超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法在西延高鐵巖溶隧道中的應(yīng)用

張文康

(陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西 西安 710003)

1 概述

西延高鐵銅川某隧道巖溶[1-2]高度發(fā)育，為了準(zhǔn)確獲取隧道前方圍巖的地質(zhì)情況，提前規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[3-7]技術(shù)是不可或缺的預(yù)報(bào)手段，然而能否準(zhǔn)確查明隧道前方巖溶發(fā)育規(guī)模，是國(guó)內(nèi)隧道預(yù)報(bào)檢測(cè)工作一項(xiàng)難題，本文通過(guò)對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP法從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、成果解譯、地質(zhì)雷達(dá)法[8]資料處理等多項(xiàng)工藝改進(jìn)，準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)了銅川隧道前方巖溶的發(fā)育情況。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)基本原理

2.1 TSP法基本原理

TSP303超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)依靠人工激發(fā)地震波，地震波以球面波[9]的形式向前傳播，當(dāng)它遇到巖石物性界面的時(shí)候，一部分地震信號(hào)反射回來(lái)，一部分地震信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)，反射回的信號(hào)被接收器接收,通過(guò)對(duì)接收信號(hào)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行分析，可推斷斷層和巖石破碎帶等不良地質(zhì)體[10]的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀及巖石力學(xué)參數(shù)。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法基本原理

地質(zhì)雷達(dá)(SIR3000)將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式由發(fā)射天線定向送入被探測(cè)體，電磁波在被探測(cè)介質(zhì)中傳播，當(dāng)遇到不同介電常數(shù)[11]的介質(zhì)交界面時(shí)，部分電磁波的能量被反射回地面，由接收天線接收。

GPR記錄的是被探測(cè)介質(zhì)波阻抗[12]界面的反射波時(shí)間序列，應(yīng)用處理解釋軟件可將反射波的雙程走時(shí)Δt(ns)轉(zhuǎn)換成深度h(m)剖面，通過(guò)分析深度剖面中反射波的形態(tài)、頻譜、振幅等特征，確定異常區(qū)的位置、大小、形態(tài)，推斷地下地質(zhì)體(或結(jié)構(gòu))的空間位置、幾何形態(tài)和性質(zhì)等。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

3.1 地質(zhì)概況

銅川某隧道DK103+865處位于沖溝右岸斜坡處，斜坡坡度約30°，周?chē)脖惠^發(fā)育，雜草為主，沖溝內(nèi)有少量流水，隧址區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)一級(jí)構(gòu)造單元，陜甘寧臺(tái)坳二級(jí)構(gòu)造單元，陜北臺(tái)凹三級(jí)構(gòu)造單元，域內(nèi)地表多被厚層第四系地層覆蓋，隧道于DK103+950與銅川南二十里鋪背斜相交，該背斜走向N65°E，兩翼傾角約5°～10°地層主要為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r，淺灰色、灰白色，礦物成分以方解石為主，隱晶質(zhì)-細(xì)晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖體破碎。

3.2 TSP法預(yù)報(bào)應(yīng)用

3.2.1 數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的改進(jìn)

眾所周知，原始數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量是預(yù)報(bào)后續(xù)工作的基礎(chǔ)，是決定一份預(yù)報(bào)成敗的關(guān)鍵所在。在硬質(zhì)圍巖區(qū)域，可以順利的布置TSP炮孔，然而，在軟質(zhì)巖區(qū)域，布置的TSP炮孔會(huì)造成塌孔，往往要工人清孔，這對(duì)我們開(kāi)展工作造成很大不便，甚至在碎裂巖或特殊巖土(膨脹土)區(qū)域開(kāi)展TSP工作，往往碎裂巖是由于斷層破碎帶等特殊地質(zhì)構(gòu)造引起的，銅川某隧道屬于軟質(zhì)巖和碎裂巖區(qū)域，這樣復(fù)雜而特殊的地質(zhì)情況需要TSP法來(lái)預(yù)報(bào)前方，所以這又對(duì)我們的工作提出了艱巨挑戰(zhàn)。

理論來(lái)講，在數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中，每孔的炸藥量和能量對(duì)接收信號(hào)的質(zhì)量影響很大，炸藥量越大，能量越大。通過(guò)大量的試驗(yàn)，在Ⅴ級(jí)圍巖中，同樣的條件下，300 g的炸藥量比200 g的炸藥量接收到的信號(hào)能量好，但是，往往在遇到Ⅴ級(jí)圍巖的隧道時(shí)，施工方要求藥量越少越好，并且不能超過(guò)200 g，所以，針對(duì)銅川某隧道圍巖類(lèi)似情況時(shí)，為了提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，我們采取新型工藝——PUC管作業(yè)法。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)之后，數(shù)據(jù)采集合格率大于90%，這樣不僅提高了信號(hào)能量強(qiáng)度，同時(shí)提高了信噪比[13]，既滿(mǎn)足預(yù)報(bào)要求，又減少隧道因?yàn)檎ㄋ幜看蠖鸬臄_動(dòng)坍塌。如圖1所示，右側(cè)PUC管作業(yè)法200 g炸藥量遠(yuǎn)高于左側(cè)普通方法300 g的炸藥量后采集的信號(hào)能量，且右側(cè)PUC管作業(yè)法信噪比遠(yuǎn)高于普通方法。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理的改進(jìn)

在實(shí)際工作中，接收的地震波信號(hào)往往有多種頻率成分，其頻率主要集中在0 Hz～5 000 Hz之間，帶通濾波用于將這些不需要的噪聲信號(hào)和有用的信號(hào)進(jìn)行分離，消除有效信號(hào)頻率范圍以外的噪聲信號(hào)，所以我們根據(jù)梯形帶通濾波原理，可以最大限度地防止信號(hào)失真。銅川某隧道巖性以灰?guī)r、碎裂巖為主，通過(guò)前期的TSP預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，在乳化炸藥作為震源的條件下，地震波主頻在800 Hz～1 500 Hz。

直達(dá)波速度的正確計(jì)算是TSP數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)，也是最重要的環(huán)節(jié)，初至信號(hào)就是直達(dá)波以最快路徑從發(fā)生源傳播到接收器的地震信號(hào)，所以我們?cè)赥SP數(shù)據(jù)處理時(shí)運(yùn)用了波速測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理能量比法原理來(lái)拾取初至信號(hào)(見(jiàn)圖2)，它大大提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，再結(jié)合隧道前期勘察彈性波速測(cè)井[14]資料進(jìn)行直達(dá)波速度校正，從而避免了物探多解性[15]問(wèn)題，提高了數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。

3.2.3 數(shù)據(jù)成果解譯分析

資料解譯原則上綜合隧洞地質(zhì)勘察資料、設(shè)計(jì)資料、施工地質(zhì)資料、反射波分析成果顯示圖及巖體物理力學(xué)參數(shù)等資料進(jìn)行解譯，合理預(yù)測(cè)前方地質(zhì)情況，由于銅川某隧道前期地質(zhì)勘察資料存在偏差，伴隨著物探資料解譯的多解性難題，作者采用了新的解譯手段，引進(jìn)工程地質(zhì)力學(xué)理論，結(jié)合巖溶的形成機(jī)制及巖溶的塌陷機(jī)制，可以計(jì)算出TSP的追蹤角δ。巖溶地質(zhì)理論則指出，巖溶發(fā)育與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，溶洞主要發(fā)育于溶蝕地層的斷層、背斜、向斜核部及側(cè)翼,而銅川某隧道于DK103+950與銅川南二十里鋪背斜相交，該背斜走向ωN65°E，銅川隧道走向ζ=85°～265°，δ=ζ-ω=15°～200°，通過(guò)地質(zhì)力學(xué)理論計(jì)算公式可以大致確定TSP的追蹤角δ，從而確定巖溶的發(fā)育情況。對(duì)于無(wú)填充型溶洞，二維反射層位圖(如圖3所示)顯示以強(qiáng)烈的負(fù)反射開(kāi)始，以強(qiáng)烈的正反射結(jié)束，反射帶內(nèi)反射界面少，巖石屬性圖顯示縱波速度、橫波速、泊松比變化較??；對(duì)于塊石土填充型溶洞，反射帶內(nèi)反射界面多，正負(fù)反射相間，以強(qiáng)烈的負(fù)反射開(kāi)始，以強(qiáng)烈的正負(fù)反射相間結(jié)束，巖石屬性圖顯示縱波速度升高，橫波速變化較小，泊松比變化較大。

從圖3可知，DK103+865～DK103+835段縱波速度、橫波速度、波動(dòng)比數(shù)值變化較小，反射帶內(nèi)反射層較少，推斷為無(wú)填充型溶洞，其中DK103+865～DK103+845段溶洞延伸至拱頂上方30 m處，DK103+845～DK103+835溶洞延伸至拱頂上方10 m～15 m處；DK103+835～DK103+810段縱波速度升高且波動(dòng)強(qiáng)烈，橫波速度變化不大，泊松比數(shù)值變化較大，反射帶內(nèi)反射層密集，推斷為串珠狀溶洞或塊石土填充型溶洞，溶洞延伸至DK103+835隧底18 m處及DK103+810拱頂上方28 m處。

3.3 地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)應(yīng)用

地質(zhì)雷達(dá)法在常規(guī)隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用比較簡(jiǎn)單，僅需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理就可以直觀的得到前方地質(zhì)圍巖信息，但在復(fù)雜構(gòu)造地層當(dāng)中往往會(huì)對(duì)不良地質(zhì)體的深度、規(guī)模、發(fā)育情況作出誤判，其中介電常數(shù)的正確選擇至關(guān)重要，當(dāng)不能正確選擇介電常數(shù)參數(shù)時(shí)，就需要對(duì)地質(zhì)雷達(dá)原始數(shù)據(jù)的介電常數(shù)進(jìn)行校正，根據(jù)現(xiàn)有銅川某隧道勘察設(shè)計(jì)鉆孔資料，利用Cgssi軟件最終修正該地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的介電常數(shù)為8.45，通過(guò)Radan軟件得到地質(zhì)雷達(dá)圖像如圖4,圖5所示。

從雷達(dá)影像圖得知，在DK103+865～DK103+835處雷達(dá)波頻率有明顯變化，且同相軸連續(xù)性差，雷達(dá)信號(hào)衰減較快，推斷存在大規(guī)模連續(xù)不規(guī)則溶洞。

3.4 預(yù)報(bào)成果綜合評(píng)價(jià)

本次通過(guò)工藝改進(jìn)后TSP和地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)銅川某隧道巖溶預(yù)報(bào)十分成功，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)合TSP和地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報(bào)結(jié)果，查明了掌子面前方巖溶的分布情況和發(fā)育規(guī)律，在DK103+865～DK103+845段溶洞延伸至拱頂上方30 m處，DK103+845～DK103+835溶洞延伸至拱頂上方10 m～15 m處，DK103+835～DK103+810有多組小型溶洞，呈串珠狀或塊石土，溶洞延伸至DK103+835隧底18 m處及DK103+810拱頂上方28 m處，隨后，施工單位及時(shí)改進(jìn)施工方案，規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)，以探灌相結(jié)合的施工原則，加密布置超前水平鉆探和管棚鉆探。超前水平鉆孔揭示，DK103+865掌子面前方發(fā)育半充填型溶洞，溶洞形態(tài)不規(guī)則，主體主要發(fā)育在掌子面左拱部及拱頂，左拱部可見(jiàn)空腔，空腔深10 m～15 m，高3 m～8 m，寬0.5 m～2 m，朝左前方延伸；管棚鉆探揭示，DK103+865掌子面前方分布有空腔，延伸長(zhǎng)度大于20 m，分布寬度10 m～20 m，高5 m～7 m；綜合鉆探揭示溶洞沿洞軸向小里程至少延伸18 m～30 m。

所以，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)于準(zhǔn)確查明前方地質(zhì)體情況，使施工單位在正常區(qū)段內(nèi)可以放心大膽地掘進(jìn)，保證工期，從而提高經(jīng)濟(jì)效益，在異常區(qū)段則要小心謹(jǐn)慎，這樣，就可以避免人員傷亡，事故發(fā)生延誤工期造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)TSP法和地質(zhì)雷達(dá)法技術(shù)工藝多方面改進(jìn)，能極大的提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，從而正確的指導(dǎo)施工，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益，然而由于物探解譯的多解性和解譯人員的工作知識(shí)積累不同，單純應(yīng)用TSP和地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)經(jīng)常出現(xiàn)較大誤差甚至判斷失誤，所以，還要結(jié)合地質(zhì)素描、瞬變電磁、隧道監(jiān)控量測(cè)多手段、高水平的預(yù)報(bào)，更好的為施工單位做好安全服務(wù)工作。