TGP206在下穿水库段隧道地质超前预报中的应用

韩立志

(中国铁建股份有限公司华北区域总部，河北 石家庄 050011)

0 引 言

近年来，随着中国综合国力的快速提升和交通设施建设规模的不断扩大，隧道工程的建设随之迅猛发展。隧道作为交通建设项目的控制性工程，关系到施工的进度和质量，在交通工程建设中发挥着重要的作用。中国隧道工程的建设正朝着长隧道、大断面的方向发展，并且随着交通网的不断完善，在复杂地质条件地区将会修建更多的隧道。这给隧道建设者提出了更高的技术要求，如何保证隧道施工安全，是复杂地质条件下隧道施工面临的主要问题。通过隧道地质超前预报可以较准确地预测掌子面前方的地质情况，有效地减少地质灾害。隧道地质超前预报主要分为长距离和短距离两类[1]。长距离预报主要包括地质调查法、TSP地震预报法[2]等，短距离预报主要有地质雷达法等。隧道地质超前预报已经引起国内学者的广泛关注[3-5]。陈中学等[6]针对岩溶地区隧道施工的各种地质灾害，对TGP隧道超前地质预报系统进行了研究，对八台山隧道进口避难通道进行了超前预报，在分析了波速、反射界面后，发现掌子面后方存在溶洞。高文工等[7]结合工程实例，在研究地震反射波、地质雷达、红外探水3种地质预报方法工作原理的基础上，分析了每种方法在隧道涌水灾害中的应用，结果证明，采用综合超前地质预报所得的结果更接近实际情况。李天斌等[8]分析介质物性差异并比较各种隧道超前预报方法，提出一个隧道综合预报原则，并针对5种不良地质情况建立了综合评价体系，最后实践表明，预测结果的准确率达到80%。

突水突泥致灾构造是由地质体构成、具有突水突泥致灾性、蓄积地下水的空隙系统[9]。隧道存在于岩土体中，如果隧道周围地下水发育或降水量大，地表有水库等水源补给，并且岩石裂隙或岩溶发育，会使隧道周围地下水赋存量较大，若不注意采取安全措施，在隧道开挖过程中极易导致突水突泥灾害发生[10-12]，给隧道的施工带来严重问题。因此，在隧道施工开始时，选择合理的地质超前预报手段和方法，对隧道沿线掌子面前方的地质体进行超前地质预报，最大限度探测到隧道沿线掌子面前方存在的各种不良地质体，不仅可以指导隧道开挖施工，降低隧道地质灾害的发生概率，减少人员伤亡，保证工程施工进度，还可以在隧道开挖前对不良地质体预先采取防范措施，有效避免严重地质灾害[13]。本文基于岩体裂隙发育地段隧道下穿水库工程实例，采用TGP超前地质预报的方法，对掌子面前方的地质情况进行探测，分析探测结果和不良地质类型的判别，为类似的下穿水库特殊区段的隧道工程施工提供参考。研究成果对保证隧道的安全施工具有重要的现实意义。

1 工程概况

本文依托的隧道工程是商合杭高速铁路施工的控制性工程。隧道设计全长3 354 m，其中Ⅲ级围岩542 m，Ⅳ级围岩893 m，Ⅴ级围岩1 919 m。最小埋深仅为6.93 m，地质条件复杂，施工难度大，技术要求高。该隧道地理位置及实地照片如图1所示。

图1 隧道工程

根据隧道的实际地质情况采取了六步CD法及三台阶开挖方法进行施工，同时打设洞身长管棚并改移洞身上方公路，安全渡过下穿水库地段。在该隧道的4号洞口上方地表有处水库，隧道洞身浅埋，洞口处洞身的围岩为灰岩、微晶灰岩夹砂质泥岩、泥质砂岩，弱风化，岩石软硬相间，岩溶和岩溶水较发育，地下水主要为岩溶水，洞身地下水与隧道上部水库地表水基本连通，预测最大单位涌水量为1.58 m3·d-1·m-1，可能存在溶洞、岩溶和岩溶水导致的突水突泥灾害。隧道沿线桩号K450+090附近为灰岩与灰白色石英砂质分界线。隧道洞口到岩性分界线之间的围岩为灰白色石英砂质，石英砾岩夹泥岩、泥质砂岩弱风化，岩性软硬相间。洞口段隧道岩性分界线以内岩性为灰岩，洞身附近有可能存在溶洞，岩性分界线附近岩体的裂隙发育。水库下方隧道施工采用三台阶临时仰拱法。隧道地质纵剖面如图2所示。

图2 隧道地质纵剖面

2 TGP地质超前预报技术

2.1 TGP地质超前预报的基本原理

TGP隧道地质超前预报系统的主要组成部分包括TGP206型仪器主机、接收传感器、激发装置、电缆等。隧道工程的地震波是在全三维环境下传播的，相对于一般的地面上平面半无限空间条件，地震波在这种条件下的传播要复杂得多。如果隧道工程地质预报仅仅采用单一模态的地震波，很难准确预测前方地质情况，得到的结果实用价值不大。TGP系统强化采集隧道地震波的多波列信息，综合分析利用地震波的多波列震相信息，使超前预报功能明显得到增强[14]，预测的地质情况更加准确。

图3 TGP隧道地质超前预报的工作原理

TGP隧道地质超前预报技术的工作原理是，利用少量炸药产生的在隧道围岩内以排列方式激发的弹性波，使之在岩石的三维空间传播，当这种球面波遇到岩体弹性阻抗界面时(如地质岩性变化的界面、破裂面、构造破碎带、溶洞和岩溶发育带等缺陷)时，就会反射产生一个弹性波。同时，预先埋置在隧道围岩内的高灵敏度的地震检波装置可接收到这种反射信号。

TGP的探测数据处理首先计算纵波的传播速度Vp。

Vp=X/T

(1)

式中：X为爆破孔与传感器之间的距离(m)；T为直达纵波的传播时间(s)。

根据地震波传播速度，就可以通过测得的反射波传播时间和式(1)计算的纵波传播速度，推导出反射界面与接收器的距离以及反射界面与掌子面的距离，计算公式如下。

(2)

式中：t为反射波的传播时间(s)；X1为爆破孔与反射界面之间的距离(m)；X2为传感器与反射界面之间的距离(m)。

2.2 采集数据成果解释的原则

现场采集的数据通过TGP地质预报系统配套的TGPwin2.0软件进行处理和分析。TGP206隧道超前地质预报的工作原理(图3)与TSP203基本相同，对探测资料的分析主要有以下几个原则[15]。

(1)探测结果的分析以纵波(P波)资料为主，横波(Sh、Sv波)资料为辅；以激发孔同侧(接收器1)的资料为主，对侧为辅。

(2)隧道前方不良地质位置判断以纵波(P波)资料为主，横波(Sh、Sv波)资料为辅。

(3)负反射能量条带表明不良地质段的岩体相对软弱或破碎风化。

(4)如果横波(Sh、Sv波)反射能量明显比纵波(P波)反射能量强，则说明此处为饱水的泥质岩石或岩溶洞穴。

3 TGP系统探测下穿水库隧道地质实例

3.1 数据采集

在本文研究的隧道右壁靠近掌子面的同一侧，距掌子面10 m，布置第一个激发孔，然后沿同一直线向外布设24个相邻间隔1.5～2 m的激发孔，孔深2 m，接收孔向内略向下倾5°～10°。在距最外端激发孔20 m的隧道洞壁布设孔深为2 m的1号接收孔，与激发孔高度一致，在洞壁另一侧对称布设2号接收孔。将TGP206系统的主机与接收孔内的接收传感器相连，在每个激发孔中安装扎有回路电线的乳化炸药并灌满水，然后从洞内向外依次引爆乳化炸药以发射信号，同时通过主机采集接收器收到的信息。

3.2 预报成果解释

本次TGP超前预报的范围为该隧道的DK450+150～DK450+000地段，掌子面桩号为DK450+150。在对探测成果的解释中，以P波的相关资料为主进行地质情况和岩性识别。经过数据分析得到深度偏移(图4)、同侧综合成果预报(图5)。

图4 深度偏移

根据有关资料对探测结果进行分析，如图4、5所示，解释成果如下。

由图4、5可知，DK450+150～DK450+100的岩体纵波反射较明显，纵波波速较小，横波S反射比P波强，表明该段岩层地下水含量大，且存在软弱地质体。由图5可知，在DK450+120～DK450+100区段有负反射振幅，表明存在软弱岩层。由图4所示的同侧纵波绕射成像相干幅度纵剖面可以看到，水平切面与垂直切面在 DK450+120附近有比较明显的负反射带，并且基本上已经连通，说明该处岩体较软弱，围岩内存在相对软弱的不良地质体或岩溶发育风化严重，且掌子面贯通[16]。在图5中，反射界面俯视图在DK450+124和DK450+102附近分别有一个比较粗的反射界面(负反射振幅)，说明围岩在该位置存在较发育的节理裂隙或软弱夹层，且俯倾角较大，在施工中容易出现岩体滑落事故[17]。该处的不良地质体与隧道左侧的洞壁相交较早，不良地质体左侧的构造先于右侧露出来。从图5中的比速度曲线可以看到，后方岩体波速与前方岩体波速的比值在DK450+124附近降低，岩体裂隙密度增加，表明该位置后方存在软弱岩体，波速下降。

围岩在DK450+120和DK450+100之间有多组反射界面存在，节理裂隙发育，岩体破碎，成为地下水流向隧道的通道，隧道开挖至此有涌水的可能。经过分析可知，在DK450+120～DK450+100之间存在负反射，围岩存在不良地质体，且范围较大，将会对隧道施工产生较大影响。不良地质体位于隧道横断面的左侧，该处隧道埋深较小，且在水库的下方，地质条件复杂，有岩溶、岩溶水存在的可能性，推测隧道在该位置施工时有渗水、漏水甚至突水的可能[18]。

图5 同侧综合成果预报

由图5可知，围岩岩性在DK450+100之后逐渐转好，同侧纵波相干幅度纵剖面几乎没有负反射界面，俯视图中反射界面减少，以及切片图中隧道周围基本呈均匀的淡绿色，都说明了在DK450+100之后隧道围岩的等级较高，没有不良地质体[19]，施工相对较安全。根据预报成果推断的结果如表1所示。

表1 TGP系统预报成果解释

3.3 超前预报成果与实际开挖对比

在商合杭高速铁路某下穿水库隧道进口段的实际开挖过程中，里程桩号为DK450+150～DK450+000之间的岩体性质及地质情况与TGP地质预报的预测结果基本一致。在DK450+150～DK450+124区段隧道开挖时， 岩性为青灰色中厚层灰岩，局部夹杂碳质页岩，局部岩溶发育，表现为局部滴水。DK450+124～DK450+102之间的岩体与探测分析的结果基本一致，洞身为灰岩，微晶灰岩夹砂质泥岩、泥质砂岩弱风化，岩石软硬相间，岩溶、岩溶水发育。在DK450+125附近施工时，在隧道洞身的左侧洞壁发现一个倾斜向上、直径约1 m的溶洞，并且洞内不断向外滴水，可能与地表的水库相连通。在DK450+124之后的隧道开挖施工中，岩性基本为中厚层灰岩，局部存在渗水，无不良地质体。

4 结 语

使用TGP 超前地质预报系统对商合杭高速铁路某下穿水库隧道行了预报，将预报成果与实际开挖的地质情况对比，发现预测效果比较理想，主要得出以下结论。

(1)TGP隧道地质超前预报系统探测隧道地质的精确度较高，基本能预测到掌子面前方的地质情况，并且预测距离最远达到200 m。

(2)通过隧道地质超前预报可以准确掌握掌子面前方地质情况和不良地质体位置，提前采取防治措施，有效地减少隧道施工地质灾害，避免人员伤亡。

(3)在TGP的探测资料分析方面，需要有大量的实践经验和理论知识，才能通过图像准确地预测隧道掌子面前方的围岩情况。

(4)有些地方的地质条件特别复杂，根据TGP预报的资料上很难准确分析出实际的地质状况，需借助其他地质超前预报手段，将各种探测手段的优势互补，才能准确地预测前方地质情况。