综合超前地质预报技术在采空区隧道中的应用分析

2019-03-07刘博

资源信息与工程 2019年1期

刘博

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

隧道超前预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。煤窑采空区是隧道超前地质预报工作的重点和难点。隧道施工地质超前预报方法主要有以下几种：传统地质分析法、超前导坑预测法、超前水平钻孔法以及特殊灾害地质所采用的相关预测方法。这些方法工期长、费用高，应用受到较大限制。近年来，随着技术的不断发展，在一些长大深埋隧道的超前地质预报中，物探方法得以推广应用，已成为不可或缺的核心手段。目前利用物探进行超前地质预报的方法较多，有地质雷达法、瑞雷面波法、声波法、TSP法等。本文以TSP法和地质雷达法为主要手段，结合二者的优势，介绍了一种综合超前地质预报技术，通过实例论证了该方法的有效性。

1 隧道工程地质概况与物探条件

工作隧道为单洞双线隧道，全长3 145 m，隧道为单面坡，最大埋深为233 m，为一低瓦斯-岩溶-采空区长隧道。

该段隧道穿越地层主要为含煤地层须家河组，其二段、四段岩性为长石砂岩、石英砂岩，灰白、棕黄色，中厚～厚层状构造，中粒结构，节理较发育，局部可能产生掉块。一段、二段岩性为泥岩夹砂岩、煤层(线)，深灰～灰黑色，薄～中厚层状构造，岩体质软，开挖后易风化，遇水软化，自稳能力差。其中，隧道于DK841+985～DK842+033段下穿某煤窑采空区。预报里程段的围岩岩性见表1。

表1 预报里程段围岩岩性

该段隧道在开挖过程中，砂岩段围岩较破碎，节理裂隙较发育，局部炭质页岩、砂质页岩及页岩夹煤段围岩破碎，节理裂隙发育强烈，并伴有煤窑采空区的出现。且隧道围岩岩层走向与隧道轴线相交角度较大，故该段围岩具备采用TSP法和地质雷达法进行超前地质预报的物探地质条件。

2 野外工作和数据处理

2.1 观测系统布置

TSP法：在隧道DK841+889的左边墙和右边墙位置分别布置一个地震波信息接收孔，孔径均为50 mm，孔深均约2.0 m,孔高均约1.5 m；在DK841+906～+933段的左边墙，按约1.2 m的间距布置24个激发孔分别激发地震波，孔径约45 mm，孔深约1.5 m，每个激发孔向下倾斜约10°；每个激发孔装填的药量约为67 g；所有激发孔与接收孔基本位于同一水平面上。

本次TSP法预报时掌子面里程为：DK841+938，预报里程范围为DK841+938～DK842+048段(即掌子面前方110 m)。

地质雷达法：分别在隧道DK841+964和DK841+985的开挖面上水平布置两条测线。采用100 MHz天线对掌子面前方的地质情况进行探测。两次预报里程范围分别为DK841+964～DK841+994段和DK841+985～DK842+015段。

2.2 数据处理

TSP法数据处理处理流程为：数据设置→带通滤波→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→Q-估计→反射波提取→P-S波分离→速度分析→深度偏移→反射层提取等。

对TSP203 Plus仪器采集的数据利用TSPwin软件进行处理，可以获得隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的时间剖面、深度偏移剖面、岩石的反射层位、物理力学参数、各反射层能量大小等中间成果资料，同时还可得到反射层的二维和三维空间分布。根据上述资料预报隧道掌子面前方的地质情况，如溶洞、采空区、软弱夹层、节理裂隙及富水体等不良地质体。

地质雷达法：采用“RADAN FOR WINDOWS NT”软件包对地质雷达原始数据进行处理。其处理流程为：数据传输→文件编辑→水平均衡→数字滤波→零点归位→偏移处理→能量均衡→时深转换→文件注释→输出雷达深度剖面图。将雷达深度剖面图作为资料解释的基本图件，根据雷达深度剖面图上的反射波组、强能量团块分布和曲线等特征对资料进行判释。

3 资料分析与解译

TSP法原始资料经过一系列步骤处理后，得到TSP法反射层位及物理力学参数成果图和TSP法偏移成像图，分别如图1和图2所示。

图1 TSP法反射层位及物理力学参数成果图

针对隧道DK841+946～DK842+000段，由图1可以看出：反射界面较多且动态杨氏模量和泊松比变化频繁，说明该段围岩破碎；动态杨氏模量值在17～22之间，说明该段围岩岩质较软；尤其是DK841+962～DK842+000段，Vp/Vs和泊松比变大，也说明DK841+962～DK842+000段围岩变破碎或有水。由图2可以看出：S波反射能量较弱，P波反射能量较强，说明该段围岩裂隙发育。

图2 TSP法偏移成像图

图3给出了掌子面地质雷达探测图像示意。由图3(a)可知，DK841+970～DK841+994段围岩破碎，节理裂隙发育，存在不同岩性的互层和软弱夹层，推测该段围岩存在煤层和煤窑采空区。由图3(b)可知，DK841+990～DK842+005段围岩破碎，节理裂隙发育，存在不同岩性的互层和软弱夹层，推测该段围岩存在煤层和煤窑采空区。

图3 掌子面地质雷达探测图像示意

结合TSP资料、地质雷达资料、超前钻探资料及设计资料综合分析得出：DK841+970～DK842+005段围岩破碎，节理裂隙发育，存在不同岩性的互层和软弱夹层，该段围岩存在煤层和煤窑采空区。安全起见，提请施工时DK841+970～DK842+005段务必采用超前钻孔(必要时采用取芯超前钻孔)和加深炮孔对掌子面前方采空区、煤层厚度、围岩破碎情况、瓦斯含量及含水量进行核实，以防范其安全风险，并注意及时加强支护，防止坍塌，确保隧道工程及施工安全。

4 开挖验证

根据隧道后续开挖结果显示，如图4所示：(1)DK841+990处发现一较大煤窑采空区，破碎炭质页岩夹煤及少量泥质充填，潮湿，充填物破碎，自稳能力极差，易发生坍塌；(2)DK841+994处发现一煤窑采空区，破碎炭质页岩夹煤充填，潮湿，充填物破碎，自稳能力差，易发生坍塌；(3)DK841+997处发现有页岩夹煤软弱夹层，有滴水，围岩破碎，自稳能力差，易发生坍塌。