超前地质预报技术在隧道探测中的应用

2016-04-20蓝志杰张成良

公路与汽运 2016年2期

关键词：节理高密度电阻率

蓝志杰,张成良

(昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明 650093)

超前地质预报技术在隧道探测中的应用

蓝志杰,张成良

(昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明 650093)

摘要:通过超前地质预报技术,可有准备地做好各项预防和施工措施,从而提早改变施工方法,做好应急预案,保证隧道工程的顺利进行。文中结合工程实例,采用地质雷达(GPR)、TSP地震波、高密度电阻率法等超前地质预报技术对隧道进行探测,判断隧道地层岩性、风化程度、节理发育、围岩级别等性质,对隧道易产生的地质灾害进行分析并对隧道施工提出相关建议。

关键词:隧道;超前地质预报;地质雷达(GPR);TSP地震波;高密度电阻率法

进入21世纪,伴随着西部大开发战略的启动,铁路、公路工程建设明显增多。受隧道长度、埋深等因素的影响,地质条件越趋复杂。由于隧道埋深大,在初期勘探中采用宏观的地面调绘、钻探、波速测井等方法很难准确查明微观水文、地质条件及不良地质体的赋存状态,导致施工过程中突水、突泥、坍塌等事件时有发生,给施工带来极大困难,造成施工人员和施工设备的重大安全事故。在隧道施工过程中进行超前地质预报,通过对每部分地质段的分析,并根据围岩的稳定性对施工最为不利地段作出判断,进而在开挖前切实做好预防措施,可减少施工盲目性,保证隧道施工安全。

1 超前地质预报技术的运用

依据设计图纸提供的地质资料、现场地质调查资料及洞内围岩观测资料,在隧道施工中采取长距离宏观预报与短距离准确预报相结合,采用不同原理的方法对隧道进行超前地质预报。

1.1 探测方法及流程

目前超前地质预报主要使用以下3种方法:1)地质雷达(GPR),适合短期超前地质预报;2)TSP地震波,适合中期超前地质预报;3)高密度电阻率法,适合长期超前地质预报。隧道超前地质预报工作流程见图1。

1.2 超前地质预报数据的处理分析

(1)根据隧道预报区域的工程与水文地质简介绘制开挖掌子面的地质素描图并制作地质编录。

(2)采用物探的工作原理、设备简述,根据现场的实际设计观测系统。

(3)对物探数据进行处理,提供典型图例,对规定测试内容提出明确结论及建议。

(4)对物探数据进行解释,结合地质方法,对隧道掌子面前方一定距离内的地质结构和含水性进行描述,对存在的不良地质体和地质灾害进行预警,提供预报地质图件。

(5)描述隧道围岩类别划分,对隧道施工提出有针对性的建议。

图1 超前地质预报工作流程

1.3 工程概况

北山隧道位于云南省曲靖市太平哨至青山绕城高速公路,进口设计高程1 886.09 m,出口设计高程1 887.97 m,最大埋深约85 m。该隧道穿越不同地质带,地质构造尤为复杂,仪器探测精度对隧道超前地质预报的开展有着重大影响。隧道围岩以玄武岩为主,可能有凝灰岩岩体和溶洞、地下暗河等不良地质体,这也是探测工作的难点之一。凝灰岩岩体可能含有蒙脱石、高岭石等黏土矿物,这些矿物遇水极不稳定,可能导致隧道底鼓和变形,对施工的正常进行产生极大阻碍。测区上部覆盖层岩体完整性较差,全～强风化,呈砂状、角砾状,少量碎石桩状、土状,岩体极破碎,节理极发育,富水性较为贫乏。下面采用上述3种方法对该隧道进行超前地质预报。

2 GPR超前地质预报

2.1 GPR原理及系统组成

利用GPR进行无损检测是地球物理探测技术中的一种方法,在隧道质量检测中得到广泛应用。GPR是使用高频甚至超高频段的地下电磁波反射探测技术,主要利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射探测目标体,可根据测得的雷达波走时自动求得反射物的深度z并进一步界定其范围、判定其性质。其工作原理见图2。

图2 GPR工作原理示意图

2.2 北山隧道GPR探测与解释

使用意大利IDS-RIS-K2型GPR对北山隧道进行探测。探测的有效距离取20 m,根据隧道施工设计图及隧道施工现场地质调查进行探测断面布置(见图3)。

图3 GPR探测测线布置示意图

由GPR探测反射波剖面图像(见图4)可知:测线在20 m深度内,局部反射波强,同向轴呈较连续状态,振幅、频率变化不大。据GPR探测得到的反射波图像,结合该工程地质实际,K51+284—264段围岩为玄武岩,节理裂隙很发育,岩体很破碎,地下水不丰富,局部出水状态为点滴状渗水。

图4 GPR探测反射波剖面图像

2.3 GPR探测结论

根据GPR探测结果和掌子面地质调查,北山隧道围岩地质情况为:

(1)岩性及风化程度。岩体为灰绿色、褐黄色块状玄武岩,中等～强风化。

(2)节理裂隙发育情况。节理裂隙发育3组以上,且杂乱,一组左倾,一组右倾,主要一组近直立微向右倾,构成不利结构面组合;岩体破碎,岩体完整性较差,呈碎石状压碎结构。

(3)地下水。地下水不丰富,局部出水状态为点滴状渗水。

(4)岩石的坚硬程度。玄武岩原岩属于硬质岩,但受构造影响很严重,在地下水和风化等综合作用下,围岩的坚硬程度有所降低。

(5)围岩级别。根据JTG C20-2011《公路工程地质勘察规范》关于隧道围岩分类的有关规定,判定围岩级别为Ⅳ级。

2.4 北山隧道施工建议

鉴于探测段围岩稳定性较差,拱部无支护时可能产生较大坍塌,侧壁经常发生小坍塌,宜采用“多循环、及支护、早成环”的方式进行隧道施工。具体措施如下:

(1)岩体节理裂隙很发育,岩体被切割成碎石、角砾状,开挖后易产生掉块和塌方,需采用光面爆破控制轮廓面的开挖,并严格控制开挖进尺和单响最大药量,最大程度减少爆破震动对围岩的扰动。

(2)围岩强度较低,自稳能力较差,开挖前采用超前支护,开挖后立即进行初期支护,减少围岩的暴露时间,避免开挖不当或支护不及时造成围岩失稳;同时进行仰拱施工,尽早成环。

3 TSP法超前地质预报

3.1 TSP法原理和系统组成

TSP法的基本原理:在隧道边墙一定范围内布置激发点,人工激发地震波,所产生的地震波在隧道围岩中传播,当围岩强度发生变化(如遇岩溶、断层或岩层的分界)时,一部分地震波将被反射回来,另一部分地震波将继续向前传播,反射的地震波由高精度的接收器接收并传递到主机形成地震波记录(见图5)。TSP230系统的组成及测试见图6。

图5 TSP法波形记录

图6 TSP230系统的组成及测试示意图(单位:m)

3.2 TSP探测与参数成果

预报时掌子面里程为K51+264,预报里程为K51+264—164(即预报掌子面前方100 m)。该测区位于“山”字形构造前弧东翼,路线所经区域构造体系行迹主要为华夏系、新华夏系及北西向构造体系,各种构造行迹交织,复合形式复杂多样。隧道处于新华夏构造体系阿角村向斜西翼,受构造影响不强,岩石破碎,风化强烈,隧道范围内无断层通过。

布置一个地震波信息接收孔和23个激发孔分别激发地震波进行探测。TSP法反射层位及物理力学参数与二维推断分析成果见图7。

3.3 TSP法探测结论和建议

(1)K51+264—254段:长约10 m,围岩为灰绿色块状玄武岩,原岩属坚硬岩,强度较高,中等～强风化,受构造影响很严重,节理裂隙发育3组以上,结构面结合程度差,岩体破碎,岩体呈碎石状压碎结构,硐室围岩稳定性较差;掌子面潮湿,地下水不丰富,含基岩裂隙水,出水状态为点滴状渗水;围岩级别为Ⅳ级。建议该段施工时加强超前支护,防止塌方。

图7 TSP法二维推断分析成果

(2)K51+254—200段:长约54 m,围岩为灰绿色块状玄武岩,原岩属坚硬岩,强风化,结构面结合程度很差,受构造影响很严重,节理裂隙很发育且杂乱,岩体很破碎,岩体呈角(砾)碎(石)状松散结构,局部地段为软弱岩层,硐室围岩稳定性差;地下水不丰富,含基岩裂隙水,出水状态以点滴状为主; K51+254—248、K51+236—217、K51+203—200段围岩节理裂隙杂乱,岩体很破碎,地下水较丰富,推测可能为岩体破碎带,应注意加强超前支护;围岩级别为Ⅴ级。建议该段施工时加强支护,防止坍塌。

(3)K51+200—164段:长约36 m,围岩为灰绿色块状玄武岩,原岩属坚硬岩,强度较高,中等～强风化,受构造影响很严重,节理裂隙发育3组以上,结构面结合程度差,岩体破碎,岩体呈碎石状压碎结构,硐室围岩稳定性较差;地下水不丰富,含基岩裂隙水,出水状态为点滴状渗水;围岩级别为Ⅳ级。建议该段施工时加强支护,防止坍塌。

4 高密度电阻率法超前地质预报

4.1 工作方法及原理

高密度电阻率法是一种阵列勘探方法,也称自动电阻率系统,是直流电法的发展,其功能相当于三极测深与电剖面法的结合。观测中设置较高密度的测点,通过电极向地下供电形成人工电场,其电场分布与地下岩土介质的电阻率ρ的分布密切相关。其工作系统见图8。

图8 高密度电阻率法工作系统示意图

4.2 北山隧道勘察成果和分析

运用高密度电阻率法,利用相关观测仪器对北山隧道进行观测,根据所得视电阻率图像判断隧道围岩节理发育情况和整体完整性,得出对施工最为不利的地质段有4段(见表1)。

表1 北山隧道不良地质段

4.3 北山隧道探测结论

综合地质勘察、高密度电阻率法和地表地形地质调查结果,得出如下结论:

(1)隧址区经历了较长时期强烈的地质构造及区域地质作用,岩体破碎,风化强烈,完整性差,隧道围岩级别低,对施工安全不利。

(2)对施工最为不利的地段有4段,总长318 m,超过隧道总长的1/2,对隧道施工影响较大。

(3)隧道围岩节理发育,岩体切割破碎,风化程度高,围岩的整体完整性差,围岩级别为Ⅴ级。

4.4 施工建议

(1)对可能存在和产生涌水、坍塌的地段,为防止突发性地质灾害的发生,开挖前切实做好预防措施,施工中及时做好支护及排水,防止坍塌。

(2)针对高密度电阻率法超前预报提出的施工最为不利地段,在施工过程中进一步采用地质雷达法、TSP法加强短期和中期超前预报,以提高预报精度,更好地指导施工,确保施工安全。

5 结语

隧道埋藏于地下一定深度,天然地质体中存在节理裂隙、应力和地下水,在隧道施工中需采用不同仪器设备进行探测,对不良地质类型进行预报,以达到隧道开挖和支护工程优化配置的目的。超前地质预报是保证隧道安全施工的关键,采用地质雷达法、TSP地震波、高密度电阻率法等技术对隧道进行探测,可探明隧道中断裂破碎带、富水带等不良地质现象的分布,查清工程地质与水文地质特征。采用不同的仪器设备探测同类不良地质类型,通过相互印证和判断,可提高对不良地质类型预报的准确性。

为保证信息快速反馈到施工一线,确保施工安全,隧道地质短距离预测应在每次掌子面爆破后进行,如根据掌子面地质情况结合地质勘察、TSP探测判断前方短距离内存在不良地质体,应第一时间将不良地质体的类型、大致规模、应采取的防范措施和应急措施告知现场技术人员和施工人员,保证隧道施工的顺利进行。

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