TGP在大相嶺隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

畢 琨

隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，就是利用一定的技術(shù)和手段收集隧道所在巖體的有關(guān)資料，并運(yùn)用相應(yīng)的理論和規(guī)律對(duì)這些資料進(jìn)行分析研究，從而對(duì)施工掌子面前方巖體情況或成災(zāi)可能性做出預(yù)報(bào)。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有很多種，如導(dǎo)坑、鉆探、無損探測方法等(如地震和地質(zhì)雷達(dá))。TGP是一種地震探測方法，該方法適于隧道掘進(jìn)長度(二襯至掌子面下導(dǎo))達(dá)到70 m，特殊條件下不少于55 m，埋層較深的長大隧道，在大相嶺隧道施工中，主要采用了北京市水電物探研究所專門為隧道及地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研制開發(fā)的技術(shù)成果——TGP206，開展隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。實(shí)踐表明，采用TGP206系統(tǒng)能較準(zhǔn)確地識(shí)別和預(yù)測隧道掌子面前方及其周圍的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況以及巖石力學(xué)參數(shù)，TGP結(jié)合工程地質(zhì)類比法，可以準(zhǔn)確的預(yù)測出前方地質(zhì)情況，為確保隧道安全施工，確定隧道施工工藝提供可靠的依據(jù)。

1 TGP原理和工作方法

TGP(Tunnel Geology Prediction)是一種新穎、快速、有效、無損的反射地震技術(shù)。它是為隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)而專門設(shè)計(jì)的，可以在隧道施工、地下礦藏、洞穴開挖前提供幫助，其目的在于迅速地提供在開挖周圍及前方的三維空間的工程地質(zhì)預(yù)報(bào)。TGP是當(dāng)前國內(nèi)外先進(jìn)的隧道長期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)備，也是目前超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)中的最重要手段。TGP206系統(tǒng)主要由儀器主機(jī)、配件和處理軟件三部分組成，它是根據(jù)地震波的回波原理(見圖1)，人工制造一系列有規(guī)則排列的輕微震源，布成一條直線，用小藥量激發(fā)產(chǎn)生。地震波在巖石中以球面波形式傳播。當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ庥霾涣嫉刭|(zhì)體(如地層層面、節(jié)理面、巖溶面，特別是斷層破碎帶界面等)，一部分地震信號(hào)反射回來，信號(hào)折射進(jìn)入前方介質(zhì)。由三維地震波接收器在計(jì)算機(jī)的監(jiān)控下采集被反射返回的地震波數(shù)據(jù)。這些回波信號(hào)的傳播速度、延遲時(shí)間、波形、強(qiáng)度和方向是與相應(yīng)的不良地質(zhì)體的性質(zhì)和分布狀況緊密相關(guān)的。這些數(shù)據(jù)通過TGPwin軟件處理，可以獲得P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面等;而提取反射層、巖石物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等成果，以及反射層在探測范圍內(nèi)的2D或3D空間分布。

2 工程應(yīng)用實(shí)例及效果分析

2.1 隧道地質(zhì)概況

大相嶺隧道位于四川省雅安市滎經(jīng)縣和漢源縣交界處的大相嶺高中山區(qū)，左線K53+804～K63+750，長9 946 m，右線YK53+773～YK63+780，長10 007m。隧道穿越段最大埋深約1 660 m，屬于深埋特長越嶺公路隧道，是雅瀘高速公路控制性工程。

1)地層巖性。隧道通過地層為:震旦系下統(tǒng)安山巖段(Zaa)、流紋巖段(Zaλ)，震旦系上統(tǒng)開建橋組(Zk)，震旦系上統(tǒng)燈影組(Zbdn)，以及第四系地層。通過地層主要分為巖漿巖和沉積巖兩大類，前者可劃分為火山巖和侵入巖兩類，以火山巖分布最廣，是下震旦統(tǒng)的主要巖性;后者為碳酸巖類和火山碎屑巖類。火山熔巖和火山碎屑巖是隧道的主體巖性段，水?dāng)y式火山碎屑巖和碳酸鹽巖僅于隧道出口附近有少量分布。2)地質(zhì)構(gòu)造。隧址區(qū)所在的構(gòu)造單元為大相嶺北西向構(gòu)造帶，展布于區(qū)域中部，主要由金坪斷裂、保—凰斷裂和大相嶺背斜、宜東向斜組成，其中大相嶺背斜是近址區(qū)的控制性構(gòu)造。隧址區(qū)位于多個(gè)構(gòu)造體系應(yīng)力場的集中部位，其中進(jìn)口段受構(gòu)造集中應(yīng)力場影響更大。3)主要不良地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害。a.發(fā)育于白云巖、水?dāng)y式火山碎屑沉積巖、流紋巖類及安山巖中的斷層或破碎帶，整體呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，開挖擾動(dòng)后，側(cè)壁穩(wěn)定性差，頂部會(huì)存在坍塌。b.斷層及其破碎帶形成的風(fēng)化槽地或沖溝，內(nèi)含溶蝕孔洞，不排除壓力水的存在，并伴有涌水、涌砂、突泥現(xiàn)象。易造成大～特大型隧道塌方。c.火山沉積巖、流紋巖類及安山巖的開挖有時(shí)會(huì)有高低溫差、巖爆現(xiàn)象的存在，相伴隨的巖體大變形極易給隧道施工安全、質(zhì)量造成威脅。

2.2 TGP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果及分析

預(yù)報(bào)掌子面位于隧道右線YK32+485里程處。在YK32+435.5里程處布置預(yù)報(bào)接收孔，接收孔距掌子面50.5 m。在隧道左邊墻的同一水平線上從外向里布置1個(gè)傳感器鉆孔和22個(gè)炮孔，傳感器鉆孔距第一個(gè)炮孔15 m，炮孔間距1.5 m，炮孔高度1.5 m，最后一個(gè)炮孔距下臺(tái)階3 m。本次探測預(yù)報(bào)區(qū)段為大相嶺隧道K62+130～K61+930，大約200 m。

2.2.1 結(jié)論建議

1)大相嶺隧道K62+130～K61+930巖體的彈性參數(shù):平均縱波(Vp)速度為4 460 m/s;平均橫波(Vs)速度為 2 260 m/s;縱橫波速度比為 1.973;泊松比為0.33。彈性模量34 348 MPa，剪切模量12 939 MPa。

2)具體推斷結(jié)論如表1所示。

表1 TGP地質(zhì)預(yù)報(bào)具體推斷結(jié)果

2.2.2 開挖結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)原地質(zhì)資料，大相嶺隧道左線 K62+130～K61+930段圍巖以微風(fēng)化流紋巖為主，可能存在2處～3處凝灰?guī)r透鏡夾層，巖體較完整，地下水主要為滴水—線流狀，局部存在巖爆的可能。經(jīng)對(duì)TGP206所采集的數(shù)據(jù)處理分析，在K62+130～K62+090段層間錯(cuò)動(dòng)強(qiáng)烈，圍巖好壞交替出現(xiàn)，洞頂存在坍塌，側(cè)壁穩(wěn)定性差，K62+095附近圍巖變化更大，與原設(shè)計(jì)出入很大。經(jīng)開挖證實(shí)，該段的圍巖實(shí)際情況和預(yù)報(bào)的基本相符，應(yīng)及時(shí)變更，加強(qiáng)支護(hù)。

3 結(jié)語

TGP是根據(jù)地震反射波預(yù)報(bào)的原理來判斷掌子面圍巖的基本情況，為了提高預(yù)報(bào)的精度，在進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，要掌握以下幾個(gè)因素對(duì)于預(yù)報(bào)工作的影響:首先是圍巖的巖性及完整性。當(dāng)圍巖完整性及圍巖巖性較好，聲波穿透力較強(qiáng)，預(yù)報(bào)長度可適當(dāng)增加，否則預(yù)報(bào)長度應(yīng)相應(yīng)縮短;其次，應(yīng)預(yù)先熟悉圍巖的水文地質(zhì)資料與掌子面圍巖的特征，因?yàn)榈叵滤畬?duì)聲波的傳播有重要影響。總之，TGP隧道地震預(yù)報(bào)技術(shù)是目前先進(jìn)的物探方法之一，當(dāng)然TGP的使用還存在其他一些問題，諸如如何降低TGP探測成本，如何加快提交TGP探測成果的速度，如何增加TGP次超前預(yù)報(bào)的距離和精度，這都需要進(jìn)一步的研究。

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