TSP在隧洞含水破碎带超前 短预报中的应用
2018-12-20张红纲李俊杰朱红雷何建设赵国军
张红纲,李俊杰,朱红雷,何建设,赵国军
(浙江省水利水电勘测设计院,浙江杭州310002)
0 引 言
隧洞短距离预报多采用地质雷达法[1- 4],其精度与探测效率最高,对溶洞的探测效果较好,有效探测距离在不同性质与类别的岩体中差异较大,完整性较好的Ⅰ、Ⅱ类围岩多达30 m,含水量大的破碎岩体因电磁波在水中的高衰减特性,探测距离有时不足15 m。地质雷达探测时天线需贴牢掌子面,掌子面平整度较差时,电磁波在空气与掌子面间多次振荡,传入岩体中的有效能量大大减小,雷达剖面易出现由浅至深的低频振荡信号。此外,为实现3D立体成像,雷达测线往往呈“井”字形或网格形布设,在类似“瀑布”的掌子面探测时,雷达天线与仪器接口处极易进水。
隧道地震波预报(TSP)作为另一种常用的隧洞长距离(100~200 m)预报技术,其数据采集与处理均较复杂,但此方法抗干扰能力强,能提供多种物理力学参数评估岩体质量,在断层[5- 6]、基岩裂隙水[7]、溶洞探测[8-9]、岩爆预测[10]、岩体质量等级分类[11]等方面均有成功案例。本文分析了影响TSP探测精度的因素,总结了提高TSP探测效率的经验,并将其用于隧洞短距离预报,在钢衬支护的边墙上布置炮孔与检波器接收孔,炮孔中注满水压制声波,取得了良好的探测效果。
1 工程概况
杭州市第二水源千岛湖配水工程从千岛湖淳安县境内取水,通过输水隧洞将水引至杭州市余杭区闲林水库,途中向建德、桐庐及富阳等县市供水。千岛湖~闲林水库输水线路总长约112 km,设计流量38.8 m3/s,为浙江省重点大(1)型水利工程。贝山寺支洞位于富阳市新登镇,总长约956 m,隧洞进口覆盖层及强风化带岩体较厚,支洞前1/3段围岩多为Ⅳ类,局部为Ⅴ类,工程地质条件较差。支洞在桩号0+700揭露含水破碎带,掌子面上钻孔不断有股状水涌出,掘进至0+698时,掌子面及左右边墙仍涌水不止。为及时了解掌子面前方地质情况,为隧洞爆破及支护方案提供依据,确保施工安全,在桩号0+698开展超前预报工作。
炮孔布置洞段岩性为奥陶系上统文昌组泥质粉砂岩,节理较发育,以中~陡倾角为主,多方解石充填或铁锰质渲染,节理面多与层面相交,洞顶局部滴水~线状流水,掌子面附近“瀑布”状涌水(图1)。
图1 掌子面涌水
2 TSP探测
2.1 探测设计
TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法,地震波在设计的震源点用小量炸药激发,当地震波遇到岩石波阻抗差异界面时(如断层、破碎带和岩性变化等),一部分地震信号反射回来被高灵敏度的地震检波器接收,一部分透射进入前方介质,数据通过TSPwin软件处理,便可了解隧道工作面前方地质体的性质、位置及规模。TSP探测设计炮孔24个,检波器2个。炮孔位于隧道右边墙,φ32~38,深1.5 m,垂直隧道轴向,下倾10°~20°,离隧底高1.3 m,第1个炮点距掌子面1.5 m,炮间距1.5 m。接收孔隧道左右边墙各1个,φ42~45,深2 m,垂直隧道轴向,上倾5°~10°,离隧底高1.3 m,距离掌子面>56 m。观测系统见图2,设置采样频率24 kHz,记录长度500 ms,炸药量每孔100 g。
图2 TSP观测系统(单位:m)
2.2 数据能谱及滤波效果
图3为贝山寺隧洞检波器接收的地震波原始频谱。从图3可知,1号检波器频谱集中在25~1 000 Hz,2号检波器在25~1 500 Hz,主频偏低,表明炮孔布设区段隧洞岩体较破碎,对地震波高频成分吸收明显。
图3 检波器原始频谱
图4为地震波X、Y、Z分量的能量谱,色标的深浅对应地震波能量的大小,低频滤波曲线左侧随时间增大地震波能量逐渐减小,高频信号衰减较低频快,为有效信号;曲线右侧随时间增大,地震波能量局部反而增大,为声波干扰;与炮孔同侧2号检波器声波干扰较对面1号检波器小。图中指数曲线为一滤波函数,曲线两端可手动调节高截频率,其变化范围为333~5 400 Hz,曲线右侧的地震波能量将被滤除。本文中最小、最大高截频率分别设为333 Hz及5 400 Hz,可最大程度去除声波干扰。
降低声波干扰是TSP数据采集的关键,此次探测因炮孔内灌水效果好,爆破声为水中击发的闷声,数据质量高,经时变高截处理后,滤波曲线右侧声波干扰已经被完全清除。时变高截处理后TSP数据能谱见图5。
若炮孔内未灌水或灌水质量差,爆破产生的强声波干扰因部分频段位于有效波频带内,经时变高截处理后仍有残留。此外,时变高截最小截频为333 Hz,故低频声波干扰较高频难去除。图6为不同围岩类别下强声波干扰数据能谱。从图6可知,Ⅳ类围岩干扰频率集中于150~1 100 Hz;Ⅱ类围岩干扰波频率较高,主频带约1 700~4 000 Hz。图7为经时变高截处理后数据能谱。从图7可知,滤波曲线附近强声波干扰无法完全清除,残留声波能谱呈水
图6 不同围岩类别强声波干扰数据能谱
图7 不同围岩类别经时变高截处理后能谱
平拉丝状,且声波主频带越低,拉丝现象越明显。
2.3 数据处理与解释
贝山寺隧洞TSP探测成果见图8。从图8可知,掌子面前方127 m范围内(桩号0+698~0+571),围岩纵波速度Vp为3 728~4 747 m/s,横波速度VS为2 254~2 739 m/s,泊松比为0.15~0.32,密度为2.32~2.57 g/cm3,静态杨氏模量为14~31 GPa,动态杨氏模量为29~47 GPa,剪切模量为12~19 GPa。各物理力学指标较差,岩体总体较破碎。主要异常区域分析及地质推断见表1。
值得强调的是,TSP波速值为地震波的视速度,大于岩体的真实波速,视速度偏低的区域岩体质量较差。隧洞实际开挖证实,桩号0+698~0+659区段围岩为Ⅳ类,其中0+698~0+692洞段涌水,桩号0+692~0+680洞段大部渗水,桩号0+675左侧侧墙下部涌水(见图9);桩号0+659~0+571区段围岩为Ⅲ2类,隧道掘进局部存在线状渗水。与预报结果基本吻合。
除物理力学参数成果外,图10所示的深度偏移剖面也是反映掌子面前方地质情况的重要参考,图中Z与Y分别代表隧洞垂向及横向平距,其以地震波在介质界面上的反射系数为评判指标,颜色越深代表反射能量越强,正反射振幅表示刚性岩层,负反射振幅表示软弱岩层。桩号0+698~0+675洞段
图8 TSP物理力学参数成果
桩号长度/m异常分析与地质推断0+698~0+68415 纵横波波速、密度、各力学模量值小,泊松比局部较高,表明岩体破碎、力学性质差,多含裂隙水0+678~0+666、0+635~0+62720 横波波速偏低,泊松比偏高,局部力学模量指标偏小,岩体较破碎或节理裂隙发育,岩体中裂隙水含量相对较高0+660~0+6528 纵波波速偏低,岩体较破碎或节理裂隙发育
图9 桩号0+675左侧边墙下部涌水
正负反射高频率交替出现,且反射振幅强,表明此区段岩体较破碎且含水。
图10 TSP纵波深度偏移剖面
3 结 语
TSP适用于隧道含水破碎带探测,当炮孔内未注水或注水效果较差时,TSP探测会产生强烈声波干扰,声波频率与炮孔布设洞段岩体质量有关,质量较差岩体中采集数据易产生低频声波,较高质量岩体更应注重灌水效果。
含水破碎带在TSP成果中表现为波速、密度及各力学模量偏低,局部泊松比偏高,在纵波偏移剖面上表现为强反射振幅高频率交替出现。本次TSP探测与实际开挖基本一致,在小于5 m的含水破碎区预报效果尤佳,可为掌子面大量涌水时的超前短预报提供新的思路。