幾種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)隧道的綜合應(yīng)用
摘要：以廣樂(lè)高速公路長(zhǎng)基嶺隧道為工程實(shí)例，通過(guò)綜合應(yīng)用TSP法、高密度電法和超前鉆孔法，對(duì)相應(yīng)的不良地層地段(YK90+990～YK91+030)做超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，較為準(zhǔn)確地掌握了富水帶和節(jié)理密集帶的位置及規(guī)模。綜合應(yīng)用這幾種超前預(yù)報(bào)方法能夠解決各單一方法的缺陷，得到更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果，為隧道掘進(jìn)提供相應(yīng)的對(duì)策和必要的安全防范措施。
關(guān)鍵字：超前地質(zhì)預(yù)報(bào),高密度直流電法,TSP,超前鉆孔,長(zhǎng)基嶺隧道
0 引言
近年來(lái)，隨著我國(guó)隧道建設(shè)的大力發(fā)展，各類(lèi)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害造成的安全事故十分頻繁。若能對(duì)隧道掌子面前方的地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件，如掘進(jìn)前方是否有巖溶、斷層破碎帶、富水區(qū)域等不良構(gòu)造進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，且根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果合理地安排掘進(jìn)進(jìn)尺并修正施工方案，采取必要的防范措施，則可避免險(xiǎn)情發(fā)生。目前，關(guān)于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道建設(shè)中的應(yīng)用已有相應(yīng)的研究。李乃旺等[1]應(yīng)用高密度電阻率法，對(duì)寧淮高速公路南京老山隧道進(jìn)行了超前探測(cè)，得到了隧道和斷層破碎帶相交處為淺部裂隙巖溶含水帶中的優(yōu)良導(dǎo)水帶, 該處涌水的可能性很大, 其推斷結(jié)果在施工中得到證實(shí);余左清等[2] 應(yīng)用高密度電法對(duì)戌街隧道進(jìn)行了超前探測(cè)，結(jié)果表明該方法簡(jiǎn)單易行, 準(zhǔn)確率高, 其結(jié)果與開(kāi)挖后揭露的地質(zhì)情況吻合較好;尹培林[3]應(yīng)用TST方法，對(duì)桃園隧道進(jìn)行了勘測(cè)，結(jié)果表明TST 技術(shù)采用空間觀測(cè)系統(tǒng)有效地提高了速度分析精度和構(gòu)造定位精度, 應(yīng)用二維濾波技術(shù)有效地消除了面波和側(cè)向回波, 保證了預(yù)報(bào)結(jié)果的真實(shí)可靠;高輝[4]等應(yīng)用TSP技術(shù)對(duì)雁門(mén)關(guān)特長(zhǎng)隧道進(jìn)行了預(yù)報(bào)，得出該方法能夠有效地防止工程事故的發(fā)生，加快工程進(jìn)度，同時(shí)也能減少工程造價(jià)。
針對(duì)目前的研究現(xiàn)狀，還很少有綜合TSP，高密度直流電法和超前鉆孔法這幾種方法對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道掌子面前方巖體進(jìn)行超前探測(cè)研究的。因此，本文將以廣樂(lè)高速公路長(zhǎng)基嶺隧道為工程實(shí)例(該隧道所處的地層條件極其復(fù)雜，斷裂帶、巖溶、節(jié)理密集帶、地下水等不良地質(zhì)現(xiàn)象分布極其發(fā)育)，通過(guò)綜合應(yīng)用TSP、高密度直流電法和超前鉆孔法對(duì)掌子面前方巖體進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，探明了相應(yīng)的不良地質(zhì)現(xiàn)象的位置和規(guī)模，為施工前采取必要的安全防范措施提供了準(zhǔn)確詳實(shí)的科學(xué)依據(jù)。此外，通過(guò)幾種方法的綜合，可以解決單一超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的缺陷，優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。
1 TSP法的原理及測(cè)線布置
1.1 TSP法的原理
TSP(Tunnel Seismic Prediction)是瑞士Amberg測(cè)量技術(shù)公司研制開(kāi)發(fā)的一套隧道地震超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，采用地震方法對(duì)隧道地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)，屬多波多分量高分辨率地震反射波探測(cè)技術(shù)(圖1)。與常規(guī)地震反射波探測(cè)技術(shù)不同之處，在于該系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)為長(zhǎng)距離隧道施工地質(zhì)超前探測(cè)而設(shè)計(jì)。該技術(shù)主要是在隧道的左邊墻或右邊墻上布置一定數(shù)量的炮孔，通過(guò)小藥量激發(fā)產(chǎn)生地震波(彈性波)，地震波在巖石中以球面波形式傳播，地震波遇到巖石波阻抗差異界面(例如裂隙帶、斷層或巖層變化等)，有一部分信號(hào)會(huì)發(fā)生反射，反射信號(hào)將被布置在隧道左右邊墻上的2個(gè)高靈敏度的三分量加速度地震傳感器(檢波器)所接收并記錄下來(lái)TSP系統(tǒng)利用地震波在不均勻地質(zhì)構(gòu)造中產(chǎn)生的反射波特性來(lái)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧道施工前方幾百米范圍內(nèi)的地質(zhì)條件和巖石特性變化。
圖1 TSP超前預(yù)報(bào)原理示意圖
1.2 TSP法的測(cè)線布置
測(cè)線布置如圖2所示，在掌子面后方的邊墻上依次布置爆破孔24個(gè)，孔間距1.5m，兩個(gè)接收孔分別在布置在兩側(cè)邊墻，均距離第一個(gè)爆破孔19m。
圖2 TSP探測(cè)系統(tǒng)布置示意圖
1.3 TSP法的數(shù)據(jù)處理
采集的數(shù)據(jù)采用TSPwin light2.1專(zhuān)用軟件進(jìn)行處理。處理時(shí)，首先正確輸入隧道及炮點(diǎn)和接收點(diǎn)的幾何參數(shù)。剔除質(zhì)量差的記錄道�；咎幚砹鞒贪�11個(gè)主要步驟，即：數(shù)據(jù)設(shè)置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q估計(jì)→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。
2 高密度直流電法的原理及測(cè)線布置
2.1 高密度直流電法的原理
電法勘探是以研究地殼中各種巖石、礦石電學(xué)性質(zhì)(導(dǎo)電性、介電性、導(dǎo)磁性、激電性)之間的差異為基礎(chǔ)，利用電場(chǎng)或電磁場(chǎng)(天然或人工)空間和時(shí)間分布規(guī)律來(lái)解決地質(zhì)構(gòu)造的一類(lèi)地球勘探方法。該方法屬于全空間電法勘探，供電電極A相對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)電極B可以看作為點(diǎn)電源，均勻介質(zhì)中它所形成的電場(chǎng)可近似看作一個(gè)球體，如圖3所示。根據(jù)電場(chǎng)球殼原理，任意等半徑球面上的電位是相等的，兩個(gè)等位面上的點(diǎn)M、N之間形成電位差ΔUMN，利用發(fā)射電流可計(jì)算出MN球環(huán)上的視電阻率。通過(guò)在巷道迎頭后方布置電極，從而可探測(cè)出迎頭前方的異常情況，其工作原理如圖4所示。為了能夠正確預(yù)報(bào)掌子面前方地質(zhì)構(gòu)造，采用三個(gè)供電電極交替供電分別測(cè)量的方式，利用幾何交匯的原理(如圖5所示)，從而只探測(cè)掌子面前方的潛在危險(xiǎn)部位，此即三級(jí)法超前探測(cè)。
2.2 高密度電法的測(cè)線布置
長(zhǎng)基嶺隧道進(jìn)口左線供電點(diǎn)A1布置在距掌子面14m處，A2和A3電極布置在A1電極后，各供電電極間距為4m，電極布置如圖5。測(cè)量電極MN向掌子面后方移動(dòng)，每次移動(dòng)間距為4m。MN間的距離為4m。通過(guò)移動(dòng)測(cè)量電極MN，采集隧道周?chē)鷰r石的視電阻率值，即可得到掌子面前方視電阻率[5]相關(guān)比值等值線圖。
圖5 幾何交匯原理
3 超前鉆孔法
超前鉆孔法是迄今為止地質(zhì)預(yù)報(bào)最為直接、最為可靠的方法，對(duì)規(guī)模較大的區(qū)域性斷層、物探超前預(yù)報(bào)的異常段(可能的突涌水段)，通過(guò)超前水平鉆探(取芯)進(jìn)一步確定斷層的位置、破碎帶的寬度、富水情況等不良地質(zhì)狀況。該方法對(duì)垂直隧道軸線的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面預(yù)報(bào)效果較好，但與隧道軸線平行的結(jié)構(gòu)面預(yù)報(bào)較差。由于超前鉆探需占用較長(zhǎng)的施工作業(yè)時(shí)間，且費(fèi)用較高，因此，超前鉆探一般只作為短期預(yù)報(bào)方法，且僅針對(duì)某些重點(diǎn)疑難問(wèn)題進(jìn)行驗(yàn)證預(yù)報(bào)。超前鉆孔法的鉆孔設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6，鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。
4長(zhǎng)基嶺隧道地質(zhì)條件概況[6]
隧道區(qū)位于粵北凹褶束-韶關(guān)凹褶中的天門(mén)坳隆起區(qū)，地層復(fù)雜，斷裂發(fā)育。地質(zhì)調(diào)繪顯示，該隧道共發(fā)育和穿過(guò)14條斷層，其走向?yàn)楸北睎|向和北東向，南北向。另外，隧道隨處地層巖性復(fù)雜，構(gòu)造復(fù)雜，巖溶發(fā)育，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。
本次探測(cè)段所處的地層，為灰?guī)r，中風(fēng)化帶，巖體較破碎，屬于區(qū)域強(qiáng)巖溶段，小管道狀巖溶泉，垂向分帶為季節(jié)性變化帶巖溶水，橫向分帶為補(bǔ)給徑流區(qū)，在大約ZK91+100處見(jiàn)一處季節(jié)性巖溶泉，出露高程為301m處的洼地中，雨季流量5～20L/S，旱季斷流，長(zhǎng)年不干。該里程段物探勘測(cè)為3條斷層，且三條斷層均與隧道相交，切過(guò)溝系，極可能成為導(dǎo)水通道。另CSA7ZK5鉆孔穩(wěn)定水位位于高程313.71m、CSA7ZK4鉆孔位于孔深99.6m處涌水，即標(biāo)高為206m，說(shuō)明在此高程處存在巖溶通道壓力水，水一直上升至孔口溢出，因此，隧道開(kāi)挖至該斷層處時(shí)，將出現(xiàn)滲水或突水的可能性極大。
5 預(yù)報(bào)結(jié)果及分析
5.1 TSP法的預(yù)報(bào)結(jié)果及分析
通過(guò)測(cè)量，鉆孔，洗渣，放藥，儀器連接，爆破和結(jié)果的解譯，得到了相應(yīng)的預(yù)報(bào)結(jié)果：
在YK90+960～YK90+991段內(nèi)(長(zhǎng)度30m)，巖體縱波波速為5410m/s，橫波波速2940 m/s。為弱風(fēng)化中厚層狀灰?guī)r。推測(cè)段內(nèi)巖體較為破碎，受隧道頂部深處構(gòu)造影響，節(jié)理密集，間距約為2～3m。
在YK90+991～YK91+024段內(nèi)(長(zhǎng)度33m)，巖體縱波波速低且跳躍打，發(fā)育破碎帶，橫縱波均有較強(qiáng)的反射現(xiàn)象，存在多組貫通性構(gòu)造面，巖體完整性差。推測(cè)其為勘察資料中的WF109斷層，段內(nèi)存在多組反射面，推測(cè)巖體較為破碎。在YK91+010～YK91+020內(nèi)，縱橫波均變化為負(fù)反射，地下水含量較高。
在YK91+024～YK91+055段內(nèi)(長(zhǎng)度31m)，圍巖為弱風(fēng)化中厚層狀灰?guī)r，巖體節(jié)理發(fā)育，較為完整。
在YK91+055～YK91+070段內(nèi)(長(zhǎng)度15m)，巖體縱波波速為5500m/s，波速平穩(wěn)。在055,064,068處節(jié)理密集，間距約1～2m，含水量有限。
根據(jù)以上的預(yù)報(bào)結(jié)果，可以看到該段內(nèi)巖體質(zhì)量較差，節(jié)理發(fā)育，大部分富含地下水，但相應(yīng)的斷層破碎帶的規(guī)模位置及富水區(qū)的情況，還需要高密度電法和超前鉆孔法來(lái)進(jìn)一步預(yù)報(bào)，以保證施工的安全。
5.2 高密度電法的預(yù)報(bào)結(jié)果及分析
針對(duì)TSP法預(yù)報(bào)的結(jié)果，在段YK90+991～YK91+024內(nèi)可能為斷裂帶和富水區(qū)，因此應(yīng)用高密度電法對(duì)該段內(nèi)做進(jìn)一步更為精確的預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖7所示。
圖7 高密度直流電法的預(yù)報(bào)結(jié)果
從預(yù)報(bào)結(jié)果可以看到，在YK90+995～YK91+000內(nèi)，視電阻率較高，推測(cè)巖體的破碎程度相比較好一些;在YK91+000～YK91+014段內(nèi)，視電阻率相對(duì)較低巖體相比較破碎些;在YK91+014～YK91+026段內(nèi)，視電阻率普遍最小(80～90)，推測(cè)該段內(nèi)可能存在裂隙水，也有可能該處無(wú)水，但巖體相對(duì)破碎，為斷裂破碎帶范圍，為明確富水情況，應(yīng)用超前鉆孔法對(duì)該段取芯做最終驗(yàn)證。
5.3 超前鉆孔法的探測(cè)結(jié)果
通過(guò)掌子面鉆孔取芯，對(duì)巖芯的分析，可以得到掌子面前方一定范圍內(nèi)巖體的地質(zhì)情況和水文情況，其中4#孔的探測(cè)結(jié)果如下：
在YK90+985～YK90+995.5段內(nèi)，灰?guī)r，中風(fēng)化，巖體較破碎，屬硬巖;在YK90+995.5～YK91+024.6段內(nèi)，巖體破碎，屬斷層破碎帶;在YK91+024.6～YK91+034.2段內(nèi)，巖體較破碎;在 YK91+015～YK91+018.4段內(nèi)出水，水量最大約0.1m3/h，后逐漸減小，水質(zhì)澄清，與旱季施工階段水量情況相符，要做好雨季期間圍巖滲涌水情況監(jiān)測(cè)，此段支護(hù)參數(shù)適當(dāng)加強(qiáng)。
通過(guò)采用超前鉆孔，進(jìn)一步驗(yàn)證了高密度電法和TSP法的預(yù)報(bào)結(jié)果，直觀掌握了斷層破碎帶的規(guī)模位置及地下水的賦存情況及水量大小，彌補(bǔ)了幾種單一方法的不足，進(jìn)一步提高了預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，對(duì)隧道掘進(jìn)前方需采取的安全措施及對(duì)策制定有了明確指導(dǎo)，確保了施工安全。
6 結(jié)論
(1)TSP法的預(yù)報(bào)距離較長(zhǎng)(100～150m)，預(yù)報(bào)的結(jié)果宏觀性大，主要探測(cè)掌子面前方的斷裂破碎帶和裂隙發(fā)育帶，但細(xì)觀位置和規(guī)模尤其是巖溶富水地質(zhì)狀態(tài)還需要其它方法來(lái)進(jìn)一步互補(bǔ)預(yù)報(bào)。該方法成本低，但操作工序較多，對(duì)施工有略微影響(放炮時(shí)需要停工約1小時(shí))。
(2)高密度直流電法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法簡(jiǎn)單，具有操作方便、對(duì)施工影響小的優(yōu)點(diǎn)，但其預(yù)報(bào)距離較短，大概30～50m，屬于短距離預(yù)報(bào)。該方法可以對(duì)TSP預(yù)報(bào)分析的重點(diǎn)不良地段進(jìn)行含水構(gòu)造、水量規(guī)模和范圍的預(yù)報(bào)，避免冒進(jìn)產(chǎn)生的大規(guī)模突水涌泥事故。
(3)超前鉆孔法是最直接最可靠的預(yù)報(bào)方法，可以對(duì)高密度電法及TSP法預(yù)報(bào)結(jié)果解譯的不確定區(qū)段及重點(diǎn)不良地質(zhì)段內(nèi)進(jìn)行可靠直觀的驗(yàn)證，是對(duì)這兩種方法的一種完善和補(bǔ)充。但該方法有用時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高的缺點(diǎn)。
(4)綜合應(yīng)用TSP法，高密度直流電法和超前鉆孔法幾種方法，可以克服單一方法存在的不足，能夠相互補(bǔ)充驗(yàn)證預(yù)報(bào)結(jié)果，提高預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性，為施工采取相應(yīng)措施和應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)。
在地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道中，尤其是巖溶隧道，應(yīng)綜合運(yùn)用多種預(yù)報(bào)方法，取長(zhǎng)補(bǔ)短,結(jié)合地勘資料和地表調(diào)查分析，綜合分析，能取得較好的地質(zhì)預(yù)報(bào)效果。
參考文獻(xiàn)
[1]李乃旺,李曉昭,徐鳴潔,梁清雨,鐘凱.高密度電法在老山隧道勘察中的應(yīng)用.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)[J].2007,29(4) :412～415.
[2]余左清,廖聲林.高密度電法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用. 山西建筑[J]. 2010,36(20) :343～345.
[3]尹培林.TST 在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用.低溫建筑技術(shù) [J]. 2011,2:98～101.
[4]高輝，王建輝. TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在隧道建設(shè)中應(yīng)用價(jià)值的探討.山西交通科技[J]. 2006,3 :71～73.
[5]YDZ(A)直流電法儀使用說(shuō)明書(shū)[R].煤炭科學(xué)研究總院西安研究院.2007，10，3.
[6]樂(lè)昌至廣州高速公路坪石至樟市段第T10.D1冊(cè)[R].中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.2011，1.
