TRT6000隧道超前地质预报系统在牛栏江—滇池补水工程中的应用

陶忠平,王建林,米 健,吴正昆,李德春

(云南省水利水电勘测设计研究院,云南昆明 650021)

TRT6000隧道超前地质预报系统在牛栏江—滇池补水工程中的应用

陶忠平,王建林,米 健,吴正昆,李德春

(云南省水利水电勘测设计研究院,云南昆明 650021)

TRT6000隧道超前地质预报技术是采用空间观测方式和偏移成像方法,与TSP、TGP负视速度法、水平剖面法等比较,技术比较先进,能够较好的分析判定掌子面前方隧道围岩速度结构特性,实现了隧道围岩地质结构的精确成像,是目前比较适合地下复杂地质条件下的超前地质预报技术。要想在实际超前地质预报工作中取得好的预报效果,应采用多种方法,地质分析与工程物探相结合等,对不良地质构造、富水带等有效的实现超前预报。

隧道超前地质预报;速度扫描;偏移成像;不良地质构造

1 概述

在隧道施工过程中,由于前方地质情况不明,经常会因遇到断层、破碎带、暗河等不良地质体而导致隧道塌方、泥石流、涌水、突泥、冒顶等地质灾害发生。这些灾害的发生,往往会影响施工进度,造成人员伤亡,进而造成严重的经济损失。在实际的隧道工程实施过程中,需要对前方不良地质灾害进行准确的超前预报,以便及时地修正开挖和支护设计方案,避免施工事故发生。

所谓超前地质预报,就是在隧道开挖时对掌子面前方的围岩与地质情况作出超前预报并提出处理、防范措施。隧道超前地质预报包括如下内容:

(1)不良地质及灾害地质 预报掌子面前方15～100 m范围内有无突水、突泥、坍塌等灾害地质,并查明其范围、规模、性质,提出施工措施意见;

(2)水文地质预报 预报掌子面前方15～100 m范围内隧道涌水量大小及其变化规律,并评价其对环境地质、水文地质的影响;

(3)断层及其破碎带的预报 主要预报掌子面前方15～100 m范围内断层的位置、规模、产状,是否为充水断层,并判断其稳定性程度,提出施工对策;

(4)围岩类别及其稳定性的预报 预报掌子面前方15～100 m范围内围岩类别与设计是否吻合,并判断其稳定性,如遇到隧道围岩类别与设计有差异时,可及时修正开挖和支护设计方案。

2 超前预报技术现状

(1)直接预报法 (超前水平钻孔或超前导洞),该类方法占用施工作业时间长,费用高;

(2)地质分析法 (断层参数猜测法和地质体投射法),该方法的准确可靠性取决于技术人员个体能力;

(3)短距离物探法 主要有红外探水法、地质雷达探测法,通常效果较差、预报长度较短(20～30 m),占用施工作业时间较长;

(4)长距离物探法 目前国外最新预报系统主要有TSP203+(瑞士)、TRT6000(美国);中国最新系统有TGP206(北京物探研究所)、TST(北京同度)。①TSP超前地质预报探测系统。TSP(Tunnel Seismic Prediction),是中国20世纪90年代从瑞士安伯格测量技术公司引进的一套先进的超前地质预报探测系统。该系统采用了回声测量原理:地震波在指定的震源点(通常在隧道的左边墙或右边墙,大约24个炮点布成一条直线)用小量炸药激发产生,产生的地震波在岩石中以球面波的形式向前传播,当地震波遇到岩石物性接口(即波阻抗接口,例如断层、岩石破碎带、岩性突变等)时,一部分地震信号反射回来,一部分地震信号透射进人前方介质,反射的地震信号被两个三维高灵敏度的地震检波器(一般左、右边墙各一个)接收。通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析,便可推断断层、岩石破碎等不良地质体的位置、规模、产状及岩石力学参数;②TST超前地质预报探测系统。TST(Tunnel Seis mic Tomography)超前预报系统由北京同度工程物探技术有限公司于近几年研制生产,是通过可视化地震反射成像技术预告隧洞掌子面前方150 m范围内的地质情况,可准确预告断裂带、破碎带、岩溶发育带以及岩体工程类别变化等地质对象的位置、规模和性质。与TRT技术有相似,该方法检波器布置于隧洞内掌子面、两侧、上顶和下底面,埋入岩体1～1.5 m,采用爆炸或锤击激发地震波。在重庆(玉峰山隧道)、云南(明珠隧洞)等地公路隧道有成功应用。

表1 隧道(洞)施工超前地质预报主要技术方法归纳表Table 1 Summary of the main technicalmethods of TSP

图1 TSP超前预报系统钻孔布置示意图Fig.1 Schematic diagram of layout of drill hole in TSP system

图2 TSP超前预报成果范例Fig.2 Results of TSP

图3 TST观测布置与采集技术Fig.3 Observation arrangement and acquisition technology of TST

图4 TST在重庆玉峰山隧道的围岩偏移图像Fig.4 Migration imaging of the surrounding rock in Yufeng tunnel Chongqing City by TST

3 TRT超前地质预报系统

TRT技术的全称是“真正的反射层析成像”(True Reflection Tomography),是由美国NSA工程公司近年来提出的一种新方法。中国于2006年引进TRT6000超前地质预报系统。

该方法在观测方式和数据处理上与TSP法及负视速度法均有很大的不同,该方法采用的是空间多点激发和接收观测方式,其检波器和激发的炮点呈空间分布,以便获得足够的空间波场信息,从而使前方地质缺陷的定位精度大大提高。TRT法不仅在接口定位、岩体波速及其类别划分等方面具较高的精度,而且有较大的探测距离[1]。它的数据处理关键技术是速度扫描和偏移成像,不需要走时,因此,对岩体中反射界面位置的确定、岩体波速和工程类别的划分都有较高的精度,具有较大的探测距离,并且可以获得3D成果图像,较TSP法有较大的改进。

首先，从“多元互动”这四个字中我们可得知，这种互动就不只是我们常挂在嘴边的师生互动了。因为师生互动只有两个主体，即教师和学生；而“多元互动”呢，则是涉及教师、学生和家长这三个主体，否则就不能称之为“多元”化的互动了。这个解释虽然通俗、简单，但是，其所富有的说理性却十分强烈。另外，根据“多元互动”中教师、学生和家长这三个主体，我们可以将教师拟合成学校教育，将家长拟合成家庭教育或者是校外教育，而学生则是链接学校教育和校外教育的中介。换句话说，也就是“多元互动”将课堂从学校拓展到了家庭或者校外。

3.1 TRT6000超前地质预报系统使用方法

TRT6000系统的具体使用过程可分为数据采集和数据处理两部分。

数据采集过程在需要进行超前地质预报的隧洞施工现场完成。首先在隧洞中掌子面附近选择合适的洞段作为检测区域,并进行观测布置和仪器安装,TRT6000系统典型的观测布置方法如图5所示;仪器安装完成后,进行地震波数据的采集,地震波信号的传递过程如图6所示,由地震源产生的沿隧道传播的信号在岩体性质发生改变的地方反射,这些反射信号被远程模块接收,再经过数据处理,可以构建描述隧道工作面前方及高于或低于隧道走向的不同地质状况(如异常岩体、岩性和喀斯特特征等)的三维层析扫描图。在数据采集的同时,还应在现场准确获得各个震源点和数据接收点的坐标,这样才可能对掌子面前方的地质异常体进行准确的定位。

图5 TRT6000观测布置示意图Fig.5 Schematic diagram of observation arrangement of TRT6000

数据处理主要分为以下几步:①下载地震波数据和震源、传感器位置的坐标;②设定地层成像区域和最佳精度(节点数目的大小);③设定虑波器,选取每个记录的直达波,并计算地震波的平均波速;④为所选区域构建地震波速度模型;⑤为数据处理设定过滤参数;⑥重复步骤③、④、⑤处理数据,直到处理结果达到平衡,噪音干扰衰减到足够小;⑦设定成像背景(比例、颜色)来显示结果;⑧审查和分析在岩层中探测到的异常体的平面(二维)和立体(三维)绘图。

图6 TRT6000无线连接超前预报系统数据传递过程示意图Fig.6 Schematic diagram of data trans mission of TRT6000

3.2 TRT6000超前地质预报系统在国际上的应用情况

目前TRT6000超前地质预报技术在美、欧、日本、新西兰、奥地利、瑞士、澳大利亚等国家应用较多,在中国的隧道工程中也有一些应用,用户评价较高。如瑞士公路隧道、美国加利福尼亚好莱坞的疏通隧道、美国怀俄明州的采矿隧道、日本Kamaishi(卡麦斯)附近高速公路双硐隧道、中国武广客运专线行将山2号隧道、新疆吐鲁番—库尔勒二线铁路隧道、沪蓉高速乌池坝隧道等,较典型的为奥地利通过阿尔卑斯山的铁路双线隧洞施工中进行了全程超前预报[2]。

3.3 工程实例

本院在牛栏江—滇池补水工程近80 km的输水隧洞施工中采用TRT6000系统进行了超前地质预报。

3.3.1 金奎地隧洞6#支洞

(1)工程地质概况 金奎地隧洞6#施工支洞走向315°,隧洞埋深30～80 m,掌子面地层岩性为泥盆系上统宰格组(D3zg1)灰黄、灰白色夹肉红色白云质灰岩,局部夹页岩,呈强风化状态。岩层产状130°∠35°。掌子面潮湿,有渗水、滴水现象。

隧洞位于化桃箐水库西侧,与水库最近距离280 m。在隧洞的南侧发育区域性断裂鲁冲—车乌逆冲断裂(Ⅰ级结构面),断层产状300°∠65°,由于区域性断裂的影响,上盘岩层均有扭曲现象,Ⅳ、Ⅴ级结构面发育。隧洞位于鲁冲—车乌断裂的上盘,距断裂最近距离约200 m,断裂对隧洞围岩完整性影响较大,隧洞围岩裂隙发育,岩体破碎,多呈碎裂结构,且有泥化现象。洞线多位于地下水位以下,隧洞涌水量大,围岩不稳定性,掌子面为Ⅳ类围岩。

(2)预报结论 本院于2009年10月21日对该隧洞采用TRT6000超前地质预报系统进行了超前预报,隧洞层析扫描成像如图7所示。

图7 金奎地隧洞6#支洞层析扫描成像图Fig.7 Imaging of tomographic scanning of branch tunnel 6#in Jinkuidi tunnel

从图7可以看出,图中30～43 m(K0+153.6～K0+166.6 m)段为岩体破碎带,结合地表地质测绘情况,该洞段疑为褶曲构造核部,且富含地下水,围岩稳定性极差,开挖时极易坍塌,围岩参考类别为Ⅴ类;图中88～98 m(K0+211.6～K0+221.6 m)段隧洞右侧为节理密集带,岩体破碎,开挖时隧洞顶拱及右侧边墙易坍塌,围岩参考类别为Ⅳ类。

(3)预报结论评价 该洞段于2009年12月开挖完成,并进行了临时支护,开挖揭露出来的地质情况与超前预报结论基本吻合。全洞段隧洞涌水量大,K0+150.0～K0+170.0段进行了管棚支护,安全穿过了该破碎带洞段,避免了重大安全事故的发生;在隧洞的K0+210.0～K0+225.0段,隧洞右侧边墙垮塌比较严重,经过加强支护处理,隧洞处于基本稳定状态,未见明显的变形和拉裂现象。

3.3.2 大五山隧洞8#支洞

(1)工程地质概况 大五山隧洞8#支洞为斜支洞,隧洞走向310°,隧洞埋深80～150 m。掌子面岩性为∈1l灰色、深灰色白云岩,岩体呈强风化状态,岩层产状20°∠23°。隧洞南西侧1.5 km处为野鸭湖,湖水位高程略高于隧洞掌子面。

隧洞位于两条区域性断裂(F13、F14)交汇的三角地带,由于受区域性断裂的影响,Ⅳ、Ⅴ级结构面发育,隧洞围岩裂隙极发育,岩体极破碎,呈散体结构,围岩基本无自稳能力,掌子面围岩类别为Ⅴ类。

(2)预报结论 本院于2009年11月25日对该隧洞采用TRT6000超前地质预报系统进行了超前预报,隧洞层析扫描成像如图8所示。

图8 大五山隧洞8#支洞层析扫描成像图Fig.8 I maging of tomographic scanning of branch tunnel 8#in Dawushan tunnel

从图8可以看出,隧洞前方发育一条与隧洞轴线小角度相交的断层,推测该断层为压性阻水断层,富含地下水。产状:30°～50°∠65°～75°,由于该断层与隧洞小角度相交,对隧洞掌子面前方的围岩稳定影响较大。推测发生突水、流砂等地质灾害,建议施工中超前排水,超前固结灌浆,保证施工安前。

(3)预报结论评价 从隧洞开挖情况来看,与预报结论基本吻合,全洞岩体结构基本一致。该隧洞开挖至图中50 m位置处发生突水、流砂等地质灾害,涌水量2 000 m3/d,预报准确。但突水、流砂等地质灾害还是发生了,侥幸的是没有人员伤亡,只是耽误了工期,主要原因是施工与超前地质预报配合不默契。

4 结语

隧道施工中的地质超前预报是一个国际性的前沿课题,也是一个难题,各国都在不断地开发研究之中。隧道内的电磁方法超前预报,在观测方法上和解释方法上都有很多问题有待解决。因而,目前的隧道超前预报技术中仍以反射地震方法为主,因为地震方法具有探测深度大、分辨率高、图像直观、操作方便等优点,其中TRT6000为目前操作最为简便、探测深度大、分辨率高、层析图像最清晰直观的一种方法。

由于现场地质情况十分复杂,超前地质预报尚存在很多的理论和应用中的空白有待突破和填补。在超前地质预报过程中,仪器设备与使用人员的有机结合是提高预报精度的重要因素,即使用物探技术可以预测掌子面前方的岩体情况,为了正确预报隧洞前方可能出现的地质异常情况,仍需要认真调查、推断、分析地质问题,如构造情况、岩性情况、岩溶发育规律、水的补给情况、断层的结构、裂隙的连通及粘结咬合情况等。

[1] 赵永贵.国内外隧道超前预报技术评述与推介[J].地球物理学进展,2007,22(4):1 345-1 346.

[2] 赵永贵,蒋辉,赵晓鹏.TSP203超前预报技术的缺陷与TST技术的应用[J].工程地球物理学报,2008,5(3):267-268.

(责任编辑:胡立智)

Application of TRT6000 Tunnel Seismic Prediction System in Niulanjiang-DianchiWater Supplement Project

TAO Zhongping,WANG Jianlin,MI jian,WU Zhengkun,LIDechun
(Yunnan Investigation,Design&Reserch Institute of WaterResources&Hydropower,Kunm ing,Yunnan650021)

TRT6000 Tunnel Seis mic Prediction(TSP)system adopted space observation and migration imaging,the technology of which is more advanced compared with TSP,negative watching velocity and horizontal profile method,velocity characteristic of the surrounding rock in front of the heading face can be decided by this method,accurately image of surrounding rock has been realized,it is suitable for Tunnel Seis mic Prediction with complicated geological conditions.Many methods should been used in order to obtained good effects of the TSP,such as the combination of geological analysis and engineering geophysics,which could make a effective prediction for harm geological structure and water enriched zone.

Tunnel Seismic Prediction;velocity scanning;migration imaging;har m geological structure

U452.1+1

A

1671-1211(2010)05-0522-05

2010-07-10;改回日期:2010-09-06

陶忠平(1950-),男,教授级高级工程师,地质专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-mial:tzp1950@163.com