黃智海 黃保勝

摘要：為確保隧道開挖的安全性，降低地質(zhì)災害的概率和破壞程度，開展隧道施工超前地質(zhì)預報工作是目前最有效的方法。文章采用地質(zhì)調(diào)查法和TSP地震預報法在某構(gòu)造區(qū)隧道進行綜合超前地質(zhì)預報應用研究，并進行了開挖結(jié)果驗證分析。研究結(jié)果顯示：穿越構(gòu)造區(qū)的隧道圍巖軟硬程度分明，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查的TSP地震預報法結(jié)果能很好地反映軟弱巖帶及破碎帶等不良地質(zhì)體位置;采用地質(zhì)調(diào)查法和TSP地震預報法的綜合超前地質(zhì)預報法在構(gòu)造區(qū)隧道施工超前地質(zhì)預報中是實用的和有效的。

關(guān)鍵詞：構(gòu)造區(qū);地質(zhì)調(diào)查法;TSP地震預報法;綜合超前地質(zhì)預報法

0 引言

隨著高速公路網(wǎng)建設(shè)不斷推進，新建高速公路越來越向偏遠山區(qū)發(fā)展。隧道是跨越崇山峻嶺的最有效方法，因此不斷出現(xiàn)大量隧道建設(shè)[1]。隧道區(qū)址構(gòu)造發(fā)育、地質(zhì)情況復雜是目前山區(qū)隧道建設(shè)中經(jīng)常遇到的難題。隧道建設(shè)過程中往往由于隧道區(qū)址地形地貌復雜導致無法進行有效的前期勘察，施工單位只求進度盲目施工，加上客觀地質(zhì)情況復雜多變等等因素導致出現(xiàn)突水突泥、冒頂崩塌等工程事故，甚至進一步引發(fā)地表塌陷、建筑物下沉及破裂、地下水枯竭等嚴重生態(tài)環(huán)境問題，對隧道施工安全、人民及財產(chǎn)安全造成了極大的影響[2-4]。為了更詳細具體地探測查明隧道開挖面前方的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)情況，指導工程建設(shè)的順利開展，降低地質(zhì)災害的概率和破壞程度，為優(yōu)化工程設(shè)計提供地質(zhì)依據(jù)，開展隧道施工超前地質(zhì)預報工作是目前最有效的方法。隧道施工超前地質(zhì)預報方法分為物探類和地質(zhì)類方法。地質(zhì)類方法主要有超前鉆探法、超前導坑預報法和地質(zhì)調(diào)查法等[5-7]。地質(zhì)調(diào)查一般為超前地質(zhì)預報必做內(nèi)容。隧道施工超前地質(zhì)預報應用較多的物探方法主要有地震波法和電磁法[8-11]。地震波法主要為TSP/TGP地震預報法、TRT地震反射層析成像法等;電磁法主要為GPR探地雷達法和TEM瞬變電磁法。TSP是地震波發(fā)射法的其中一種，具有較大的預報長度，對隧道施工干擾小，對軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等不良地質(zhì)體預報靈敏，是整體把控隧道掌子面前方地質(zhì)災害風險的重要手段，這也是TSP較電磁法具有的獨特優(yōu)點，在國內(nèi)外隧道建設(shè)中廣泛應用。本文通過采用地質(zhì)調(diào)查法和TSP地震反射法的綜合地質(zhì)預報法在構(gòu)造區(qū)隧道進行超前地質(zhì)預報，探討預報效果并與開挖結(jié)果進行比對分析。

1 地質(zhì)調(diào)查法

地質(zhì)調(diào)查法是以隧道工程地質(zhì)勘察、洞內(nèi)外地質(zhì)觀察素描等資料為基礎(chǔ)，將隧道開挖所揭露的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、不良地質(zhì)、地下水出露等地質(zhì)情況準確記錄下來并繪制成圖表，使用趨勢分析、地質(zhì)作圖和常規(guī)地質(zhì)理論等技術(shù)手段進而判定隧道掌子面附近圍巖的完整性、穩(wěn)定性和推斷掌子面前方一定范圍內(nèi)將會出現(xiàn)的地質(zhì)情況。

2 TSP地震預報法

TSP地震預報法是一種多波多分量高分辨率地震反射法[2]。在設(shè)計的震源點用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生地震波，為了能夠接收到有效的反射波通常將震源點布置在地層或構(gòu)造的走向與隧道軸向相交成銳角的邊墻上，大約24 個炮點。在巖石波阻抗存在差異的位置（如巖性變化、斷層和破碎帶等）時，有一部分地震波會反射回來，有一部分地震波會透射進入前方介質(zhì)繼續(xù)向前方傳播。具有高靈敏度的加速度地震傳感器將接收并以數(shù)字形式記錄下來反射回來的地震信號，采用專門的數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合隧道勘察資料、洞內(nèi)外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，綜合分析隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等）、位置及規(guī)模[2]。

TSP地震預報法數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集工作主要包括：根據(jù)隧道現(xiàn)場具體情況合理靈活布置觀測系統(tǒng)，按照設(shè)計要求規(guī)范鉆孔、安裝套管，通過試驗或根據(jù)經(jīng)驗進行炸藥裝填，儀器連接與測試，噪音檢查，進行數(shù)據(jù)采集。

TSP地震預報法數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容主要有[5]：根據(jù)探測目的長度設(shè)置數(shù)據(jù)長度、帶通濾波去除噪聲干擾、初至拾取及拾取處理獲取直達波速、炮能量均衡進行能量補償、Q因子估算、反射波提取、縱橫波分離、速度分析、深度偏移、反射層提取等。其中Q因子估算、速度分析等環(huán)節(jié)尤為關(guān)鍵。

目前很多從業(yè)人員解譯TSP結(jié)果原則千姿百態(tài)，這是因為TSP結(jié)果中幾個巖石力學參數(shù)可能存在互相矛盾之處，比較成熟可靠的還是根據(jù)縱波波速推斷前方地質(zhì)情況。綜合較多文獻及實際工作經(jīng)驗，本次結(jié)果解譯主要采用最為穩(wěn)妥的縱波Vp進行地質(zhì)解譯。

3 實例應用

3.1 工程概況及地球物理特征

百布隧道位于靖西縣地州鄉(xiāng)樂村百布屯，為連拱隧道。隧道區(qū)屬巖溶峰叢谷地地貌，山峰陡峻高大，地形起伏較大，山體連綿起伏。擬建隧道穿越一山體，谷地和山頂高程為759～873 m，相對高差約115 m，最大埋深約90 m。隧道兩端為灰?guī)r出露區(qū)，中間為頁巖出露區(qū)。進口段為一坡積裙，覆蓋殘坡積黏土、塊石等，斜坡自然坡角為20°～25°。出洞口段山體斜坡自然坡角為40°～45°。地表植被一般發(fā)育，主要為松木、雜草、灌木等。隧道區(qū)場地覆蓋層主要為第四系殘坡積層黏土和粉質(zhì)黏土覆蓋，基巖有三迭系下統(tǒng)羅樓組灰?guī)r和三迭系中統(tǒng)平而關(guān)群頁巖，山體基巖出露完好灰?guī)r和零星頁巖。場地內(nèi)褶曲發(fā)育，巖層產(chǎn)狀多變，灰?guī)r與頁巖二者為平行不整合接觸關(guān)系。隧道約2K21+220～2K21+350段位于上屯向斜核部，受向斜構(gòu)造影響，該段巖層褶曲發(fā)育，巖體極破碎。由上述可見：隧道洞身圍巖完整性主要受巖性和地質(zhì)構(gòu)造控制，隧道穿越一套完整向斜地層，圍巖風化、破碎、裂縫發(fā)育程度等方面存在明顯差異，從而導致圍巖波速存在明顯差異，為TSP應用提供了物性基礎(chǔ)。

3.2 地質(zhì)調(diào)查

隧道約2K21+220～2K21+350段位于上屯向斜核部，受向斜構(gòu)造影響，該段巖層褶曲發(fā)育，巖體極破碎。本次超前地質(zhì)預報掌子面里程樁號為2K21+250，掌子面素描圖見圖1。巖性主要為深灰色中風化頁巖，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，頁理構(gòu)造，巖質(zhì)軟，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體破碎-較破碎，巖體開挖易發(fā)生層狀剝離松動，易剝落掉塊，圍巖無自穩(wěn)能力。調(diào)查時掌子面呈稍濕狀，未見明顯滲水。隧道出口前方約70 m為自西向東橫切測區(qū)的隴金逆斷層，斷層走向為300°，傾向為南西，傾角為30°～50°。受該斷層影響，隧道出洞口灰?guī)r被擠壓切割呈塊狀、巨塊狀。隧址區(qū)的巖溶地下水類型主要為管道-裂隙型，主要接受大氣降雨入滲補給，區(qū)內(nèi)地下水位處于隧道底板以下，水量不豐富，一般情況下隧道施工不會發(fā)生突泥、突水地質(zhì)災害。但是由于有斷層構(gòu)造和巖溶不良地質(zhì)存在，不排除由于雨季施工時區(qū)內(nèi)地下水補給量的增大，從而引發(fā)突泥、突水地質(zhì)災害。

3.3 綜合超前地質(zhì)預報法結(jié)果

本次TSP地震波反射法探測接收器位置布置在中導洞2K21+185，2個三分量接收器分別位于中導洞左、右邊墻，設(shè)計24個炮孔，位于中導洞左邊墻，炮孔間距約為1.5 m，2D預報成果見圖2，由掌子面向大里程方向進行預報。綜合地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，預報結(jié)果分析如下：

（1）掌子面前方0～46 m（2K21+250～2K21+296）范圍縱波速整體相對較高，局部降低，橫波波速整體較低，局部有波動，縱橫波速度比和泊松比多在正常值范圍。推斷該范圍為與掌子面情況相近，巖性為中風化頁巖，巖體較破碎-破碎，巖體裂隙較發(fā)育-發(fā)育，地下水弱發(fā)育。圍巖整體穩(wěn)定性較差，詳細定級為Ⅳ級。

（2）掌子面前方46～80 m（2K21+296～2K21+330）范圍縱波速整體較低，局部急劇降低，橫波波速整體較高。推斷該范圍為隧道區(qū)向斜構(gòu)造的核部，巖性為中風化頁巖，受向斜構(gòu)造及斷層構(gòu)造的影響，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體極破碎，地下水較發(fā)育。圍巖穩(wěn)定性極差，詳細定級為Ⅴ級。

（3）掌子面前方80～104 m（2K21+330～2K21+354）范圍縱波速度增大，橫波波速整體較高，縱橫波速度比和泊松比增大。推斷該范圍為巖層接觸帶，巖性為中風化頁巖、灰?guī)r，受向斜核部及巖性接觸帶共同影響，巖體破碎-極破碎，裂隙發(fā)育-極發(fā)育，巖溶較發(fā)育。圍巖自穩(wěn)能力差-極差，詳細定級為Ⅴ級、局部Ⅳ級。

（4）掌子面104～128 m（2K21+354～2K21+378）范圍縱波速降低，橫波波速較高，縱橫波速度比和泊松比在合理范圍。該范圍為隧道出口淺埋段，巖性為中風化灰?guī)r，局部夾土，受隧道出口前方隴金逆斷層影響，巖體以巨塊狀、塊狀結(jié)構(gòu)為主，裂隙極發(fā)育，巖體極破碎，掘進開挖時巖體松動位移、掉塊。圍巖自穩(wěn)能力極差，詳細定級為Ⅴ級。

3.4 開挖驗證

本次預報范圍內(nèi)隧道穿過向斜核部及巖性接觸帶，該處圍巖的軟硬程度、破碎程度、裂隙發(fā)育程度等與相鄰段圍巖有著顯著變化。通過預報結(jié)果與開挖結(jié)果分析，驗證超前地質(zhì)預報的效果。2K21+312掌子面巖性為強-全風化頁巖，淺黃-灰黑色，薄層狀構(gòu)造，巖體極破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育，質(zhì)軟，遇水松散軟化，巖層傾向較陡，圍巖穩(wěn)定性極差。開挖結(jié)果表明2K21+312前后段為向斜核部及巖性變化過渡帶，與綜合超前地質(zhì)預報法2K21+296～2K21+330段縱波波速顯著降低結(jié)果一致吻合，對應性非常好。施工單位根據(jù)綜合超前地質(zhì)預報結(jié)果在該段提前把開挖方法由全斷面開挖變更為環(huán)形開挖留核心土法，采用短進尺、強支護施工方法，避免了坍塌等不良地質(zhì)災害的發(fā)生，有效地保證了隧道開挖掘進的安全性。

4 結(jié)語

（1）構(gòu)造區(qū)隧道圍巖地質(zhì)完整性存在明顯差異，采用地質(zhì)調(diào)查法和TSP地震預報法的綜合超前地質(zhì)預報法能很好地反映軟弱巖帶及破碎帶等不良地質(zhì)體位置，在構(gòu)造區(qū)隧道施工超前地質(zhì)預報中是實用的和有效的。

（2）采用地質(zhì)調(diào)查法和TSP地震預報法的綜合超前地質(zhì)預報法進行長距離預報，整體把控風險是可行的，在進行地質(zhì)解釋時尤其要注意與已知地質(zhì)資料相結(jié)合。

參考文獻：

[1]趙永貴，劉 浩，孫 宇，等.隧道地質(zhì)超前預報研究進展[J].地球物理學進展，2003，18（3）： 460-464.

[2]王登鋒.TSP在廣大線下莊1號隧道超前地質(zhì)預報中的應用研究[D].成都：西南交通大學，2016.

[3]周 捷，席錦州.綜合超前地質(zhì)預報在新銅鑼山隧道中的運用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2017，54（4）：207-212.

[4]徐 磊，張建清，漆祖芳.水工隧洞綜合超前地質(zhì)預報應用對比研究[J].地球物理學進展，2018，33（1）：411-417.

[5]李俊杰，張紅綱，何建設(shè)，等.綜合物探技術(shù)在方解石隧洞段涌水預報中的應用[J].地球物理學進展，2019，34（2）：737-744.

[6]唐曾智，田新成，李二兵，等.綜合超前地質(zhì)預報在巖溶隧道施工中的應用[J].西華大學學報（自然科學版） ，2017，36（5）：91-96.

[7]趙永貴.國內(nèi)外隧道超前預報技術(shù)評析與推介[J].地球物理學進展，2007，22（4）：1 344-1 352.

[8]曾勝強，劉爭平，奉建軍，等.隧道反射地震超前預報波場分離方法的數(shù)值模擬研究[J].地球物理學進展，2019，34（2）：817-825.

[9]牟元存，王光權(quán)，李 星，等.提高TSP法預報效果的數(shù)據(jù)處理技巧[J].鐵道勘察，2017（5）：76-78.

[10]薛國強，李 貅.瞬變電磁隧道超前預報成像技術(shù)[J].地球物理學報，2008，51（3）：894-900.

[11]張 楊，楊 君，周黎明，等.TSP在隧道工程施工中的常見干擾和對巖體裂隙水及軟弱夾層等的預報研究[J].地球物理學進展，2018，33（2）：892-899.