TSP結合TEM在風險圍巖隧道超前地質預報中的應用

林 川

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300251)

引言

隨著我國高速鐵路網規模的不斷擴大,鐵路隧道工程數量逐漸增多,而隧道工程作為鐵路建設的重要環節,其面臨的工程及水文地質條件較為復雜[1]。開展隧道勘察時,常因地理條件、技術手段應用受限等多方面因素,造成設計資料與隧道實際開挖揭示多有出入[2-3]。因此,在隧道施工過程中選用合適的技術開展超前地質預報,對指導隧道的安全開挖掘進至關重要[4-6]。

目前,已有較多學者開展了隧道超前地質預報的工程應用研究,邵珠山等全面分析各種超前預報方法的優缺點,并強調了開展綜合預報的必要性[7];牟元存等通過大量超前預報應用實例總結了開展TSP預報判定隧道開挖面前方不良地質體的適用性[8-9];XU等利用TSP-SK系統對隧道工作面前方圍巖破碎程度及富水狀況進行探測,表明通過改善TSP測量裝置以及確定合適的處理參數可提升預報成果的準確度[10];張子強在對隧道富水、巖溶及注漿效果檢測的預報中,總結TEM方法在隧道內開展探測的應用特點和優勢[11];董晉采用綜合物探方法在復雜富水隧道開展的預報,歸納總結了多種探測成果結合分析預報的解譯原則[12];王偉等通過分析各方法對應的相關物性參數的變化進行預報結論分析[13];蔡盛通過對斷層和巖溶開展的綜合預報工作,歸納了超前地質預報的成套技術與經驗,并總結了長、短距離結合預報和開展三維空間預報的優勢[14]。CHEN等利用TSP、TEM等多種探測手段重點對隧道斷層及其富水狀態做出了精準預報,并強調超前預報探測前充分掌握隧道工程地質狀況以及開展地表調查的重要性[15];菅永明等對隧道富水及巖溶開展綜合預報,通過兩種及多種方法探測成果的聯合對比分析得出預報結論[16-17]。

以下針對某高速鐵路風險圍巖隧道淺埋段和可溶巖段的圍巖特征,結合勘察地質資料和隧道施工狀況,選用TSP和TEM兩種方法結合開展中遠距離預報。通過TSP的宏觀預測以及TEM在隧道內的多角度、多方位測量,綜合預報分析隧道掌子面前方圍巖的工程及水文地質狀況,以期為隧道施工提供安全保障。

1 工程概況

1.1 淺埋段隧道

某高速鐵路隧道位于吉林省通化市三棵榆樹鎮,隧道正洞最大埋深約172 m,最小埋深約22 m。根據區域地質資料,該隧址區構造單元處于中朝準地臺、遼東臺隆、鐵嶺—靖宇臺拱的龍崗斷塊,以及渾江陷褶斷束的桓仁臺穹與渾江上游凹褶斷束相接地帶[18]。隧址區屬低山丘陵地貌,地表植被覆蓋良好,主要為松木及伴生茂密的灌木叢。隧道地表山脊主要呈北東-南西向展布,地勢東高西低,山勢陡峻,沖溝較發育。

隧址區地層分布由新至老有第四系全新統坡殘積粉質黏土及粗角礫土,白堊系下統安山巖及侏羅系上統砂巖、頁巖、凝灰質砂巖。該淺埋段及附近圍巖段落主要為安山巖,圍巖以Ⅴ級為主(見圖1),段內巖體整體風化程度較高,圍巖穩定性較差。隧址區地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水,地表調查資料顯示,隧道進出口及正洞淺埋段匯水面積較大,豐水期可能為集中涌水地段。

圖1 淺埋段隧道縱斷面示意(單位：m)Fig.1 Vertical section of the shallow buried tunnel

1.2 可溶巖段隧道

該高速鐵路另一隧道位于吉林省通化市大安鎮,與1.1中所述隧道相距約72 km,其地質構造單元、地貌、地勢及地表植被等大致相同。該隧道洞身穿越地層為震旦系上統萬隆組的石灰巖及頁巖,主要表現為石灰巖與頁巖互層分布,呈整合接觸。該隧址區地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙潛水及巖溶裂隙水,主要受大氣降水、地表水和積雪融水補給,以蒸發及地下徑流的方式排泄。

勘察設計資料表明,該隧道正洞多個段落表現為物探異常區,預報可溶巖段在縱斷面中設計有Ⅱ類物探異常,該段圍巖主要以Ⅳ級和Ⅴ級為主(見圖2),圍巖整體穩定性較差,易發生掉塊、塌方風險。該隧道出口在前期施工開挖過程中,曾揭示有小規模巖溶發育,多為無充填溶洞。

圖2 可溶巖段隧道縱斷面示意(單位：m)Fig.2 Vertical section of the soluble rock tunnel

2 方法原理及應用

2.1 TSP方法原理及應用

TSP(Tunnel Seismic Predication)即隧道地震波反射法,該方法是在彈性波理論的基礎上研究地震波的傳播規律。在均勻各向同性彈性介質中,地震縱、橫波波速及泊松比可表示為

(1)

(2)

其中,Vp、Vs分別為縱波和橫波波速;λ為拉梅系數;μ為剪切模量;ρ為巖石密度;σ為泊松比,由以上兩式可得

(3)

綜上可知,Vs主要由巖體的彈性力學性質決定,結合縱、橫波速比Vp/Vs可反映巖體的圍巖級別。巖石泊松比σ介于0～0.5之間。對于液體,σ=0.5,Vs不能在其中傳播。

地震波傳播過程遵循惠更斯-菲涅爾原理及費馬定理,而TSP方法實質上應用的是地震負視速度法原理,該方法接收到的反射波與直達波在地震波形記錄上呈負視速度關系。地震波傳播發生繞射時,需通過繞射掃描疊加處理使反射波同相軸偏移歸位,從而得到真實的反射界面位置。

TSP數據采集使用微量炸藥爆破作為激發震源,激發出的地震波向掌子面前方傳播遇到斷層、巖溶、地下水等不良地質體時,因不良地質體與周圍完整圍巖的波阻抗差異,地震波會在波阻抗差異邊界發生透射和反射,透射波能繼續向前傳播,而反射回來的波動信號會被高精度的三分量檢波器接收(見圖3)。TSP預報就是通過處理和分析反射回來的地震波信號,從而獲得隧道開挖面前方圍巖的工程地質狀況及富水情況,包括判定不良地質體的性質、位置及大致規模。

圖3 TSP探測原理示意Fig.3 TSP detection principle

TSP是常用的超前地質預報方法,目前該技術的應用及發展相對較為成熟。TSP可對隧道工作面前方的地質狀況進行遠距離宏觀預測,對地下水、斷層破碎帶、巖溶暗河等不良圍巖均能有所反映,但難以定量分析,其對細小不良地質體的分辨率也較低,容易漏報。TSP數據測量時易受現場噪聲影響,資料處理分析過程的主觀因素容易造成多解情況。實際工程應用中,需采用其他預報手段與TSP方法開展聯合預報,以提升預報結論的準確度和可靠度。

TSP預報使用的設備型號為TSP-DB,利用地震波反射原理開展探測,其觀測系統設計見表1。TSP數據處理包括：系統設置、預處理、濾波、初至拾取、能量均衡、反射波提取、波場分離、偏移成像、疊加處理等步驟,最終處理成果包含P波、SV波、SH波的偏移疊加剖面、速度譜、巖體物理力學參數及提取的反射層等。

表1 TSP-DB觀測系統設計

2.2 TEM方法原理及應用

TEM(Time Electromagnetic Method)即瞬變電磁法,該方法是基于電磁感應原理,利用脈沖信號激發一次場來觀測二次場信號,通過測量斷電后的早、中、晚期高頻到低頻的衰減信號,以獲得不同深度地質體的地電特征(見圖4)。

圖4 TEM探測原理示意Fig.4 TEM detection principle

TEM的電磁場是瞬變場,其服從熱傳導方程,即隨時間的增加,該場向深處傳播過程中逐漸向外擴散,俗稱“煙圈”效應。“煙圈”的半徑r、深度d計算式為

(4)

(5)

其中,a為發射線圈半徑;σ為電導率;μ0為磁導率;c2=8/π-2。當發射線圈半徑a相對于“煙圈”半徑r很小時,tanθ=d/r≈1.07,θ≈47°,即“煙圈”將沿47°的傾斜錐面擴散,其向下傳播的速度為

(6)

由式(6)可知,感應渦流擴散的速度與地質體的電導率和磁導率有關,導電性和導磁性越好擴散速度越慢,即能在更長的延時后仍能觀測到瞬變電磁場。

不同于地表的半空間測量,在開挖掌子面附近可進行多角度、多方位測量(見圖5)。由于隧道結構的特殊,TEM預報也有其特殊的數據處理、反演及成圖方式[19-21]。開展TEM預報能夠獲得開挖面前方地質體的電阻率參數,從而可判定隧道掌子面前方圍巖地層的富水情況,排查含水構造包括裂隙水、巖溶水等發育情況。

圖5 TEM預報數據采集方式Fig.5 Data acquisition method of TEM

TEM方法在工程應用中的目的性較強,主要用于探查隧道前方圍巖含水或巖溶發育情況。TEM預報適應于在高阻圍巖中尋找低阻異常體,探測分辨率較高且不受地形影響,隧道內開展測量靈活方便,時效性較高。但TEM方法存在“淺層盲區”,即隧道掌子面附近一定范圍內的圍巖狀況無法得到有效探測,并且開展TEM測量時易受隧道施工現場的各類電磁干擾。實際工程應用中,TEM預報成果需結合其他預報方法結論進行綜合分析,從而進一步判定不良地質體的具體性質、分布范圍及延伸規模。

TEM預報采用了一種基于等值反磁通(OCTEM)原理的HPTEM-18瞬變電磁儀[22],該設備采用上下平行共軸的兩個相同線圈以等值反向電流作為發射源,在一次場零磁通平面上測量純二次場,利用收發一體的小線圈測量方式,設備主要相關參數見表2。該設備具備消除激發和旁側影響、耦合能量集中、橫向分辨率較高的優勢,且數據采集方便快捷,是隧道內開展中遠距離預報探測的有效方法[23]。

表2 HPTEM-18瞬變電磁儀主要參數

3 預報成果分析及開挖驗證

3.1 隧道淺埋段預報分析及驗證

隧道正洞XDK0+275～XDK0+350里程段為相對淺埋段,平均埋深約29m。根據超前地質預報計劃安排,在該隧道進口XDK0+256、XDK0+278里程開展了TSP和TEM超前預報探測。TSP預報里程范圍為XDK0+256～XDK0+376,TEM預報里程范圍為XDK0+278～XDK0+328。

圖6(a)為TSP數據處理得到的P波、SV波、SH波偏移剖面,紅、黑色分別表示正、負反射振幅,其顏色深淺代表振幅高低。圖6(b)是綜合三分量偏移剖面提取的反射層面,其線段粗細和散點密集程度對應了反射波振幅高低也反映了波阻抗差異大小。分析可知,XDK0+256～XDK0+376預報段內反射波分布明顯,反射層面突出,主要集中在XDK0+262～XDK0+323段,該段振幅整體較高,體現了段落圍巖巖性的變化差異較大。XDK0+262～XDK0+280段為掌子面附近圍巖段,段內反射波振幅整體較低,但反射層面突出,說明該段巖體整體較完整,部分較破碎。XDK0+290～XDK0+312段的反射波振幅表現為正負相間分布,以負反射為主,且段內出現多組明顯波阻抗界面,反映了該段圍巖巖性變化更為明顯,巖體破碎程度更大。其中XDK0+323、XDK0+334里程附近表現為正反射,但反射層面不突出,預報遠端XDK0+356～XDK0+376段反射波振幅整體較低,反射層面不明顯,均表明圍巖較完整。

地震波速及巖石物性曲線見圖7,段內縱、橫波速整體起伏較大,其中有兩處明顯變化段落。XDK0+264～XDK0+284段縱波波速及巖石物性曲線均表現為先上升再降低,而橫波速度起伏不大,說明隧道掌子面附近圍巖整體相對較破碎,部分段落可能含水。XDK0+290～XDK0+312段縱波速度變化明顯,整體呈下降趨勢,橫波速度明顯下降,縱、橫波速比有所上升,圍巖泊松比變化不大,但巖體密度和楊氏模量均有降低,表明該段巖體破碎程度較大,圍巖明顯含水,與圖6分析結論相對應。預報中后段波速和巖石物性變化整體較平穩,其中XDK0+322～XDK0+330段波速下降明顯,巖體密度降低,可能為集中破碎帶。

圖7 XDK0+256～XDK0+376段地震波速及巖石物性曲線Fig.7 Seismic wave velocity and rock physical property curves of XDK0+256～XDK0+376

綜合TSP解譯分析成果,推測預報范圍內XDK0+262～XDK0+323段圍巖整體較破碎,節理裂隙整體較發育,其中XDK0+290～XDK0+312段(紅色圈示)存在集中破碎帶或節理密集帶,地下水較為發育。

TEM預報成果見圖8,XDK0+278～XDK0+328段圍巖整體以中、低阻為主,其中低阻異常分布集中且異常面積較大,主要位于XDK0+288～XDK0+316段,偏隧道正線左側,推測為疑似富水區(紅色圈示)。圖中掌子面附近表現出的低阻異常(并非集中富水區),而是由于TEM“淺部盲區”所致。圖8(c)正前方圍巖視電阻率分布表明XDK0+285～XDK0+292段為高、低阻的明顯分界段,段內阻值圈閉明顯,推測為節理密集帶(黑色圈示),段內巖體較為破碎。圖8(c)中正線左側XDK0+298～XDK0+315段大面積低阻異常可能受邊界效應影響,且該處測點數據稀疏,圍巖阻值可靠度不高。

圖8 XDK0+278～XDK0+328段圍巖視電阻率分布Fig.8 Surrounding rock apparent resistivity distribution of XDK0+278～XDK0+328

分析TEM預報成果并結合該段TSP預報結論,綜合推測隧道掌子面前方XDK0+288～XDK0+316段圍巖含水可能性較大,其中XDK0+289附近巖體更為破碎,節理裂隙相對發育。由于該隧道淺埋段施工在豐水季節,故推測的圍巖含水應為地表積水下滲所致,出水量整體不大但可能較為集中,因此,隧道開挖施工過程要及時加強支護,并做好圍巖突水排查工作。

預報淺埋段實際開挖揭示的掌子面狀況表明(見圖9),在XDK0+288～XDK0+315里程段,圍巖巖體為破碎-較破碎,節理裂隙發育,隧道開挖過程揭示了該段掌子面及周邊巖體整體均較為濕潤,并且在XDK0+305～XDK0+315段出水較集中,與TSP和TEM綜合預報結論基本相對應。

圖9 淺埋段開挖揭示掌子面Fig.9 Excavation of the shallow buried tunnel face

3.2 隧道可溶巖段預報分析及驗證

該可溶巖隧道出口里程為XDK73+605,根據超前地質預報工作計劃安排,于里程XDK73+530、XDK73+526開展了TSP和TEM超前預報探測。TSP預報里程范圍為XDK73+530～XDK73+430,TEM預報里程范圍為XDK73+526～XDK73+466。

從TSP偏移剖面及提取的反射層來看(見圖10),XDK73+530～XDK73+430預報段內的反射波整體分布明顯,反射振幅整體較高,但反射層面主要集中在XDK73+530～XDK73+488段。預報段內反射波以正反射為主,負反射集中分布于多段內,其中XDK73+514～XDK73+490段為正、負反射的集中段,段內反射界面突出,表明該段圍巖變化較大,巖體差異較明顯。其中XDK73+472～XDK73+464段、XDK73+446～XDK73+440段均表現為負反射,但反射振幅強度相對較弱,反射層面不突出,表明段內圍巖相對破碎。

圖10 XDK73+530～XDK73+430段TSP偏移剖面及提取的反射層面Fig.10 TSP migration profile and extracted reflection layers of XDK73+530～XDK73+430

地震波速及巖石物性曲線見圖11,縱波波速起伏主要在XDK73+514～XDK73+490段內,該段縱、橫波速均表現為先升高再降低,物性曲線表現的起伏趨勢也相近。結合圖10分析,XDK73+514～XDK73+490段圍巖巖性變化差異明顯,巖體破碎程度較大,但段內含水可能性不大。此外,XDK73+480～XDK73+468段橫波速度整體呈降低趨勢,縱波速度平穩升高,但圖10偏移剖面反映的橫波主要以正反射為主,該段震波變化一致性較差,推測為人為主觀因素所致,其反映的圍巖狀況整體可靠度不高。

圖11 XDK73+530～XDK73+430段地震波速及巖石物性曲線Fig.11 Seismic wave velocity and rock physical property curves of XDK73+530～XDK73+430

依據勘察設計地質資料,并結合該隧道前期開挖過程中已多次揭示的巖溶現象,推測XDK73+514～XDK73+490段(紅色圈示)圍巖巖體整體較破碎,溶蝕裂隙整體較發育,段落內巖溶發育可能性較大。

分析XDK73+526～XDK73+466段圍巖視電阻率分布,該段圍巖整體表現為中、高阻,其中有2處較明顯的相對低阻異常區域(見圖12),分別為XDK73+520～XDK73+511段和XDK73+502～XDK73+488段(紅色圈示)。前段低阻分布面積較小,后段低阻異常分布較大,且連接至隧道正線左側(圖12中為右側),2處低阻異常圈閉均較為明顯,等值線分布較密集。結合TSP分析結論并考慮該隧道先期開挖揭示情況,推測兩段低阻異常區對應段落巖溶發育。此外,XDK73+495～XDK73+466段正線右側大面積低阻區圈閉相對較弱,推測為假異常。

圖12 XDK73+526～XDK73+466段圍巖視電阻率分布(正前方)Fig.12 Surrounding rock apparent resistivity distribution of XDK73+526～XDK73+466 (Directly ahead)

根據TEM預報成果并結合該段TSP分析結論,綜合推測XDK73+520～XDK73+488段圍巖整體較破碎,溶蝕裂隙整體較發育。其中XDK73+520～XDK73+511段、XDK73+502～XDK73+488段為巖溶集中發育段落,圍巖局部含水,掌子面開挖過程中應重點關注巖溶發育的具體位置和規模,及時加強初支工作并做好圍巖掉塊預防措施。

在施工開挖掘進過程中,于DK73+520～XDK73+490里程段多次揭露了不規則巖溶發育,且多表現為半充填溶洞或全充填巖溶,充填物為角礫土、粉質黏土及石灰巖全風化(見圖13)。該段圍巖含水量整體較小,巖溶最大尺度達5 m×3.2 m×1.8 m。預報段內開挖揭示的掌子面圍巖狀況及巖溶發育情況與TSP和TEM綜合預報結論整體對應良好。

圖13 可溶巖段開挖揭示掌子面情況Fig.13 Excavation of the soluble rock tunnel face

4 結論

針對某高速鐵路風險圍巖隧道的不良地質特征,利用TSP和TEM兩種方法結合開展超前地質綜合預報,預報取得了良好的工程應用效果,結論如下。

(1)開展超前地質預報探測前需充分掌握隧道工程地質及施工狀況,針對風險圍巖隧道潛在的不良地質體,應選用合適的技術方法開展綜合預報,以提高預報結論的準確度和可靠度。

(2)TSP可對掌子面前方圍巖狀況進行遠距離宏觀預測,但難以對地下水和巖溶開展定量分析;TSP成果解譯時,應充分結合偏移剖面和波速曲線特征,數據質量較差或處理過程中的主觀因素會造成震波圖不相符。

(3)TEM對地下水預報相對敏感,但難以直接反映巖溶,對于含水量不大的巖溶或溶洞預報時,應具體分析圍巖地質特征及開挖揭示情況,并結合其他預報方法綜合分析得出結論。TEM預報存在“淺部盲區”,且邊界效應容易導致低阻假異常,分析時需注意區分。