TGP技术在隧道断层破碎带超前预报中的应用研究

2020-06-04黄汉义

交通科技 2020年2期

黄凯黄汉义

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司武汉 430050)

随着我国“一带一路”建设倡议的实施，更多的隧道工程在国外修建，其中，隧道地震波超前预报技术(以下简称TGP技术)凭借其探测距离长、精度高等优势，在复杂地质隧道工程中得到了广泛的应用。在以往相关研究中，高峰等[1-6]对TGP技术在突水突泥、岩溶地层隧道中的应用进行了研究；朱炯等[7]对TGP技术在川西公路隧道中的应用进行了研究；刘云祯[8-10]等通过将TGP技术与其他超前地质预报方法进行对比，对其在超前地质预报中的特点、优势进行了分析。由上述可知，以往相关研究多集中在TGP技术在岩溶隧道中的应用及其与其他地质预报技术的对比方面，对于TGP技术在富水断层破碎带地层隧道中的应用研究甚少。本文拟依托Battal隧道工程，总结出一套TGP技术在断层、地下水丰富地层隧道中的应用方法，并分析其应用特点，以期为类似工程提供借鉴。

1 TGP探测原理及方法

TGP技术主要是利用地震反射波原理，通过在隧道内以排列方式激发地震波，地震波遇到不同声阻抗界面(即地质岩性变化界面、岩溶、断层破碎带等)会产生不同地震反射波，通过预先埋置在隧道内的检波器将这些反射波接收，经过后期处理系统进行数据处理，同时结合已有地质资料，实现对隧道前方地质的推断。地震波震源为在隧道边墙一侧沿直线布置的24个炮孔，炮孔埋有小药量炸药。地震波接收为三分量采集的模式，接收探头布置在与炮孔等高程的洞壁钻孔中，左右壁各布置1个。当地震波遇到声阻抗差异的界面时，一部分穿越岩体继续传播，一部分被反射回来，被隧道内的检波器接收。TGP技术应贯穿于施工的全过程，通过无间断资料的对比，以提高超前地质预报的准确性。TGP超前地质预报工作原理示意图见图1。

图1 TGP超前地质预报工作原理示意图

TGP技术操作主要分3个方面：①对掌子面和测线布置段的岩体进行地质描述，通过选择岩体相对完整的地段进行接收孔布置，记录隧道掌子面、激发器炮孔、检波器接收孔的里程；②布设炸药卷，定向布设检波器，并结合隧道岩性进行采集参数的选择，选择的采样点数能确保地震记录的长度不小于300～400 ms；③进行地震波数据的采集，并在确定数据合格后结束检测，TGP技术现场操作示意图见图2。

图2 TGP技术现场操作示意图

2 TGP技术在隧道超前预报中的应用

2.1 工程概况

Battal隧道位于巴基斯坦北部，是中巴经济走廊Islamabad至Raikot段公路工程的重要组成部分，隧道进口里程桩号K144+874，出口里程桩号K147+780，长2 906.0 m，最大埋深358.70 m。

根据勘察资料和现场地质调查成果，隧址区山体斜坡上局部表层覆盖第四系全新统残坡积物(Q4el+dl)，岩性为粉砂、粉质黏土、碎石，下伏基岩主要为晚元古代(Pt2)片岩、片麻岩。隧址区位于印度版块与喜马拉雅版块结合带南侧边缘，构造挤压强烈，小型褶皱发育，岩体较为破碎。经地调复核及1∶2000 工程地质调绘，隧址区发现有断层破碎带F4、F5、F6、F7、F8、F9通过。隧址区地表水补给主要为山间溪流、大气降水，地下水主要为基岩裂隙水，地下水丰富。

本工程主要对Battal隧道出口(K147+360-K147+210)进行TGP技术超前地质预报，现场各测试孔位布置图见图3。隧道掌子面(K147+360)地质状况见图4，为中风化片麻岩，岩质坚硬，节理、裂隙较发育，掌子面拱顶有点滴状裂隙水流出，围岩级别为IV级。

图3 现场TGP各测试孔位布置图(单位：m)

图4 里程K147+360处掌子面照片及素描图

2.2 TGP数据采集

本次检测采用三分量速度型检波器，采集触发方式采用闭合回路断开式。设24个激发孔，均设置于隧道右壁；分别在隧道左、右壁各设1个接收孔。为获得准确的解释成果，提高预报成果的精度和准确性，TGP预报在实际探测中采取以下措施：①爆破施工时暂停隧道内可能产生振动的工作；②震源部位的炸药安装应与钻孔紧密接触，并将炮孔注满水；③检测器应推动孔底，采用黄油与隧道耦合，同时采用高吸声衰减材料将接收孔封堵；④采集过程中，如遇漏炮或未触发情况，应进行补炮。

2.3 资料处理

TGP技术数据处理流程主要为以下4个步骤：①建立观测系统，核对接收点、激发点的实际位置；②振幅调整，保证地震波振幅均衡；③初至拾取，并提取纵、横波波速；④纵、横波分离，并分别生成纵、横波偏移成像图，纵、横波速度与反射界面图，处理流程图见图5。

图5 TGP技术数据处理流程图

2.4 成果解释

地震波三分量原始记录图见图6。

图6 地震波三分量原始记录图

由图6可知，X，Y，Z分量直达波明显，纵、横波分明，数据可靠性较高，可进行下一步研究。

纵、横波偏移量图、反射界面俯、侧视图、比速度及反射符号分布图见图7～11。

图7 纵波绕射偏移图

图8 横波绕射偏移图

图9 反射界面俯视图

图10 反射界面测视图

图11 比速度及反射符号分布图

从反射界面图及比速度图中看，预报段K147+345-K147+280反射面密集分布，其余段落总体较稀疏，纵波速度在K147+345-K147+330段出现爬升，而后在K147+330-K147+305连续下降，在K147+305-K147+280段连续爬升，在K147+280-K147+210维持稳定；横波速度整体变化较小，在K147+330-K147+310段出现小幅震荡。结合现场地质调查结果，推测K147+360-K147+210段工程地质及水文地质条件如下。

K147+360-K147+345，该段围岩地震波无明显反射面、纵波及横波速度较量测段无明显变化，推测该段围岩较掌子面无明显变化，仍为中风化片麻岩，围岩较破碎，稳定性较好，裂隙水不发育。

K147+345-K147+330，该段纵波速度出现爬升，横波速度无明显变化，推测该段围岩为中风化片麻岩，局部稍破碎，稳定性一般，存在少量裂隙水。

K147+330-K147+305，该段围岩反射界面较密集，纵波速度连续下降，横波速度在K147+330-K147+310段出现波动，推测该段围岩为强风化片麻岩，岩质较软，节理、裂隙密集发育，结构面间黏结较差，围岩极破碎，裂隙水较发育，开挖过程呈股状流出，围岩稳定性较差，拱部易出现坍塌。

K147+305-K147+280，该段围岩纵波速度缓慢爬升，横波速度较均匀，无明显变化，推测该段围岩为中风化片麻岩，围岩破碎，稳定性一般，存在少量裂隙水。

K147+280-K147+240，该段围岩纵波速度及横波速度较均匀，无明显变化，推测该段围岩为中风化片麻岩，围岩较破碎，稳定性一般，存在少量裂隙水。

K147+240-K147+210，该段围岩纵波速度及横波速度较均匀，无明显变化，推测该段围岩为中风化片麻岩，围岩较破碎，稳定性较好，裂隙水不发育。

结合勘察设计资料及现场地质观察，综合分析本预报结论见表1。K147+360-K147+330、K147+280-K147+240、K147+240-K147+210围岩为中风化片麻岩，较破碎，稳定性一般，施工时拱顶部及侧面岩石易出现局部掉块或小型塌落，应适当控制单循环进尺，小药量爆破。K147+330-K147+280，尤其是K147+330-K147+305围岩为强风化片麻岩，岩质较软，节理、裂隙密集发育，围岩极破碎，裂隙水较发育，稳定性差，拱部易出现坍塌现象，施工应加强超前支护质量控制，并适当减小单循环进尺、小药量爆破，必要情况下应调整开挖方法。开挖过程中可能存在股状裂隙水流出，应加强洞内施工排水，避免洞内积水。

2.5 TGP成果验证

为验证本次预报的准确性，对隧道开挖后的掌子面围岩情况进行了持续跟踪，并将其与预报情况进行了对比(见表1)。其中，里程K147+318处开挖揭示照片(见图12a)显示，拱顶裂隙水呈股状流出，水量较大，已在开挖面形成积水，按围岩级别划分属于V级围岩；里程K147+248处开挖揭示照片(见图12b)显示，围岩较破碎，拱顶有点滴状裂隙水，并不明显，按围岩级别划分属于IV级围岩；里程K147+218处开挖揭示照片(见图12c)显示，围岩较完整，掌子面较干燥，无裂隙水流出，按围岩级别划分属于IV级围岩[11]。