隧道地震勘探(TSP)在某隧道含水構造預報中的應用

李麗燕 王 剛

(安徽省煤田地質局物探測量隊，安徽宿州 234000)

0 引言

近十年來，隨著我國交通事業的迅猛發展，西部山嶺地區隧道在鐵路公路中所占比重不斷增大，隧址區的工程地質條件比較復雜多變。涌突水、塌方、瓦斯等地質災害時有發生，給人民的財產安全和人身安全帶來了重大危害。因此，在隧道開挖過程中，超前地質預報技術對減少施工事故的發生起到了非常重要的作用。為降低地質災害發生的幾率和危害程度，對不良地質段應加強超前地質預報，并采取長、短距離相結合的預報方法。為了預測、預防突涌水，縮小涌突水帶來的危害，需要有針對性地科學的布置實施勘察、預報工作。

超前地質預報通常包括常規地質分析法［1，2］、物探法［3-6］、超前鉆探、超前導坑和工程類比法等。宏觀地質分析法，可預報斷層、巖溶等不良地質體的賦存范圍，為物探方法選擇提供依據，但預報精度和準確性有限;超前鉆探和超前導坑的鉆孔斷面小且少量鉆孔，由于“一孔之見”的問題，容易遺漏重大災害源，隧道建設時選取部分或局部進行地表鉆探、洞內鉆探及導坑，這不能準確反映隧址區地質條件，許多潛在災害隱患未能察覺;工程類比法對整體地質情況把握較好，但類比條件比較苛刻，需要積累總結大量的工程案例;物探方法預報精確度高且距離遠，能對勘察報告已經推斷存在的涌突水位置進行較為真實的驗證，判斷地表發育的涌突水構造，探測可能未被發現的含水地質構造，它的特點是對隧道施工干擾小。

隨著隧道地震預報技術的不斷發展，隧道地震預報系統(TSP)已經越來越廣泛地應用于隧道不良地質超前預報當中。TSP超前地質預報系統是瑞士20世紀90年代開發的，該方法利用了地震波在不均勻地質體內產生的反射波特性來預報隧道前方及周圍臨近區域的地質情況，能準確預報隧道掌子面前方100 m～200 m范圍內的地質情況，是目前在該領域的較為先進的探測手段，在預報隧道前方巖性的變化、斷層破碎帶及裂隙發育帶、軟弱地層的分布、水、溶洞等方面有不少成功案例，通過探測為隧道工程施工以及變更施工工藝提供依據，大大降低了隧道施工的危險性，減少人員和財物損傷。因此，TSP203超前預報方法具有巨大的經濟利益和社會效益。

1 TSP203的工作原理

1.1 工作原理

無損地球物理探測——隧道地震勘探(TSP)，可以預測即將開挖隧道相關地質結構及其周圍地質狀況，同時也可以對其力學參數進行評估。在大多數巖層結構中，它的有效預報范圍可達100 m(以隧道掌子面為基準)，在堅硬的巖層中甚至可高達200 m，同時整個測量工作對隧道施工不會有干擾或者僅有細微的干擾。

TSP203 plus隧道地質超前預報系統是通過在掌子面后方一定距離內的炮孔中引爆炸藥產生地震波來發射信號的，地震波在巖體中以球面的方式向四周擴散，其中一部分向隧道掌子面方向傳播，遇到隧道前方的地質界面地震波反射回來，接收桿中的傳感器接收反射信號，轉換成電信號并放大。從起爆到發射信號被接收的這段時間是與反射面的距離成比例的。通過反射時間與地震波傳播速度的換算就可以將反射面的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進面的距離確定下來，同時還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置探測出來。觀測系統與隧道關系如圖1所示。

1.2 布孔要求

地震波來自隧道邊墻上特定位置激發的小型爆破產生的能量傳遞，一般情況下，在隧道一側壁上沿洞軸線方向布設24個炮孔(爆破點)，所有炮孔成一條直線，炮孔間距為1.5 m，深為1.5 m，炮孔傾向為沿邊墻向下10°～15°，有助于灌水堵孔。遠離掌子面方向并距離最后的炮孔15 m～20 m處布置接收器點(單側或雙側)，接收孔孔深為2 m，垂直于邊墻向下15°，用以布設地震波接收傳感器。

1.3 探測解釋

施測過程中，在設備連接無誤后，逐次接線并電激發各炮孔中的炸藥(約50 g～150 g，依不同圍巖情況而調整)，所產生的地震波在隧道圍巖中傳遞，當遇到巖體中的節理裂隙結構面、地層層面、破碎巖體縫隙、溶洞以及暗河等不良地質體時，將產生反射波，反射波的大小與方向、反射時間能夠反映相對應反射面的地質情況，包括巖層的性質及其與接收器的距離。在所有爆破點依次引爆后，采用TSP win軟件系統對所采集到的數據進行一系列的處理，可獲取地震波傳遞過程中的P波、SH波、SV波的時間剖面圖，并能顯示深度剖面圖、反射層提取剖面圖以及包含地震波波速、縱橫波速比、泊松比、密度、靜態楊氏模量、動態楊氏模量的巖體物性圖。在成果解譯過程中，主要以P波分析數據對探測段的巖性進行劃分，并結合S波數據對地質情況進行綜合描述，應遵循以下原則:

1)反射振幅反映巖體性質，正振幅表示硬性巖體，負振幅表示軟性巖體。2)若S波反射強于P波，表明該處巖層賦存水。3)若縱橫波速比Vp/Vs增加或泊松比μ陡然增大，常常為流體的作用。4)若縱波波速Vp出現下降，表明巖體節理裂隙或孔隙度增大。

2 工程應用

2.1 工程概況

某隧道是左線起訖樁號ZK64+292～ZK66+796，長2 504 m;右線起訖樁號YK64+300～YK66+800，長2 500 m。

隧道區基巖露頭均為沉積巖地層，隧道區內斷裂構造發育，主體構造規模巨大的有通城河斷裂帶?；九c通城河相伴平行展布，系由一組寬約1 km～2 km的斷裂帶組成。斷裂切割二疊系，三疊系和白堊系，形成了控制遠安地塹的西側斷裂帶。地貌上沿斷裂帶普遍見由遠安地塹所形成的負地形，斷裂沿線斷層陡崖和斷層三角面發育，斷層顯示上盤下降的正斷層，斷面傾向東，或北東。隧道區還發育北東向曾家溝斷裂，某斷裂，北北西向的任家溝斷裂。隧道地層為上白堊系羅鏡灘組石灰質礫巖，地表巖溶發育，分布大量的巖溶洼地，落水洞，漏斗，大氣降水直接通過落水洞，漏斗灌入地下，并通過地下河排向深切河谷，K65+900兩側發育有漏水洞，為典型的強巖溶隧道，施工風險極大。隧道開挖過程中可能出現突水工程事故。

2.2 TSP超前地質預報

2013年5月18日，利用TSP203 plus系統對該隧道左線進口段進行了超前地質預報，此次預報中成功激發19炮，炮孔間距為1.5 m，接收器布設于隧道左邊墻內(面向掌子面)接收。掌子面樁號為ZK64+855，傳感器樁號為ZK64+805。采集系統的參數設定為:采樣率62.5 μs，記錄長度7 218樣點，X-Y-Z三分量接收。該次探測段里程為ZK64+855～ZK64+980，共125 m。

2.3 成果解釋

根據超前地質預報分析結果，在ZK64+916～ZK64+944段地震波在圍巖傳播時波速顯著下降，特別是在ZK64+916～ZK64+920段密度亦出現顯著下降，表明在此段圍巖風化程度較高，含水量高，且軟弱結構面發育，根據目前掌子面滲水情況，結合預報分析，此段極有可能發生突水事故。建議該段施工時加強支護，做好排水與積水疏導，并做好掉塊落石的主動防御工作。

2.4 現場超前鉆探結果

隧道施工到ZK64+916時，掌子面圍巖揭露為風化礫巖與風化泥質粉砂巖交界處，根據工程地質勘察資料知此段隧道處于巖溶水系統的補給，徑流區，屬包氣帶，且構造發育，巖溶水系統通過本段容易產生突涌水。5月31日凌晨在里程ZK64+916處進行超前鉆探，孔位位于掌子面左上角拱肩處，鉆孔深至2 m時，突然出現股狀涌水，涌水量約200 m3/h。

3 結語

1)TSP超前地質預報對隧道掌子面前方不良地質體的探測是準確的，對危險區突水進行準確預報保證了隧道的施工安全。做到能夠提前預防，提前治理。

2)通過對預報結果的解釋，得出地震波在圍巖傳播時波速下降，密度亦出現顯著下降，表明在此段圍巖風化程度較高，含水量可能較大，施工時應控制進尺，加強支護，保護巖體的承載力，仰拱二襯及時跟進，盡早封閉成環，并做好監控量測。

3)通過對某隧道超前地質預報實例，在準確判斷不良地質體的過程中應結合TSP探測結果及地質勘察資料，進行科學判斷，綜合分析。

［1］鐵道部第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［2］張 煒，李治國，王全勝.巖溶隧道涌突水原因分析及治理技術探討［J］.隧道建設，2008，28(3):257-260.

［3］方俊波.圓梁山隧道向斜段地表及地下連通性分析［J］.隧道道建設，2004，24(5):16-20.

［4］利奕年，王國斌.TRT隧道地質超前預報系統的改進與優化［A］.自主創新與持續增長第十一屆中國科協年會論文集［C］.重慶:中國科學技術協會，2009.

［5］范占鋒，李天斌，孟陸波.探地雷達在公路隧道超前地質預報中的應用［J］.物探與化探，2010，34(1):119-122.

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