TSP203系统在明月山隧道超前地质预报中的应用

吴德胜 张富贵 李丽

(1中国中铁二局第三工程有限公司 四川成都 610031)

(2重庆地质仪器厂 重庆 400033)

1 概述

明月山隧道跨川、渝两省,穿越明月山,左洞长6557m,右洞长6555m,是沪蓉国道主干线支线忠县至垫江高速公路的重点工程。明月山隧道地质复杂,隧址区位于新华夏系川东弧形构造,华蓥山隆褶带明月峡背斜中段鞍部,隧道穿越明月山背斜,地表沿背斜轴部发育一条走向断层。受地质构造影响,隧道进口段 K4+416～K5+700段围岩节理裂隙发育、岩溶发育,岩体破碎,富含层间裂隙水和岩溶水,稳定性差,开挖前期多次发生突水、坍塌,给正常施工带来严峻挑战,严重影响施工进度和工期。由于该段以Ⅱ类围岩为主,且地下水多以股状、大股状产出,因此开挖方式和支护参数与设计相比发生了很大变化,堵水墙、全断面深孔预注浆在施工过程中被大量应用。相比隧道进口段,出口段围岩相对较好,主要为砂岩、泥岩,岩体较完整、局部破碎,围岩以Ⅲ、Ⅳ类为主。

为了在隧道掘进前掌握掌子面前方地质变化情况,从而合理安排掘进速度,优化施工方案,加强防护措施,防止坍塌、突水突泥可能带来的人员伤亡事故和经济损失,确保科学、安全通过不良地质段,通过比较,决定采用 TSP203系统结合地质分析对明月山隧道开展超前地质预报工作。

2 TSP203系统应用原理和工作方法

2.1 应用原理

TSP203系统是利用地震波的反射原理进行超前地质预报。工作时,采用弱爆破产生地震波,产生的地震波在隧道中的岩体内传播,当遇到地震界面时,如断层、破碎带、溶洞等地质异常,一部分被反射回来,反射波经岩体传播后到达接收传感器,通过接收传感器被记录仪记录下来,然后经专门的软件进行分析处理,得到反射波的各种图像和岩石各种物性参数。反射界面两侧的岩性差异越大,反射回来的信号就越强。由于从产生地震波到反射信号被接收这段时间是与反射界面的距离成正比,因此通过地震波的双程走时与地震波的波速就可确定反射界面的位置。另外,反射波信号的强弱与反射界面的性质、产状有密切关系,通过对反射波性质的分析,可以推断反射界面的性质。图1为 TSP203系统工作原理示意图。

图1 TSP203系统工作原理示意图

TSP203系统使用的是高灵敏度的三维传感器,它可以接收来自掌子面前方和四周较远的地震反射波,因此该系统预报距离远,预报范围大。一般情况下,TSP203系统可以预报150～200m,在地质条件较好时,可以预报更长的距离。

2.2 工作方法

TSP203系统测线布设在掌子面附近的边墙上,它是由2个接收器孔和24个炮孔组成,2个接收器孔对称分布在两边墙,24个炮孔等间距分布在一侧边墙。在数据采集前,钻孔、接收传感器套管的安装,以及接收器孔、炮孔倾角倾向和各孔距基准点距离的测量要提前完成。由于这些准备工作不影响正常施工,因此可与隧道施工作业同时进行。当正式放炮采集数据时,洞内施工必须停止,尤其针对岩体的施工,以确保采集到的数据尽可能少的受外界噪声的干扰。数据采集期间,各个环节要密切配合,以缩短采集时间,减少对施工的影响。在操作熟练的情况下,数据采集时间可控制在一小时以内。

通常,炮孔间距 1.5m,孔深 1.5～2.0m,孔径35～38mm,孔口距隧底约1.0m,最后一个炮孔距掌子面距离根据现场情况而定。接收器孔与第一个炮孔间距 15～20m,孔深 2.0m,孔径 42～45mm,孔口距隧底约1.0m,与炮孔等高。接收器孔和炮孔因不同目的需向上下倾斜一定角度,一般情况下,为了留住灌入的水,炮孔向下倾斜15～20°;当用环氧树脂固定接收器套管时,为了使孔内的水能够流出,接收器孔向上倾斜5～10°;当用水泥砂浆固定接收器套管时,为了利于水泥砂浆的凝固,接收器孔向下倾斜5～10°。根据围岩软硬和完整破碎程度以及距接收器位置的远近,每个炮孔装药50～100g,炸药采用普通乳化炸药,雷管采用零延时电雷管。

3 应用实例分析

3.1断层地质预报

明月山隧道隧址区地表沿背斜轴部发育一条走向断层,通过钻孔和岩层产状推断断层与隧道左线轴线交于 K5+722,其破碎带范围在 K5+722～K5+773。为了详细查明该断层在掌子面前方的具体位置和规模,避免因施工不当造成坍塌带来的安全事故,在里程桩号 K5+627的位置开展了一次TSP203系统地质预报测试,图2、图3是测试后经数据处理得到的地质预报成果图。

图2 P波反射面

图3 波速、泊松比、密度曲线和反射面二维图

通过地质预报成果图分析,在 K5+642、K5+690两处分别有一个明显反射界面,且是围岩由硬变软的负反射界面,在两反射界面之间的其它反射界面也以由硬变软的信号为主,在 K5+738有一个围岩由软变硬的正反射界面。从Vp和Vp/V s曲线图分析,K5+642～K5+690段Vp下降,Vp/V s比值减小,依据 TSP系统数据解释原则,结合洞外地质踏勘和前期地质预报结果,推断 K5+642～K5+690为断层及挤压破碎带,位置较前期推测提前。开挖后揭示,K5+644围岩裂隙较发育,岩体开始变得破碎,稳定性变差;K5+667～K5+683段裂隙发育,岩体破碎,稳定性差,拱部、侧壁极易掉快,发生坍塌;K5+695～K5+700段岩体又开始趋于完整,裂隙稍发育,稳定性较好。通过比较证实,TSP203系统预报结果与开挖结果基本吻合。

3.2 岩溶预报

明月山隧道进口段岩性复杂,其中以灰岩为主,受区域地质构造影响,围岩节理裂隙发育、岩溶发育。图4、图5是在掌子面里程桩号 K5+501处进行TSP203系统测试后得到的地质预报成果图。

图4 P波反射面

图5 波速、泊松比、密度曲线和反射面二维图

通过地质预报成果图分析,K5+523～K5+532、K5+563～K5+576两段处于信号负反射区域,且 K5+523～K5+532段泊松比突然增大,K5+563～K5+576段Vp降低,参照设计资料和开挖段地质情况,并结合洞外地质探勘情况,推断 K5+523～K5+532、K5+563～K5+576两段岩溶发育,富含层间裂隙水和岩溶水,可能发生涌突水。开挖结果证明,预报的两段溶隙、溶孔发育,富水,在 K5+573～K5+579段发育一个充填溶洞。由于预报准确,施工队伍提前采取了一些预防措施,溶洞段未造成大规模突水突泥,但还是影响了施工进度并带来不小经济损失。

3.3 破碎带预报

明月山隧道进口段受地质构造影响,围岩节理裂隙发育、岩溶发育,岩体破碎。图6～8是在掌子面里程桩号 YK5+387处进行 TSP203系统测试后得到的地质预报成果图。

图6 P波深度偏移剖面

图7 P波反射面

通过地质预报成果图分析,在 YK5+395、YK5+409、YK5+417三处分别有一个明显反射界面,且是围岩由硬变软的负反射,后面围岩逐渐变硬,反射减弱,围岩变化趋于稳定。在 YK5+395～YK5+417段,对应的围岩密度变小、泊松比显著增大、P波波速降低,这些信息反映该段岩体应力释放,岩体可能很破碎,推断该段为破碎带。开挖结果显示,YK5+390～YK5+419段围岩裂隙发育,岩体破碎,稳定性差,拱顶、侧壁易坍塌,其结果与 TSP203系统预报结果非常吻合。由于提前调整了施工工艺,开挖后及时加强了支护,使得该段得以顺利、安全通过。

3.4 地下水预报

图8 波速、泊松比、密度曲线和反射面二维图

TSP203系统是利用地震波的反射原理来进行地质预报,由于在测试过程中主要针对的是纵波,横波的测试是依靠建立一个模型通过纵波来推定,所以数据处理与解释更多的是利用纵波的信息。而对地下水的判断很大程度上又依赖于对横波变化的分析,因此 TSP203系统并不是预报地下水的一种好方法。尽管如此,将 TSP203系统测试与地质分析法结合起来,还是能够提高对地下水预报的准确性。图9、图10是在掌子面里程桩号 YK5+413处进行TSP203系统测试后得到的地质预报成果图。

图9 P波反射面

图9、10显示,YK5+426～+468段地震波反射信号强,以负反射为主,岩体泊松比增大、Vp/V s比值增大,结合地质分析法,推断该段围岩破碎、稳定性差、富含层间裂隙水。开挖结果显示,YK5+415～＋457段裂隙发育,富含层间裂隙水,呈股状、大股状产出。由于预报及时准确,提前调整了施工方案,选择了合理的支护差数,该段开挖过程中未出现坍塌和人员伤亡事故。

图10 波速、泊松比、密度曲线和反射面二维图

4 经验体会

TSP203系统是基于地震波的一种物探方法,其预报成果质量与采集数据的质量、数据处理的方法、解释工作人员对物探知识和工程地质知识掌握的程度有密切关系。因此,为提高超前地质预报精度、准确度,必须做好以下几个方面的工作:

(1)严格按照数据采集操作程序完成每次数据采集工作。数据采集工作是最基础的工作,也是最关键的工作,如果采集到的数据质量较差,将直接影响到后面数据处理和解释的质量。数据采集质量控制要点:严格按要求钻炮孔和接收孔;准确测量炮孔的孔深、倾角、倾向,相对于参考点的位置、高度;按要求安装接收器套管,保证套管与围岩耦合良好;控制好炸药药量;爆破时,尽量使炮孔内注满水。

(2)加强数据处理工作,合理选择每步处理参数。选择参数时,要根据围岩的类别、性质和波形特征进行设定;要参考同一座隧道或同类型隧道前期预报工作成果,尤其是成功案例的经验。

(3)把数据解释作为工作重点,采用综合分析法进行判断。要充分合理利用数据处理后的成果资料,相互印证对比,总结各种地质异常在成果图中的特征和表现。同时,始终要把地质知识与物探知识结合起来,取长补短,综合分析判断。

(4)做好相关地质资料、施工资料的收集,加强跟踪地质观测和地面地质调查工作。

(5)专业技术人员必须加强物探知识和地质知识的学习,要不断总结工作中的经验教训,注重经验的积累。

5 结束语

明月山隧道裂隙、岩溶发育,地质条件复杂,尤其进口段很大一部分由于强富水,给施工带来非常大的难度和风险。通过TSP203系统开展超前地质预报工作,开挖前准确了解掌子面前方地质情况,特别是地质异常的位置、规模、性质,及时进行技术方案调整和处理方法的制订,有效避免了开挖过程中因坍塌、突水突泥等带来的设备损坏、人员伤亡等事故,保证了明月山隧道安全、顺利贯通,为施工单位赢得了经济和社会效益。

TSP203系统是目前超前地质预报中应用较为广泛的一种方法,其预报效果很大程度上也得到了认可,尤其对断层、边界呈平面形态的岩溶等地质异常的预报,但作为物探地震波方法中的一种,也还存在一些问题需要进一步研究,如横波波速的测定方法、炸药爆速对预报距离、精度的影响,反射界面数量的选取原则等。正因如此,建议在采用 TSP203系统的同时,还应结合地质雷达、陆地声纳、超前钻孔以及地质分析等其它方法进行综合预报,只有这样,才能使地质预报距离更长,结果更准。