法聯(lián)合使用，可互為補(bǔ)充和驗(yàn)證，是探測(cè)隧道掌子面前方不良地質(zhì)體以及巖體裂隙水的有效手段，預(yù)報(bào)結(jié)果更為全面準(zhǔn)確，可有效預(yù)報(bào)涌水、塌方等隧道地質(zhì)災(zāi)害。

參考文獻(xiàn)

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Research on the Application of Comprehensive Tunnel Advance Geology Prediction Technology

XIONG Chun-fa1，2，REN Shao-bo1，2，WANG Shu-ying1，2，JIANG Hong-liang1，2

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：The tunnel construction in poor geological areas has high risk to gushing，landslides and other geological disasters，causing the major safety risk to the construction.The current geophysical methods of geological disasters have their own advantages and disadvantages respectively，thus，in order to improve the accuracy of forecasts，using various methods to carry out integrated geological prediction becomes necessary.Taking Sifang Mountain Tunnel of Qincong Road as the example，and combining the elastic wave reflection method and geological radar method，this article conducted the effective in-tegrated prediction on broken belts，joints and fissures，water-rich segments and other adverse geolo-gies in front of tunnel excavation working face，and the prediction means and ideas being used can provide the reference for similar projects.

Keywords：Tunnel；Geological disasters；Advanced prediction；Elastic wave reflection method；Ground penetrating radar method；Integrated application

收稿日期：2015-12-15

文章編號(hào)：1673-4874(2016)01-0036-05

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.009

作者簡(jiǎn)介

熊春發(fā)(1982—)，博士，主要從事隧道監(jiān)測(cè)及檢測(cè)工作；

任少博(1985—)，碩士，主要從事公路路基路面、隧道巖土方面的研究工作；

王淑英(1964—)，教授級(jí)高工，主要從事道路材料檢測(cè)方面的研究工作；

姜洪亮(1980—)，工程師，主要從事隧道檢測(cè)監(jiān)測(cè)方面的研究工作。