復雜富水公路隧道施工中超前地質預報的探討

羅旭光

(中鐵十六局集團第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

復雜富水公路隧道施工中超前地質預報的探討

羅旭光

(中鐵十六局集團第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

蘇州市西山島出入通道擴建工程漁洋山通道隧道區屬于太湖沿岸構造——剝蝕低山地貌,地下水豐富,地質條件復雜,施工中經常出現突水突泥,給施工帶來很多不便。經在該地段采用地質雷達、TSP203Plus和紅外探測儀綜合預報方法預報掌子面前方地質情況,根據反饋信息可以及時更改施工方法和增加輔助措施,確保隧道安全施工。

富水隧道；TSP；地質雷達；紅外探水；超前地質預報

1 概述

隧道穿越地段地表覆蓋層為第四系殘坡積土,以粉質黏土夾碎石為主。進出洞口段殘坡積土厚5.1～8.0 m,山體之上殘坡積土厚度僅0.5～2.0 m,山體樹木茂密,通視條件較差。隧道兩側接線屬于古泄湖平原區,地勢低平,地面高程為2.8～4.3 m。隧道兩側接線路基分布有全線統及上更新統土層, 揭示層厚20 m, 隧址區表層為第四系殘坡

積層(Q),第四系殘坡積層由碎石和角礫組成,灰黃色,呈松散狀,分布廣泛,與下伏基巖界限清晰。下伏基巖為古生界泥盆系上統五通組 (D3W),巖性為一套黃褐色至紫褐色粉砂巖、泥質粉砂巖及淺灰白色石英砂巖夾泥質砂巖。隧道構造節理多為剪節理。節理面較為平直,多呈閉合狀態,見鐵質浸染。

隨著深長山嶺隧道工程建設不斷向西部山區推進,為了確保工程安全,對工程地質勘測提出了更高的要求。對于山高洞長隧道,工程地質和水文地質條件復雜，地表的勘察技術和條件有限,在施工的前期很難對工程區域的地質情況進行全面而精準的掌握,特別是富水、斷層以及破碎巖體等不良地質具有很強的隱蔽性,很難對隧道巖性的不良地質情況作出準確的揭示,而類似不良地質又是主要的災害賦存源,在隧道施工過程中有可能誘發突水突泥、塌方等地質災害,給隧道施工帶來嚴重的財產損失乃至危及施工人員的生命安全。因此在隧道施工階段應精準地開展超前地質預報工作,對確保隧道安全施工起到十分重要的作用[1-2]。

2 TSP203Plus、地質雷達和紅外探測儀的基本原理

2.1TSP203Plus基本原理

TSP(TunnelseismicPrediction)是屬于多波多分量高分辨率地震反射波的一種探測技術,是為地下硐室地質超前預報而專門設計的,能在地下硐室施工、地下礦藏和洞穴開挖前提供幫助,迅速超前地提供在開挖掌子面前方的三維空間的工程地質預報，是專門為長距離隧道在施工過程中的超前地質預報而設計的。它的地震波由小藥量激發產生,小藥量有效激發信號要在18個以上,通常布置24個小藥量炮孔激發信號。地震波在巖石中以球面波形式傳播,當遇到巖石界面,有一部分信號發生反射,反射回來的信號由檢波器接收并記錄下來,這是一種快速、有效、無損的地震波反射探測技術[3-4]。圖1為TSP隧道超前地質預報原理圖。

圖1 TSP隧道超前地質預報原理圖

2.2 地質雷達的基本原理

地質雷達是利用超高頻窄脈沖電磁波探測介質分布的一種地球物理勘探方法。目前地質雷達種類很多,有進口的也有國產的,其工作原理為發射天線向隧道掌子面前方發射電磁波信號,當電磁波在介質中傳播時遇到存在電性差異的地下目標物時(如空洞、分界面等),電磁波將發生反射,返回的電磁波由接收電線接收(天線有一體化的、分離式的等)。并對接收到的電磁波進行處理分析,通過雷達波形和強度等參數推斷出地下目標物的空間位置、結構及幾何形態。從而達到對地下隱蔽目標物的探測[5-6](圖2)。

[0,1]區間及其子集是重要的剩余格,但是抽象的剩余格能夠更詳盡地表現出模糊系統的代數特點。然而在抽象剩余格上很難再按照ρ=1-(a→b)∧(b→a)的方法建立度量空間。剩余格中也有→和∧算子,因此,在一般的剩余格中s(a,b)=(a→b)∧(b→a)仍有相應的定義。但是s算子是由→,∧誘導的,未能很好地體現剩余格中的三角模算子?。在[0,1]剩余格中(a→b)∧(b→a)和(a→b)?(b→a)是一樣的,但是在一般的剩余格中卻不能保證這一點。

圖2 雷達探測原理示意圖

2.3 紅外探測儀的基本原理

紅外探測技術是通過探測前方30m范圍內地質體輻射的紅外場強度。如果掌子面前方存在脈狀含水體、地下脈狀流或者隱伏含水體等異常現象時,其輻射出來的異常紅外場將會疊加在正常的輻射場上,而在探測數據上將會出現畸形。即通過對采集到的數據進行有效的分析處理,就可以較為全面地預測隧道前方的不良地質體,特別是含水體[7-9]。

3 應用實例

在隧道施工過程中,經常會出現很多不良地質情況,如溶洞、斷層破碎帶、突泥突水、節理發育強風化巖等。為了確保隧道內的安全施工以及避免涌水、塌方等地質災害事故的發生,就必須對隧道進行TSP、地質雷達、紅外探水等地質超前預報，預先了解掌子面前方的地質情況,并采取相應的措施。以下為漁洋山隧道施工過程中遇到的典型斷面進行分析,以掌子面YK4+352為例,對該掌子面進行地質超前預報,然后根據開挖過程中反饋的信息,并將三種情況的預報結果進行對比,最后與實際開挖的地質情況進行驗證。

3.1TSP探測結果分析

用TSP203Plus相應的處理軟件TSPwinPLUS2.1對采集的數據進行處理分析,得到相應波(P、SH、SV)的深度偏移剖面和反射界面,以及相應的巖石力學參數和二維、三維效果圖。圖3是漁洋山隧道2D效果圖,根據該圖可以得到如下結論:

圖3 漁洋山隧道2D成果圖

1)里程YK4+352至YK4+319區段,長約33m,圍巖破碎,整體性較差,節理強發育,薄產狀,巖質較軟,強風化巖層,巖體局部滲水；

2)里程YK4+319至YK4+289區段,長約30m,此段圍巖相對稍好但仍為破碎,節理裂隙強發育,薄中產狀互存,局部強風化巖層,巖質軟硬不均,巖體存在含水構造,其中YK4+307至YK4+295段存在強層理或斜層構造,開挖時需要注意；

3)里程YK4+295至YK4+265區段,長約30m,圍巖局部破碎,整體性稍差,薄中產狀互存,節理強發育,局部存在軟弱夾層,巖質軟硬不均,巖體含水；

4)里程YK4+265至YK4+235區段,長約30m,圍巖局部破碎層間結合性一般差,薄-中層狀,節理強發育,局部強風化,巖質薄中互存,其中YK4+255至YK4+245存在嚴重傾斜狀或斷層。

3.2 地質雷達探測結果分析

隧道該掌子面采用上下臺階法開挖,圍巖為強風化紅砂巖,呈松散狀,巖體破碎,節理裂隙強發育,掌子面左右兩側有滲水。

采用雷達對掌子面YK4+352進行預報,數據分析由IDSP5.0軟件進行分析,分析結果見圖4。其波形的主要特征為：界面存在強烈的反射波,波在節理中傳播時波形雜亂,且波的振幅變化較大,同相軸不連續。根據波形分析可推斷,掌子面前面的圍巖較為破碎,節理裂隙強發育,其中0～10m處圍巖存在含水構造,巖體富水。

圖4 地質雷達探測剖面圖

3.3 紅外探測儀探測結果分析

運用紅外探測儀HW-304對漁洋山隧道出口掌子面里程YK4+352進行探測分析。通過對漁陽山隧道出口YK4+352掌子面前方30m范圍內的探測數據判斷：由掌子面巖體上均勻布置24個測點的紅外輻射場強數值,可知其最大值為312μW/cm2,最小值為300μW/cm2,差值為12μW/cm2,大于允許的安全值10μW/cm2。

根據以上判別方法并結合實際的圍巖情況可知：YK4+352至YK4+322處存在含水構造,巖體局部嚴重滲水。

綜合TSP、地質雷達及紅外探測儀預報結果,對隧道該段地質情況進行綜合分析,可以判定掌子面YK4+352至YK4+322范圍圍巖破碎,節理裂隙強發育,巖體內存在富水層,極可能出現突泥突水現象。

為了確保隧道施工安全,及時將預報結果報告業主、監理和施工單位,要求施工方在該段打設超前泄水孔,提前做好排水措施,從而確保隧道施工能夠安全進行。

隧道在該段開挖后揭露的圍巖特性與超前地質預報中所預報的地質情況基本一致,說明采用綜合預報的方法比較準確,能夠指導隧道施工。實際開挖時掌子面照片見圖5。

圖5 實際開挖掌子面

4 結 語

1)在隧道工程中,超前地質預報所占的地位越來越重,尤其是在施工安全、施工進度及質量等方面極為重要。

2)對于隧道施工穿越不良地質段時,為了確保施工安全,提高超前地質預報精確度,建議采用TSP、地質雷達和紅外探水等超前地質預報的方法。

3)在隧道不良地質段施工時要根據地質預報及時反饋信息,及時更改隧道施工方法和增加輔助措施。

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Discussion on Leading Geological Forecast in the Construction of the Complicated Water-Rich Road Tunnel

LUOXuguang

2016-09-28

羅旭光(1979—),男，浙江長興人，工程師，從事鐵路、公路、市政以及其他工程的施工管理工作。

U455.5

B

1008-3707(2017)01-0053-04