TGP技術在隧道斷層破碎帶超前預報中的應用研究

黃 凱 黃漢義

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢 430050)

隨著我國“一帶一路”建設倡議的實施，更多的隧道工程在國外修建，其中，隧道地震波超前預報技術(以下簡稱TGP技術)憑借其探測距離長、精度高等優勢，在復雜地質隧道工程中得到了廣泛的應用。在以往相關研究中，高峰等[1-6]對TGP技術在突水突泥、巖溶地層隧道中的應用進行了研究；朱炯等[7]對TGP技術在川西公路隧道中的應用進行了研究；劉云禎[8-10]等通過將TGP技術與其他超前地質預報方法進行對比，對其在超前地質預報中的特點、優勢進行了分析。由上述可知，以往相關研究多集中在TGP技術在巖溶隧道中的應用及其與其他地質預報技術的對比方面，對于TGP技術在富水斷層破碎帶地層隧道中的應用研究甚少。本文擬依托Battal隧道工程，總結出一套TGP技術在斷層、地下水豐富地層隧道中的應用方法，并分析其應用特點，以期為類似工程提供借鑒。

1 TGP探測原理及方法

TGP技術主要是利用地震反射波原理，通過在隧道內以排列方式激發地震波，地震波遇到不同聲阻抗界面(即地質巖性變化界面、巖溶、斷層破碎帶等)會產生不同地震反射波，通過預先埋置在隧道內的檢波器將這些反射波接收，經過后期處理系統進行數據處理，同時結合已有地質資料，實現對隧道前方地質的推斷。地震波震源為在隧道邊墻一側沿直線布置的24個炮孔，炮孔埋有小藥量炸藥。地震波接收為三分量采集的模式，接收探頭布置在與炮孔等高程的洞壁鉆孔中，左右壁各布置1個。當地震波遇到聲阻抗差異的界面時，一部分穿越巖體繼續傳播，一部分被反射回來，被隧道內的檢波器接收。TGP技術應貫穿于施工的全過程，通過無間斷資料的對比，以提高超前地質預報的準確性。TGP超前地質預報工作原理示意圖見圖1。

圖1 TGP超前地質預報工作原理示意圖

TGP技術操作主要分3個方面：①對掌子面和測線布置段的巖體進行地質描述，通過選擇巖體相對完整的地段進行接收孔布置，記錄隧道掌子面、激發器炮孔、檢波器接收孔的里程；②布設炸藥卷，定向布設檢波器，并結合隧道巖性進行采集參數的選擇，選擇的采樣點數能確保地震記錄的長度不小于300～400 ms；③進行地震波數據的采集，并在確定數據合格后結束檢測，TGP技術現場操作示意圖見圖2。

圖2 TGP技術現場操作示意圖

2 TGP技術在隧道超前預報中的應用

2.1 工程概況

Battal隧道位于巴基斯坦北部，是中巴經濟走廊Islamabad至Raikot段公路工程的重要組成部分，隧道進口里程樁號K144+874，出口里程樁號K147+780，長2 906.0 m，最大埋深358.70 m。

根據勘察資料和現場地質調查成果，隧址區山體斜坡上局部表層覆蓋第四系全新統殘坡積物(Q4el+dl)，巖性為粉砂、粉質黏土、碎石，下伏基巖主要為晚元古代(Pt2)片巖、片麻巖。隧址區位于印度版塊與喜馬拉雅版塊結合帶南側邊緣，構造擠壓強烈，小型褶皺發育，巖體較為破碎。經地調復核及1∶2000 工程地質調繪，隧址區發現有斷層破碎帶F4、F5、F6、F7、F8、F9通過。隧址區地表水補給主要為山間溪流、大氣降水，地下水主要為基巖裂隙水，地下水豐富。

本工程主要對Battal隧道出口(K147+360-K147+210)進行TGP技術超前地質預報，現場各測試孔位布置圖見圖3。隧道掌子面(K147+360)地質狀況見圖4，為中風化片麻巖，巖質堅硬，節理、裂隙較發育，掌子面拱頂有點滴狀裂隙水流出，圍巖級別為IV級。

圖3 現場TGP各測試孔位布置圖(單位：m)

圖4 里程K147+360處掌子面照片及素描圖

2.2 TGP數據采集

本次檢測采用三分量速度型檢波器，采集觸發方式采用閉合回路斷開式。設24個激發孔，均設置于隧道右壁；分別在隧道左、右壁各設1個接收孔。為獲得準確的解釋成果，提高預報成果的精度和準確性，TGP預報在實際探測中采取以下措施：①爆破施工時暫停隧道內可能產生振動的工作；②震源部位的炸藥安裝應與鉆孔緊密接觸，并將炮孔注滿水；③檢測器應推動孔底，采用黃油與隧道耦合，同時采用高吸聲衰減材料將接收孔封堵；④采集過程中，如遇漏炮或未觸發情況，應進行補炮。

2.3 資料處理

TGP技術數據處理流程主要為以下4個步驟：①建立觀測系統，核對接收點、激發點的實際位置；②振幅調整，保證地震波振幅均衡；③初至拾取，并提取縱、橫波波速；④縱、橫波分離，并分別生成縱、橫波偏移成像圖，縱、橫波速度與反射界面圖，處理流程圖見圖5。

圖5 TGP技術數據處理流程圖

2.4 成果解釋

地震波三分量原始記錄圖見圖6。

圖6 地震波三分量原始記錄圖

由圖6可知，X，Y，Z分量直達波明顯，縱、橫波分明，數據可靠性較高，可進行下一步研究。

縱、橫波偏移量圖、反射界面俯、側視圖、比速度及反射符號分布圖見圖7～11。

圖7 縱波繞射偏移圖

圖8 橫波繞射偏移圖

圖9 反射界面俯視圖

圖10 反射界面測視圖

圖11 比速度及反射符號分布圖

從反射界面圖及比速度圖中看，預報段K147+345-K147+280反射面密集分布，其余段落總體較稀疏，縱波速度在K147+345-K147+330段出現爬升，而后在K147+330-K147+305連續下降，在K147+305-K147+280段連續爬升，在K147+280-K147+210維持穩定；橫波速度整體變化較小，在K147+330-K147+310段出現小幅震蕩。結合現場地質調查結果，推測K147+360-K147+210段工程地質及水文地質條件如下。

K147+360-K147+345，該段圍巖地震波無明顯反射面、縱波及橫波速度較量測段無明顯變化，推測該段圍巖較掌子面無明顯變化，仍為中風化片麻巖，圍巖較破碎，穩定性較好，裂隙水不發育。

K147+345-K147+330，該段縱波速度出現爬升，橫波速度無明顯變化，推測該段圍巖為中風化片麻巖，局部稍破碎，穩定性一般，存在少量裂隙水。

K147+330-K147+305，該段圍巖反射界面較密集，縱波速度連續下降，橫波速度在K147+330-K147+310段出現波動，推測該段圍巖為強風化片麻巖，巖質較軟，節理、裂隙密集發育，結構面間黏結較差，圍巖極破碎，裂隙水較發育，開挖過程呈股狀流出，圍巖穩定性較差，拱部易出現坍塌。

K147+305-K147+280，該段圍巖縱波速度緩慢爬升，橫波速度較均勻，無明顯變化，推測該段圍巖為中風化片麻巖，圍巖破碎，穩定性一般，存在少量裂隙水。

K147+280-K147+240，該段圍巖縱波速度及橫波速度較均勻，無明顯變化，推測該段圍巖為中風化片麻巖，圍巖較破碎，穩定性一般，存在少量裂隙水。

K147+240-K147+210，該段圍巖縱波速度及橫波速度較均勻，無明顯變化，推測該段圍巖為中風化片麻巖，圍巖較破碎，穩定性較好，裂隙水不發育。

結合勘察設計資料及現場地質觀察，綜合分析本預報結論見表1。K147+360-K147+330、K147+280-K147+240、K147+240-K147+210圍巖為中風化片麻巖，較破碎，穩定性一般，施工時拱頂部及側面巖石易出現局部掉塊或小型塌落，應適當控制單循環進尺，小藥量爆破。K147+330-K147+280，尤其是K147+330-K147+305圍巖為強風化片麻巖，巖質較軟，節理、裂隙密集發育，圍巖極破碎，裂隙水較發育，穩定性差，拱部易出現坍塌現象，施工應加強超前支護質量控制，并適當減小單循環進尺、小藥量爆破，必要情況下應調整開挖方法。開挖過程中可能存在股狀裂隙水流出，應加強洞內施工排水，避免洞內積水。

2.5 TGP成果驗證

為驗證本次預報的準確性，對隧道開挖后的掌子面圍巖情況進行了持續跟蹤，并將其與預報情況進行了對比(見表1)。其中，里程K147+318處開挖揭示照片(見圖12a)顯示，拱頂裂隙水呈股狀流出，水量較大，已在開挖面形成積水，按圍巖級別劃分屬于V級圍巖；里程K147+248處開挖揭示照片(見圖12b)顯示，圍巖較破碎，拱頂有點滴狀裂隙水，并不明顯，按圍巖級別劃分屬于IV級圍巖；里程K147+218處開挖揭示照片(見圖12c)顯示，圍巖較完整，掌子面較干燥，無裂隙水流出，按圍巖級別劃分屬于IV級圍巖[11]。

表1 Battal隧道里程K147+345-K147+280段TGP技術預報與實際開挖情況對比

圖12 開挖揭示照片

總的來說，實際開挖情況與本次預報結論接近，無法檢測出K147+318處水壓及涌水量，需配合其他檢測手段進行隧道涌水量的預報。

3 結論

1) TGP技術應嚴格按照TGP工作要求進行數據采集。本研究三分量原始記錄直達波明顯，縱、橫波分明，數據可靠性較高，為下一步研究提供了良好基礎。

2) 應用TGP技術進行地質預報時，當反饋數據顯示圍巖反射界面較密集，縱波速度連續下降時，多表現為圍巖破碎，裂隙水較發育，隧道開挖應及時進行初期支護，避免拱頂掉塊、坍塌現象。

3) 本工程開挖后掌子面地質情況證明，TGP技術對斷層破碎帶地層巖性能可進行比較準確地劃分，但對于地下水豐富的地層，因GTP技術無法預測水壓及涌水量，隧道開挖應同時配合其他檢測手段進行隧道涌水量的預報。