復(fù)雜富水公路隧道施工中超前地質(zhì)預(yù)報的探討

羅旭光

(中鐵十六局集團第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

復(fù)雜富水公路隧道施工中超前地質(zhì)預(yù)報的探討

羅旭光

(中鐵十六局集團第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

蘇州市西山島出入通道擴建工程漁洋山通道隧道區(qū)屬于太湖沿岸構(gòu)造——剝蝕低山地貌,地下水豐富,地質(zhì)條件復(fù)雜,施工中經(jīng)常出現(xiàn)突水突泥,給施工帶來很多不便。經(jīng)在該地段采用地質(zhì)雷達、TSP203Plus和紅外探測儀綜合預(yù)報方法預(yù)報掌子面前方地質(zhì)情況,根據(jù)反饋信息可以及時更改施工方法和增加輔助措施,確保隧道安全施工。

富水隧道；TSP；地質(zhì)雷達；紅外探水；超前地質(zhì)預(yù)報

1 概述

隧道穿越地段地表覆蓋層為第四系殘坡積土,以粉質(zhì)黏土夾碎石為主。進出洞口段殘坡積土厚5.1～8.0 m,山體之上殘坡積土厚度僅0.5～2.0 m,山體樹木茂密,通視條件較差。隧道兩側(cè)接線屬于古泄湖平原區(qū),地勢低平,地面高程為2.8～4.3 m。隧道兩側(cè)接線路基分布有全線統(tǒng)及上更新統(tǒng)土層, 揭示層厚20 m, 隧址區(qū)表層為第四系殘坡

積層(Q),第四系殘坡積層由碎石和角礫組成,灰黃色,呈松散狀,分布廣泛,與下伏基巖界限清晰。下伏基巖為古生界泥盆系上統(tǒng)五通組 (D3W),巖性為一套黃褐色至紫褐色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及淺灰白色石英砂巖夾泥質(zhì)砂巖。隧道構(gòu)造節(jié)理多為剪節(jié)理。節(jié)理面較為平直,多呈閉合狀態(tài),見鐵質(zhì)浸染。

隨著深長山嶺隧道工程建設(shè)不斷向西部山區(qū)推進,為了確保工程安全,對工程地質(zhì)勘測提出了更高的要求。對于山高洞長隧道,工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地表的勘察技術(shù)和條件有限,在施工的前期很難對工程區(qū)域的地質(zhì)情況進行全面而精準的掌握,特別是富水、斷層以及破碎巖體等不良地質(zhì)具有很強的隱蔽性,很難對隧道巖性的不良地質(zhì)情況作出準確的揭示,而類似不良地質(zhì)又是主要的災(zāi)害賦存源,在隧道施工過程中有可能誘發(fā)突水突泥、塌方等地質(zhì)災(zāi)害,給隧道施工帶來嚴重的財產(chǎn)損失乃至危及施工人員的生命安全。因此在隧道施工階段應(yīng)精準地開展超前地質(zhì)預(yù)報工作,對確保隧道安全施工起到十分重要的作用[1-2]。

2 TSP203Plus、地質(zhì)雷達和紅外探測儀的基本原理

2.1TSP203Plus基本原理

TSP(TunnelseismicPrediction)是屬于多波多分量高分辨率地震反射波的一種探測技術(shù),是為地下硐室地質(zhì)超前預(yù)報而專門設(shè)計的,能在地下硐室施工、地下礦藏和洞穴開挖前提供幫助,迅速超前地提供在開挖掌子面前方的三維空間的工程地質(zhì)預(yù)報，是專門為長距離隧道在施工過程中的超前地質(zhì)預(yù)報而設(shè)計的。它的地震波由小藥量激發(fā)產(chǎn)生,小藥量有效激發(fā)信號要在18個以上,通常布置24個小藥量炮孔激發(fā)信號。地震波在巖石中以球面波形式傳播,當遇到巖石界面,有一部分信號發(fā)生反射,反射回來的信號由檢波器接收并記錄下來,這是一種快速、有效、無損的地震波反射探測技術(shù)[3-4]。圖1為TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報原理圖。

圖1 TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報原理圖

2.2 地質(zhì)雷達的基本原理

地質(zhì)雷達是利用超高頻窄脈沖電磁波探測介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法。目前地質(zhì)雷達種類很多,有進口的也有國產(chǎn)的,其工作原理為發(fā)射天線向隧道掌子面前方發(fā)射電磁波信號,當電磁波在介質(zhì)中傳播時遇到存在電性差異的地下目標物時(如空洞、分界面等),電磁波將發(fā)生反射,返回的電磁波由接收電線接收(天線有一體化的、分離式的等)。并對接收到的電磁波進行處理分析,通過雷達波形和強度等參數(shù)推斷出地下目標物的空間位置、結(jié)構(gòu)及幾何形態(tài)。從而達到對地下隱蔽目標物的探測[5-6](圖2)。

[0,1]區(qū)間及其子集是重要的剩余格,但是抽象的剩余格能夠更詳盡地表現(xiàn)出模糊系統(tǒng)的代數(shù)特點。然而在抽象剩余格上很難再按照ρ=1-(a→b)∧(b→a)的方法建立度量空間。剩余格中也有→和∧算子,因此,在一般的剩余格中s(a,b)=(a→b)∧(b→a)仍有相應(yīng)的定義。但是s算子是由→,∧誘導(dǎo)的,未能很好地體現(xiàn)剩余格中的三角模算子?。在[0,1]剩余格中(a→b)∧(b→a)和(a→b)?(b→a)是一樣的,但是在一般的剩余格中卻不能保證這一點。

圖2 雷達探測原理示意圖

2.3 紅外探測儀的基本原理

紅外探測技術(shù)是通過探測前方30m范圍內(nèi)地質(zhì)體輻射的紅外場強度。如果掌子面前方存在脈狀含水體、地下脈狀流或者隱伏含水體等異常現(xiàn)象時,其輻射出來的異常紅外場將會疊加在正常的輻射場上,而在探測數(shù)據(jù)上將會出現(xiàn)畸形。即通過對采集到的數(shù)據(jù)進行有效的分析處理,就可以較為全面地預(yù)測隧道前方的不良地質(zhì)體,特別是含水體[7-9]。

3 應(yīng)用實例

在隧道施工過程中,經(jīng)常會出現(xiàn)很多不良地質(zhì)情況,如溶洞、斷層破碎帶、突泥突水、節(jié)理發(fā)育強風(fēng)化巖等。為了確保隧道內(nèi)的安全施工以及避免涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害事故的發(fā)生,就必須對隧道進行TSP、地質(zhì)雷達、紅外探水等地質(zhì)超前預(yù)報，預(yù)先了解掌子面前方的地質(zhì)情況,并采取相應(yīng)的措施。以下為漁洋山隧道施工過程中遇到的典型斷面進行分析,以掌子面YK4+352為例,對該掌子面進行地質(zhì)超前預(yù)報,然后根據(jù)開挖過程中反饋的信息,并將三種情況的預(yù)報結(jié)果進行對比,最后與實際開挖的地質(zhì)情況進行驗證。

3.1TSP探測結(jié)果分析

用TSP203Plus相應(yīng)的處理軟件TSPwinPLUS2.1對采集的數(shù)據(jù)進行處理分析,得到相應(yīng)波(P、SH、SV)的深度偏移剖面和反射界面,以及相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)和二維、三維效果圖。圖3是漁洋山隧道2D效果圖,根據(jù)該圖可以得到如下結(jié)論:

圖3 漁洋山隧道2D成果圖

1)里程YK4+352至YK4+319區(qū)段,長約33m,圍巖破碎,整體性較差,節(jié)理強發(fā)育,薄產(chǎn)狀,巖質(zhì)較軟,強風(fēng)化巖層,巖體局部滲水；

2)里程YK4+319至YK4+289區(qū)段,長約30m,此段圍巖相對稍好但仍為破碎,節(jié)理裂隙強發(fā)育,薄中產(chǎn)狀互存,局部強風(fēng)化巖層,巖質(zhì)軟硬不均,巖體存在含水構(gòu)造,其中YK4+307至YK4+295段存在強層理或斜層構(gòu)造,開挖時需要注意；

3)里程YK4+295至YK4+265區(qū)段,長約30m,圍巖局部破碎,整體性稍差,薄中產(chǎn)狀互存,節(jié)理強發(fā)育,局部存在軟弱夾層,巖質(zhì)軟硬不均,巖體含水；

4)里程YK4+265至YK4+235區(qū)段,長約30m,圍巖局部破碎層間結(jié)合性一般差,薄-中層狀,節(jié)理強發(fā)育,局部強風(fēng)化,巖質(zhì)薄中互存,其中YK4+255至YK4+245存在嚴重傾斜狀或斷層。

3.2 地質(zhì)雷達探測結(jié)果分析

隧道該掌子面采用上下臺階法開挖,圍巖為強風(fēng)化紅砂巖,呈松散狀,巖體破碎,節(jié)理裂隙強發(fā)育,掌子面左右兩側(cè)有滲水。

采用雷達對掌子面YK4+352進行預(yù)報,數(shù)據(jù)分析由IDSP5.0軟件進行分析,分析結(jié)果見圖4。其波形的主要特征為：界面存在強烈的反射波,波在節(jié)理中傳播時波形雜亂,且波的振幅變化較大,同相軸不連續(xù)。根據(jù)波形分析可推斷,掌子面前面的圍巖較為破碎,節(jié)理裂隙強發(fā)育,其中0～10m處圍巖存在含水構(gòu)造,巖體富水。

圖4 地質(zhì)雷達探測剖面圖

3.3 紅外探測儀探測結(jié)果分析

運用紅外探測儀HW-304對漁洋山隧道出口掌子面里程YK4+352進行探測分析。通過對漁陽山隧道出口YK4+352掌子面前方30m范圍內(nèi)的探測數(shù)據(jù)判斷：由掌子面巖體上均勻布置24個測點的紅外輻射場強數(shù)值,可知其最大值為312μW/cm2,最小值為300μW/cm2,差值為12μW/cm2,大于允許的安全值10μW/cm2。

根據(jù)以上判別方法并結(jié)合實際的圍巖情況可知：YK4+352至YK4+322處存在含水構(gòu)造,巖體局部嚴重滲水。

綜合TSP、地質(zhì)雷達及紅外探測儀預(yù)報結(jié)果,對隧道該段地質(zhì)情況進行綜合分析,可以判定掌子面YK4+352至YK4+322范圍圍巖破碎,節(jié)理裂隙強發(fā)育,巖體內(nèi)存在富水層,極可能出現(xiàn)突泥突水現(xiàn)象。

為了確保隧道施工安全,及時將預(yù)報結(jié)果報告業(yè)主、監(jiān)理和施工單位,要求施工方在該段打設(shè)超前泄水孔,提前做好排水措施,從而確保隧道施工能夠安全進行。

隧道在該段開挖后揭露的圍巖特性與超前地質(zhì)預(yù)報中所預(yù)報的地質(zhì)情況基本一致,說明采用綜合預(yù)報的方法比較準確,能夠指導(dǎo)隧道施工。實際開挖時掌子面照片見圖5。

圖5 實際開挖掌子面

4 結(jié) 語

1)在隧道工程中,超前地質(zhì)預(yù)報所占的地位越來越重,尤其是在施工安全、施工進度及質(zhì)量等方面極為重要。

2)對于隧道施工穿越不良地質(zhì)段時,為了確保施工安全,提高超前地質(zhì)預(yù)報精確度,建議采用TSP、地質(zhì)雷達和紅外探水等超前地質(zhì)預(yù)報的方法。

3)在隧道不良地質(zhì)段施工時要根據(jù)地質(zhì)預(yù)報及時反饋信息,及時更改隧道施工方法和增加輔助措施。

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Discussion on Leading Geological Forecast in the Construction of the Complicated Water-Rich Road Tunnel

LUOXuguang

2016-09-28

羅旭光(1979—),男，浙江長興人，工程師，從事鐵路、公路、市政以及其他工程的施工管理工作。

U455.5

B

1008-3707(2017)01-0053-04