發(fā)布時(shí)間：2021-05-15所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：當(dāng)前借助隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)小規(guī)模斷層的探測(cè)及對(duì)斷層破碎帶范圍界限的判定在業(yè)界已取得了一定的成果，但實(shí)際隧道工程中往往也面臨著地質(zhì)條件復(fù)雜多變的寬大斷層，而在寬大斷層內(nèi)部準(zhǔn)確開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)是當(dāng)前亟需進(jìn)一步應(yīng)用研究的工作。本次
摘要：當(dāng)前借助隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)小規(guī)模斷層的探測(cè)及對(duì)斷層破碎帶范圍界限的判定在業(yè)界已取得了一定的成果，但實(shí)際隧道工程中往往也面臨著地質(zhì)條件復(fù)雜多變的寬大斷層，而在寬大斷層內(nèi)部準(zhǔn)確開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)是當(dāng)前亟需進(jìn)一步應(yīng)用研究的工作。本次研究采用TSP法(一種彈性波反射法)對(duì)寬大隧道斷層內(nèi)部的地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)資料處理、對(duì)比分析，最終取得了較好的探測(cè)效果，為相應(yīng)隧道斷層內(nèi)部安全施工、優(yōu)化施工方案提供了較好的指導(dǎo)和參考。本文TSP法在寬大斷層內(nèi)部探測(cè)的應(yīng)用研究，也對(duì)其他類似地質(zhì)條件下的預(yù)報(bào)工作有積極的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：超前地質(zhì)預(yù)報(bào);隧道工程;寬大斷層內(nèi)部;TSP
1引言
新建麗江至香格里拉鐵路位于云南省西北部，青藏高原南東緣之橫斷山脈中段，線路位于印度板塊和歐亞板塊相碰撞的縫合帶附近，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，特別是沿線分布有多條大規(guī)模的活動(dòng)斷層且斷層內(nèi)部地質(zhì)情況復(fù)雜多變。在斷層地段隧道開挖過(guò)程中，如不能查明前方地質(zhì)條件并采用有針對(duì)性的施工措施，則發(fā)生突泥涌水、塌方等工程地質(zhì)災(zāi)害的幾率將會(huì)大大增大，嚴(yán)重影響隧道安全建設(shè)。
作為預(yù)判隧道開挖前方地質(zhì)情況、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工和預(yù)防工程地質(zhì)災(zāi)害的一種重要手段，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)已成為隧道施工過(guò)程中必不可少的一環(huán)，并在探測(cè)巖溶、裂隙水、小規(guī)模斷層破碎帶及其邊界圈定、煤層瓦斯等方面取得了較好的應(yīng)用成果[1-8]。TSP法(一種彈性波反射法)是一種高分辨率的多波多分量的地震波反射勘察法，憑借其影響施工程度小、預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)、方法較成熟等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中[9-15]。本文采用TSP法在寬大斷層內(nèi)部開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用研究工作，通過(guò)實(shí)例論證了該方法的有效性，為寬大斷層內(nèi)部隧道的安全施工、優(yōu)化施工方案等方面提供了較好的指導(dǎo)和參考。
2TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)工作原理
TSP(TunnelSeismicPredictionAhead)法采用的是地震反射波法勘探原理，如圖1所示，
在臨近隧道掌子面的一側(cè)邊墻布置約24個(gè)激發(fā)炮孔，每個(gè)激發(fā)孔的間距約為1.5m，在距離第24號(hào)激發(fā)炮孔往后15～20m處的兩側(cè)邊墻位置各布置一個(gè)約2m深的信號(hào)接收孔。在激發(fā)孔中依次引爆適量的炸藥，爆破產(chǎn)生的地震波以球面波的形式在圍巖中傳播，一部分地震波會(huì)向掌子面前方的圍巖傳播，當(dāng)向前傳播的地震波遇到如巖溶、破碎帶、巖層分界面等不良地質(zhì)體時(shí)，由于圍巖波阻抗發(fā)生改變，一部分地震波會(huì)發(fā)生反射，另外一部分地震波發(fā)生透射并繼續(xù)向前傳播。反射回來(lái)的地震波通過(guò)布置在接收孔中高精度的三分量接收器接收，其頻譜、振幅、波形、接收時(shí)間都與掌子面前方地質(zhì)體物性緊密相關(guān)。通過(guò)對(duì)所采集地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，來(lái)判斷隧道掌子面前方的地質(zhì)情況[16-19]。
3典型隧道斷層預(yù)報(bào)案例分析
本文分別選取了在寬大逆斷層、寬大正斷層2種類型斷層內(nèi)部開展的TSP探測(cè)實(shí)例進(jìn)行分析介紹。通過(guò)對(duì)縱、橫波速度，縱橫波速比，泊松比，動(dòng)態(tài)楊氏模量參數(shù)進(jìn)行分析比較，結(jié)合開展預(yù)報(bào)時(shí)掌子面的地質(zhì)情況，最終預(yù)報(bào)出前方圍巖的地質(zhì)情況。
3.1寬大逆斷層內(nèi)部預(yù)報(bào)案例
麗香鐵路A隧道位于麗江盆地南緣，文筆水庫(kù)南側(cè)，隧道全長(zhǎng)約3.3km。隧道洞身穿越下更新統(tǒng)蛇山組(Q1s)黏性土、塊石土、斷層角礫(Fbr)，第三系麗江組三段(E2l3)白云質(zhì)、灰質(zhì)角礫巖、三疊系中統(tǒng)北衙組(T2b)白云質(zhì)灰?guī)r，二疊系虎跳澗區(qū)(Pβ)玄武巖地層。隧道穿越2條斷層，其中洞身DK4+450～+650段附近發(fā)育有與隧道近垂直的麗江-劍川斷層，為活動(dòng)型的區(qū)域性逆斷層，斷層帶內(nèi)圍巖破碎，圍巖膠結(jié)緊密，隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道縱斷面如圖2所示。
3.1.1觀測(cè)系統(tǒng)布置及數(shù)據(jù)采集
本次TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測(cè)試掌子面位置為DK4+604，掌子面開挖朝小里程方向，接收孔位置位于DK4+645，沿隧道左邊墻均勻布置有21個(gè)激發(fā)炮，左右邊墻各布置一個(gè)接收檢波器，觀測(cè)系統(tǒng)各參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。使用TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)置時(shí)間采樣間隔為62.5μs，記錄時(shí)間長(zhǎng)度為451.125ms，激發(fā)震源采用藥量為75g的微型乳化炸藥。
3.1.2數(shù)據(jù)處理及成果解譯
采用TSPwin專用處理軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，先后經(jīng)過(guò)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、反射層提取11項(xiàng)處理步驟，最終得到如圖3所示的反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果。
相關(guān)期刊推薦：《工程地球物理學(xué)報(bào)》(雙月刊)2004年創(chuàng)刊，雜志是工程地球物理學(xué)界一份國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行的學(xué)術(shù)刊物，主要刊登工程、環(huán)境地球物理的新理論、新方法、新技術(shù);重、磁、地震、電磁法、地質(zhì)雷達(dá)、核磁共振等方法的應(yīng)用新成果;工程勘察(尤其是國(guó)家重大、重點(diǎn)工程)和環(huán)境勘察中的新技術(shù)新成果;GPS、GIS、RS技術(shù)應(yīng)用新方法新領(lǐng)域;地球物理資料采集、資料處理和反演方面的新進(jìn)展;以及適用于工程和環(huán)境領(lǐng)域的地球物理儀器等方面的學(xué)術(shù)論文。
根據(jù)圖3并結(jié)合相關(guān)的地勘資料分析，在掌子面前方0～62m和77～120m(對(duì)應(yīng)里程為DK4+604～+542和DK4+527～+484)范圍內(nèi)，各物性參數(shù)基本保持不變，其中橫波速度約為1931m/s;VP/VS比值約為1.66，泊松比約為0.23;動(dòng)態(tài)楊氏模量約為22GPa。推測(cè)本段圍巖情況與起始掌子面DK4+604圍巖情況(圖4)類似：圍巖呈破碎狀，巖質(zhì)較軟，圍巖含較多泥質(zhì)夾層，掌子面呈現(xiàn)整體潮濕狀，局部伴有滲水，建議該段落施工過(guò)程中加強(qiáng)支護(hù)。在掌子面前方62～77m，即DK4+542～+527里程段為物性參數(shù)異常段落，表現(xiàn)為橫波速度上升，速度由1931m/s突增為2446m/s;VP/VS比值下降，比值從1.66突降為1.36;泊松比數(shù)值從0.23顯著下降;動(dòng)態(tài)楊氏模量上升，數(shù)值從22GPa突增為34GPa。推測(cè)DK4+542～+527里程段圍巖情況轉(zhuǎn)好，圍巖呈較破碎狀，巖質(zhì)轉(zhuǎn)硬，掌子面含水較少或呈干燥無(wú)水狀態(tài)，圍巖局部夾泥。
3.1.3麗江-劍川斷層內(nèi)部開挖驗(yàn)證情況
隧道掌子面開挖后在DK4+604～+543里程段圍巖完整性較差，圍巖呈破碎狀，整體潮濕并時(shí)有滲水，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙中夾雜有大量的泥質(zhì)成分;當(dāng)隧道開挖至DK4+543～+542段時(shí)，圍巖情況逐漸轉(zhuǎn)好，掌子面圍巖呈較破碎狀，干燥無(wú)水，裂隙中夾有一定量泥質(zhì)成分，現(xiàn)場(chǎng)DK4+542開挖掌子面地質(zhì)情況如圖5所示。在DK4+542～+529后續(xù)開挖過(guò)程中，圍巖情況基本保持一致;而在里程DK4+529～+484段現(xiàn)場(chǎng)開挖圍巖變差，圍巖破碎，總體潮濕且局部伴有少量滲水，圍巖含較多泥質(zhì)夾層。實(shí)際開挖情況與預(yù)測(cè)結(jié)果基本吻合，同時(shí)較為準(zhǔn)確地判斷出在大范圍含水段落中存在隔水段DK4+542～+529的情況，這為快速開挖通過(guò)本段、優(yōu)化施工方案、節(jié)約施工成本和時(shí)間提供了較好的指導(dǎo)作用。
3.2寬大正斷層內(nèi)部預(yù)報(bào)案例
麗香鐵路B隧道全長(zhǎng)約7.5km，隧道最大埋深約460m，隧道走向上區(qū)域性斷裂構(gòu)造發(fā)育，沿?cái)嗔褞Ц浇貙赢a(chǎn)狀紊亂。隧道洞身穿越三疊系中統(tǒng)(T2a)板巖夾灰?guī)r，二疊系中統(tǒng)(P2a)片理化玄武巖夾凝灰質(zhì)片巖，二疊系下統(tǒng)(P1)灰?guī)r、板巖。隧道洞身里程D1K78+290～+500左右發(fā)育有北西走向，傾向北東的冷都正斷層，斷層影響帶內(nèi)圍巖變形嚴(yán)重，巖體呈破碎狀，完整性差，隧道部分段落縱斷面如圖6所示。
3.2.1觀測(cè)系統(tǒng)布置及數(shù)據(jù)采集
本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測(cè)試掌子面位置為D1K78+306，掌子面開挖朝大里程方向，接收孔位置位于D1K78+247，沿隧道左邊墻布置有24個(gè)激發(fā)炮，左右邊墻各布置一個(gè)接收檢波器，觀測(cè)系統(tǒng)各參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。使用TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)置時(shí)間采樣間隔為62.5μs，記錄時(shí)間長(zhǎng)度為451.125ms，激發(fā)震源最初采用藥量為75g的微型乳化炸藥。首炮激發(fā)后采集到的信號(hào)出現(xiàn)能量偏小、有效信號(hào)難以壓制干擾信號(hào)的情況，如圖7所示。隨即在現(xiàn)場(chǎng)將后續(xù)激發(fā)孔中的藥量增至100g，藥量增加后接收到的信號(hào)有了較為顯著的改善，信號(hào)能量得到增強(qiáng)，信噪比得到提高，如圖8所示。
3.2.2數(shù)據(jù)處理及成果解譯
采用TSPwin專用處理軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)和3.1.2中同樣的11項(xiàng)處理步驟，最終得到如圖9所示的反射層位及物理力學(xué)參數(shù)成果。
根據(jù)圖9并結(jié)合相關(guān)的地勘資料分析，在掌子面前方0～35m和61～116m(對(duì)應(yīng)里程為D1K78+306～+341和D1K78+367～+422)范圍內(nèi)，各物性參數(shù)變化較小，其中橫波速度約為1800m/s;VP/VS比值約為1.68;泊松比約為0.23;動(dòng)態(tài)楊氏模量約為18GPa。推測(cè)本段圍巖情況與起始掌子面D1K78+306圍巖情況(圖10)類似：圍巖呈極破碎狀，巖質(zhì)軟，節(jié)理裂隙強(qiáng)烈發(fā)育，掌子面圍巖呈滲水狀，建議該段落隧道開挖過(guò)程中加強(qiáng)超前支護(hù)。在掌子面前方35～61m，即D1K78+341～+367里程段為物性參數(shù)異常落，表現(xiàn)為橫波速度明顯上升，速度由1800m/s左右上升為2050m/s;VP/VS比值顯著下降，比值從1.68突降為1.55;泊松比明顯下降，數(shù)值從0.23下降為0.14;動(dòng)態(tài)楊氏模量上升，數(shù)值從18GPa上升為22GPa。推測(cè)D1K78+341～+367里程段圍巖情況轉(zhuǎn)好，圍巖呈破碎狀，巖質(zhì)轉(zhuǎn)硬，掌子面圍巖含水較少或呈干燥狀。
3.2.3冷都斷層內(nèi)部開挖驗(yàn)證情況
隧道掌子面開挖后在D1K78+306～+342里程段圍巖完整性較差，掌子面圍巖呈極破碎狀，巖質(zhì)軟，呈滲水狀，圍巖節(jié)理裂隙強(qiáng)烈發(fā)育;當(dāng)隧道開挖至D1K78+342～+343段時(shí)，圍巖情況轉(zhuǎn)好，掌子面圍巖呈現(xiàn)破碎狀，圍巖干燥無(wú)水。在D1K78+343～+367后續(xù)開挖過(guò)程中，圍巖情況基本保持一致，現(xiàn)場(chǎng)開挖掌子面地質(zhì)情況如圖11所示(以D1K78+358處掌子面情況為例);而在D1K78+367～+422段現(xiàn)場(chǎng)開挖圍巖變差，圍巖呈極破碎狀，節(jié)理裂隙強(qiáng)烈發(fā)育，巖質(zhì)軟，掌子面圍巖呈滲水狀。實(shí)際開挖情況與預(yù)報(bào)結(jié)論基本保持一致，特別是對(duì)于圍巖無(wú)水、地質(zhì)情況轉(zhuǎn)好的D1K78+343～+367段落圈定地較為準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)施工在參考預(yù)報(bào)結(jié)果的基礎(chǔ)上較快開挖通過(guò)了本段、節(jié)約了一定的施工成本和時(shí)間，由此可以看出本次在隧道斷層內(nèi)部的TSP探測(cè)是成功有效的。
4結(jié)論
本文應(yīng)用TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)寬大斷層內(nèi)部地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)對(duì)比預(yù)報(bào)結(jié)論和現(xiàn)場(chǎng)開挖情況，說(shuō)明了TSP法在寬大斷層內(nèi)部能夠取得較好的預(yù)報(bào)成果，并得到如下結(jié)論：
1)寬大斷層內(nèi)部地質(zhì)條件復(fù)雜多變，不進(jìn)行針對(duì)性地超前地質(zhì)預(yù)報(bào)而盲目開挖存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，而一味使用慢開挖、強(qiáng)支護(hù)或者采用增加超前鉆孔數(shù)量進(jìn)行探測(cè)又會(huì)大大增加施工成本、延長(zhǎng)施工工期。但在采用TSP法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)的基礎(chǔ)上再考慮輔以其他超前探測(cè)方法，可以較為有效地把控地質(zhì)變化情況，能為隧道安全開挖、優(yōu)化施工方案、節(jié)約施工成本及時(shí)間提供較好的指導(dǎo)和參考作用。
2)TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在寬大斷層內(nèi)部破碎帶區(qū)域的探測(cè)能夠起到較好的作用，通過(guò)選擇合適的激發(fā)藥量和觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)能夠在中長(zhǎng)距離(120m左右)范圍內(nèi)依舊保持較高的探測(cè)分辨率。
3)圍巖含水量的變化情況是影響隧道安全開挖的一種重要因素，特別是在位于斷層這類地質(zhì)條件復(fù)雜的段落時(shí)，含水量的變化將直接影響圍巖的穩(wěn)定性。因此準(zhǔn)確預(yù)報(bào)掌子面前方圍巖含水帶及隔水帶的分布情況并提前采取適當(dāng)?shù)氖┕ご胧┯葹橹匾１疚膽?yīng)用TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)較為準(zhǔn)確地判斷出在斷層內(nèi)部較大范圍含水段落中隔水帶的分布情況，較好地指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工，而在斷層等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造段內(nèi)準(zhǔn)確探測(cè)出含水帶或圈閉的含水結(jié)構(gòu)也是隧道工程需要進(jìn)一步探索研究的重要內(nèi)容。——論文作者：王汪汪，牟元存
