綜合超前地質(zhì)預(yù)報在涌水隧道中的應(yīng)用研究

張毅清

(中國鐵路北京局集團(tuán)公司石家莊工程項目管理部 河北石家莊 050000)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，在公路、鐵路和水利等基礎(chǔ)設(shè)施施工過程中越來越多的埋深大、長度長的隧道被提上日程，并隨著工程設(shè)計與施工水平的提高，在原本一些地質(zhì)條件較為復(fù)雜的地段修建隧道成為可能，而此類隧道往往存在洞內(nèi)塌方、涌水、涌泥、有毒有害氣體等風(fēng)險。為探明施工隧道前方可能存在的圍巖變化情況、斷層破碎帶、裂隙水發(fā)育程度等地質(zhì)情況，以便于更好保證施工過程安全，保證工程質(zhì)量和施工階段進(jìn)度，開展隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作顯得尤為重要。

目前隧道超前地質(zhì)預(yù)報常用方法包括地球物理探測法、地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、超前導(dǎo)坑預(yù)報法。然而大量工程實踐表明，單一或兩種超前地質(zhì)預(yù)報方法往往不能夠準(zhǔn)確有效判斷前方圍巖地質(zhì)情況，因此需要結(jié)合多種超前地質(zhì)預(yù)報手段綜合分析，以便提高超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性，并根據(jù)不同的地質(zhì)情況提前做好相應(yīng)措施[1-3]。本文根據(jù)和順至邢臺段鐵路天河山隧道勘察設(shè)計資料，針對隧道施工的高風(fēng)險段落及斷層破碎帶發(fā)育地帶，以TSP(Tunnel Seismic Prediction)探測數(shù)據(jù)為主導(dǎo)，探測前方斷層破碎帶發(fā)育情況，再使用地質(zhì)雷達(dá)探測斷層破碎帶含水、含泥情況，最終采用孔內(nèi)電視進(jìn)一步驗證，根據(jù)多種方法的探測結(jié)果明確異常位置、形態(tài)和性質(zhì)[4-6]。

2 工程概況

新建和順至邢臺鐵路西接陽涉鐵路和順站，東接京廣鐵路邢臺站，是我國“公轉(zhuǎn)鐵”戰(zhàn)略的關(guān)鍵項目之一。該線建成后，和順地區(qū)煤炭可運往邯黃鐵路沿線并供應(yīng)渤海新區(qū)，對于滿足晉東地區(qū)煤炭外運需求具有重要意義。和邢鐵路以貨運為主兼顧客運，不僅可以大幅降低能源運輸成本，也將結(jié)束左權(quán)、和順等太行山革命老區(qū)不通客運火車的歷史，對促進(jìn)老區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和民生改善將發(fā)揮重要作用。

天河山隧道為全線重點控制性工程，也是全線第一長隧，隧道全長11 695 m，呈東西走向，穿越太行山脈及天河山地區(qū)。天河山隧道所穿越太行山山體地層自上而下主要為粗角礫土、碎石土、粉質(zhì)黏土、頁巖、石灰?guī)r和砂巖。隧道最大埋深615 m，洞身共穿越21條斷層破碎帶。

3 綜合超前地質(zhì)預(yù)報

天河山隧道存在斷層、褶皺發(fā)育的高風(fēng)險地段，施工過程易遇到圍巖失穩(wěn)、突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害。因此，采用彈性波反射法(TSP)、地質(zhì)雷達(dá)和孔內(nèi)電視相結(jié)合的綜合超前預(yù)報技術(shù)，可進(jìn)一步提高隧道超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確度。

根據(jù)勘察設(shè)計資料，隧道樁號DK36＋120～DK36＋170范圍為性質(zhì)不明斷層fths-2發(fā)育段落。為探明掌子面前方較長距離范圍內(nèi)受到該斷層發(fā)育影響而可能存在的地質(zhì)異常情況，并提前做好相應(yīng)的施工預(yù)案，盡量避免突發(fā)狀況對隧道施工影響，決定先采取地震波反射法(TSP)進(jìn)行長距離探測，依據(jù)TSP成果中速度、泊松比、反射界面等變化，推斷斷層破碎帶位置，再采用地質(zhì)雷達(dá)法，根據(jù)雷達(dá)成果波形變化判斷斷層內(nèi)含水、含泥情況，最終采用孔內(nèi)電視進(jìn)一步驗證，根據(jù)多種方法綜合判斷地層異常位置、形態(tài)和性質(zhì)[7-8]。

3.1 TSP預(yù)報

TSP法屬于地震反射波法中的一種，以負(fù)視速度原理為基礎(chǔ)，預(yù)報長度較長，準(zhǔn)確度較高，目前廣泛應(yīng)用于隧道超前預(yù)報中[9-11]。在隧道左邊墻或右邊墻布設(shè)24個炮點，用適量炸藥激發(fā)地震波，地震波在巖層以球面波的形式傳播，遇到阻抗界面發(fā)生頻率、速度、振幅等方面變化，通過初至?xí)r間，計算波阻抗界面位置，估算巖體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)，即可找到斷層、破碎帶或者巖溶等不良地質(zhì)的位置，進(jìn)而實現(xiàn)掌子面前方及周圍區(qū)域的地質(zhì)預(yù)報，其原理見圖1。

使用北京程鵬科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的TSP305PLUS在天河山隧道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，布置情況見圖2。

在隧道掌子面后方左右邊墻各設(shè)1個接收孔，同一水平線上布置24個等間距炮孔，間距設(shè)置為1.5 m。為了彌補地震波信號受圍巖影響而產(chǎn)生的衰減，在靠近掌子面位置的前8個激發(fā)孔裝填150 g炸藥，靠近接收器的8個激發(fā)孔裝填50 g炸藥，中間8個激發(fā)孔裝填100 g炸藥。所有激發(fā)孔均采用灌水密封的方式減少隧道管波對探測數(shù)據(jù)的干擾，觸發(fā)方式皆采用熔斷式觸發(fā)，從而更加準(zhǔn)確記錄直達(dá)波到接收器的初至?xí)r間，得到更為精確的圍巖波速信息。通過TSP win軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得P波深度偏移剖面、反射層提取、巖性參數(shù)和異常特征圖，根據(jù)反射波組合特征及其動力學(xué)特征解釋地質(zhì)體性質(zhì)。

地震波數(shù)據(jù)解譯基本原則:

(1)正反射振幅(紅色)代表正的反射系數(shù)，表示存在硬質(zhì)巖層，負(fù)反射振幅(藍(lán)色)代表存在軟弱巖層；若橫波S反射比縱波P強，說明巖層飽含水。

(2)若泊松比或Vp/Vs突然增大，表示前方可能存在含水構(gòu)造，地下水發(fā)育；若Vp下降明顯，表明前方巖體節(jié)理裂隙比較發(fā)育，巖體完整性差。

(3)彈性模量下降明顯，表明前方巖體巖質(zhì)變軟，可能發(fā)育有軟弱圍巖。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后得到的成果見圖3。結(jié)合當(dāng)前掌子面地質(zhì)情況及勘察設(shè)計資料，依據(jù)解譯原則，推斷解釋如表1所示。

表1 TSP預(yù)報結(jié)果及解譯

通過對數(shù)據(jù)成果進(jìn)行進(jìn)一步分析可以看出，DK36＋160～DK36＋184段橫波波速值較當(dāng)前掌子面明顯增加，波阻抗和反射系數(shù)差別較大，Vp/Vs和泊松比上升明顯，存在明顯的負(fù)反射界面，進(jìn)而推斷此段巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，含水量增加，可能出現(xiàn)滲水、涌水現(xiàn)象。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法(GPR)是基于地下介質(zhì)的電性差異，向地下發(fā)射脈沖式高頻電磁波，當(dāng)遇到有電性差異的界面或目標(biāo)體發(fā)生反射波和透射波[12-13]。根據(jù)反射波到達(dá)時間求取傳播速度，確定界面或目標(biāo)體的深度；根據(jù)反射波的強弱、形態(tài)等因素來判定目標(biāo)體的性質(zhì)。地質(zhì)雷達(dá)工作原理見圖4。

由于前期TSP測試數(shù)據(jù)在DK36＋160～DK36＋184段圍巖參數(shù)變化較大，為進(jìn)一步探明地質(zhì)情況，故在隧道里程DK36＋160處，使用SIR4000對掌子面前方進(jìn)行探測。布設(shè)兩條雷達(dá)測線，天線頻率為100 MHz，測點間距為0.1 m，記錄時窗為720 ns，疊加128次，探測距離為30 m(DK36＋160～DK36＋190)，圖5為探測成果。

一般砂巖的介電常數(shù)為6，水的介電常數(shù)為81，當(dāng)巖體中富含地下水時，其介電常數(shù)較大，反射波表現(xiàn)為較強的正峰異常，同時出現(xiàn)強反射。從雷達(dá)探測結(jié)果可知，兩條測線圖像基本相像，16～30 m(DK36＋176～DK36＋190)反射波能量明顯增強，頻率由高頻變?yōu)榈皖l，推測巖體裂隙發(fā)育，且含水量較高，開挖過程局部可能出現(xiàn)股狀出水現(xiàn)象，需做好防水措施并加強支護(hù)。

3.3 孔內(nèi)電視法

TSP法顯示在DK36＋160～DK36＋184段圍巖參數(shù)變化較大，推斷圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，含水量增加；地質(zhì)雷達(dá)法顯示在DK36＋176～DK36＋190段落反射波能量明顯增強，推測巖體裂隙發(fā)育，圍巖含水量較高。為了進(jìn)一步明確地質(zhì)情況，在DK36＋170位置展開孔內(nèi)電視工作，圖6為孔內(nèi)電視成果圖，探測里程為DK36＋170～DK36＋186。由圖6可以看出，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體含水量較大。

3.4 總結(jié)

通過對地震波反射法(TSP)、地質(zhì)雷達(dá)法、孔內(nèi)電視所測得的結(jié)果進(jìn)行綜合比較，基本確定了掌子面前方地質(zhì)異常段落D2K36＋175～D2K36＋190主要為斷層破碎帶，由于該段地下水和圍巖節(jié)理裂隙都較發(fā)育，存在局部坍塌掉塊和出水的情況。施工單位根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)論制定好相應(yīng)施工措施后，開挖至該段落時所揭露的圍巖情況與超前預(yù)報結(jié)論完全相符合(見圖7)，證明綜合超前地質(zhì)預(yù)報相較于單一超前地質(zhì)預(yù)報更加準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)論

為提高超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確率，更加有效指導(dǎo)隧道施工，首先采取長距離地質(zhì)預(yù)報手段(TSP)，以初步確定物探異常段落及其大致類型。由于長距離預(yù)報手段在分辨率的空間尺度上較大，后期再輔以短距離預(yù)報手段(地質(zhì)雷達(dá)、孔內(nèi)電視等)，從而進(jìn)一步確定異常段落性質(zhì)和范圍，指導(dǎo)工程人員提前擬定相應(yīng)措施。

根據(jù)天河山隧道地質(zhì)災(zāi)害類型，使用綜合方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，準(zhǔn)確率較高，保證了隧道工程順利進(jìn)行，為以后鐵路安全開通運營奠定了基礎(chǔ)。