深埋特长隧道含水带的地震波探测及其工程应用

刘盛智

摘要：我国西部山区分布较广，地质条件复杂，高速公路的修建难免需要穿越山脉，隧道建设成了西部高速运输网不可或缺的一部分，但地下施工环境恶劣、灾害不可预见。地质灾害常常会给地下工程带来巨大的人员和财产损失，例如突水涌泥、塌方、岩爆等。由于地下岩性与结构难以勘明，而地下水的作用往往是发生灾害的最大因素，所以在施工过程中对水的探测和预判是规避大型地质灾害的有利途径。本文简要概述地震波探测的施作原理，并对红岩寺隧道含水带进行探测和工程应用，以期为隧道正确施工带来参考价值。

关键词：含水带；超前地质预报；TSP；工程应用

中图分类号：U45文献标识码： A

1 引言

我国西部丘陵与山岭地区分布较广，地质与水文条件复杂，为了推动西部大开发的不断开展，山区高速公路的修建提高了交通运输的效率，增进了异域文化和经济的交流，为了缩短路程和减少运输时间，山岭隧道建设在所难免。地质灾害一直是现代隧道及地下工程修建的难题，不可预知的突水突泥、塌方、岩爆、瓦斯都是能给施工带来极大的器械损坏、人员伤亡和生态破坏。

由于西部山区地质条件极其复杂，岩溶发育，致灾构造难以预测，特别是深埋特长隧道，还潜伏着高地应力、岩溶水丰富、岩性复杂等情况，对于目前的勘察、设计、施工、监测的水平，隧道实际施工过程中还是无法完全避免地质灾害的威胁。二十一世纪以来，我国隧道建设中发生过大型的突水突泥事故，诸如渝怀铁路圆梁山隧道发生特大突水，造成9人死亡，宜万铁路马鹿箐隧道和野山关隧道发生多次突水事故，分别造成11人和10人死亡。地下水的发源、流径、水压、补给等因素在实际勘测和施工过程中难以详察的，而其对岩体的侵蚀、浸泡、冲刷等作用，给施工带来了更大的未知破坏力。因此，在施工过程中配合科学先进的隧道超前地质预报技术，在很大程度上有利于灾害规避，不同的地质情况和施工特点，采用不同的预报系统，可以预测、预报隧道掌子面前方的地质构造，准确预知隧道掘进前方的岩性特点、不良地质体的发育情况，特别是溶洞、断层、破碎带和含水情况，从而减少隧道施工的盲目性。

为了保证隧道的正常工期，尽量减少经济损失，超前地质预报成了隧道及地下工程中不可或缺的一部分，近年来被广泛用于隧道地质预报工作[1~3]。目前常用的超前地质预报方法依据预报的距离可分为长距离超前地质预报和短距离超前地质预报两类。长距离超前地质预报方法主要有TSP 隧道地震波预报技术、长距离超前水平钻孔等,短距离超前地质预报方法主要有掌子面地质素描、地质雷达、红外探测等。

针对超前地质预报手段的特异性和适用性，本文着重介绍TSP隧道地震波预报技术在红岩寺隧道含水带预报中的应用情况，为TSP超前地质预报在隧道修建中的应用提供可参考的经验价值。

2隧道地震波预报（TSP）功能概述

2.1探测原理

TSP隧道地震波预报技术对隧道的不良地质构造的预测具有宏观的反射效应，特别针对破碎带、含水体、溶腔，具有明显的反应效果[4~6]。像所有振动测量方法一样，TSP测量方法也需要振动发射源和接受装置。TSP测量系统是通过在掘进面后方一定距离内的钻孔内施以微型爆破来发射声波信号的，爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，当波在隧道前方遇到异面时，将有一部分波从界面处反射回来，界面两侧岩石的强度差别越大，反射回来的信号也越强。放射信号经过一段时间后到达接受传感器，被转换成电信号并进行放大。从起爆到反射信号被传感器接收的这段时间是与反射面的距离成比例的，通过反射的时间与地震波传播速度的换算就可以将反射界面的位置、与隧道轴线的交角以及与隧道掘进面的距离确定下来；同样使用TSP也可以将隧道上方或下方存在的岩性变化带的位置方便地探测出来。

2.2测线测点布置要求

TSP-203超前地质预报是利用振动波的反射来进行探测的。振动波由在特定位置人为制造的小型爆破产生，一般是沿隧道一侧洞壁布置24个爆破点，爆破点平行于隧道底面呈直线排列，孔距1.5m,孔深1.5m，炮孔垂直于边墙向下倾斜15～200，以利于灌水堵孔。距最后的爆破点15～20m处设接收器点（在一侧或双侧），接收器安装孔的孔深2m，内置接收传感器。图1为观测系统与隧道关系平面示意图。

图1 观测系统与隧道关系平面示意图

2.3探测方法与数据分析

在测量过程中，逐次引爆爆破点的炸药（约25-150g，根据围岩不同适时调整）,制造出小型地震波，地震波遇到节理面、地层层面、破碎带界面和溶洞、暗河等不良地质界面时，将产生反射波，反射波的强度及传送时间反映了相关界面的性质、产状、据接受点的距离。接受传感器将接受到的反射波数据传输给记录仪电脑储存起来，利用处理软件对储存的数据进行处理，形成反映隧道相关界面的隧道影像点图，由分析人员进行解释，得到前方的地质情况。

采集的TSP数据，通过TSPwin软件进行处理，获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面和反射层提取以及岩石物性参数等一系列成果。

在成果解释中，以P波资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释。解释中，遵循以下准则：

① 正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。

② 若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。

③ Vp/Vs增加或δ突然增大，常常由于流体的存在而引起。

④ 若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。

探测结果以报告的形式提交，根据分析结果对掌子面前方岩体进行分段描述，包括岩性的变化、含水情况、是否存在不良地质体等。

3 应用实例

3.1 工程概况

红岩寺隧道是拟建的湖北省保康至宜昌高速公路襄阳段的一座分离式隧道，左线起讫桩号ZK14+962～ZK21+640，长6678m；右线起讫桩号YK14+915～YK21+661，长6746 m。隧道区微地貌属构造剥蚀溶蚀中山地貌区，海拔高程一般约为540.0～1314.0m，拟建隧道穿越聚龙山脉，经过区域地表地形整体起伏大，地势陡峭。所跨山体系南北分水岭，地表水往南流入沮河，汇入长江；往北流入桂河，汇入汉江。隧道区域位于聚龙山—肖家堰复向斜核部，并与通城河断裂带相交。受断层及复向斜影响，隧道沿线地层变化频繁，断裂带附近有若干派生的分支断层。由于隧道构造发育，裂隙较多，加上地表汇水作用，导致灰岩区局部岩溶发育，其中五道峡风景区附近溶洞和暗河最为发育。地调显示隧址区地表岩溶洼地较多，溶沟、溶槽、石芽发育，有落水洞，具典型岩溶喀斯特地貌特征。

区内地下水主要受大气降雨、地表水和地下水的越层补给。岩溶水主要以岩溶管道方式迳流，沿树枝状管道和断裂、裂隙下渗等。排泄主要通过地下径流排泄，岩溶水的排泄受地形和河流水文网的制约，一般地形低洼处和河流切割部位多见垂直下渗的溶洞水和地下暗河出口排泄，其次是以岩溶下降泉的形式排泄。

3.2 TSP203超前预报

红岩寺隧道进口段右洞掌子面施工至YK17＋161，采用TSP203plus进行了超前地质预报。此次TSP预报共激发24炮，炮点距1.5m，接收器置于隧道右边墙内(面向掌子面)接收。掌子面桩号为YK17＋161，传感器桩号为YK17＋113。采集参数为：采样率62.5μs，记录长度7218样点，X-Y-Z三分量接收。本次探测范围为进口右洞YK17+161～YK17＋281，共120 m。利用TSPwin软件对接收到的地震波信号进行处理，得到掌子面前方岩体波速、界面及岩体物性参数等成果。图2为P波深度偏移图及提取的反射面；图3为2D结果显示与岩体物性图。

(a) P波反射面提取图

(b) P波偏移图

图2 P波提取的反射界面

图3 2D结果显示与岩体物性图

从岩体物性图3中可以看出YK16+180～YK16+204段岩体的泊松比上升，密度下降，S波波速下降，速度图中P波处于高速区S波处于低速区，S波反射层提取图中呈现较明显的负反射，可以推测该处存在含水岩体，可能为夹泥带或者水体，开挖过程中极有可能致使围岩失稳松落或小型突水。

3.3验证分析

（1）开挖验证

2014.7.7，红岩寺隧道右洞施工至YK16+183处，掌子面围岩为层状陡倾角页岩，局部夹杂白云岩，多处风化严重且破碎；掌子面左上角出现持续渗漏水(见图4)，水流从岩体缝隙渗出，水质清澈，流量较大，近掌子面地面积水深度近10 cm。

图4 掌子面YK16+183左上角渗漏水

（2）地质雷达探测验证

掌子面出现持续渗水式，施工方为保证施工的安全性，委托地质预报小组对渗水掌子面前方围岩进行了进一步探测预报，雷达探测分析结果如图5所示。可以看出仅距离掌子面1 m～3 m处显示有雷达反射信号，后方信号全部消失，确定该探测段含水丰富。

图5 掌子面YK16+183雷达探测结果

4结语

（1）为保证隧道及地下工程的安全性，在施工过程中运用超前地质预报明确开挖工作面前方岩体和不良地质构造情况，将有利于施工的进度和人员器械的安全，采用长短综合预报方式，是隧道顺利进行的有力保证。

（2）TSP地震波预报技术能一次预报掌子面前方100 m以上围岩情况，但其洞内操作时间较长，规范性较强，洞内干扰较多，在实际施测过程中，应尽量消除其他干扰，如喷锚、机器轰鸣、下台阶开挖等，另外还需结合掌子面围岩揭露情况综合指导施工。

（3）TSP超前地质预报对水体探测的敏感性较好，而地下水体往往是造成地质灾害的最大因素，确定出水体的含量及作用范围，将很大程度上规避岩溶水灾害，该文中的工程应用实例将带给隧道工程的预报工作有利的参考价值。

参考文献

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