黄 凯 黄汉义
(中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430050)
随着我国“一带一路”建设倡议的实施,更多的隧道工程在国外修建,其中,隧道地震波超前预报技术(以下简称TGP技术)凭借其探测距离长、精度高等优势,在复杂地质隧道工程中得到了广泛的应用。在以往相关研究中,高峰等[1-6]对TGP技术在突水突泥、岩溶地层隧道中的应用进行了研究;朱炯等[7]对TGP技术在川西公路隧道中的应用进行了研究;刘云祯[8-10]等通过将TGP技术与其他超前地质预报方法进行对比,对其在超前地质预报中的特点、优势进行了分析。由上述可知,以往相关研究多集中在TGP技术在岩溶隧道中的应用及其与其他地质预报技术的对比方面,对于TGP技术在富水断层破碎带地层隧道中的应用研究甚少。本文拟依托Battal隧道工程,总结出一套TGP技术在断层、地下水丰富地层隧道中的应用方法,并分析其应用特点,以期为类似工程提供借鉴。
TGP技术主要是利用地震反射波原理,通过在隧道内以排列方式激发地震波,地震波遇到不同声阻抗界面(即地质岩性变化界面、岩溶、断层破碎带等)会产生不同地震反射波,通过预先埋置在隧道内的检波器将这些反射波接收,经过后期处理系统进行数据处理,同时结合已有地质资料,实现对隧道前方地质的推断。地震波震源为在隧道边墙一侧沿直线布置的24个炮孔,炮孔埋有小药量炸药。地震波接收为三分量采集的模式,接收探头布置在与炮孔等高程的洞壁钻孔中,左右壁各布置1个。当地震波遇到声阻抗差异的界面时,一部分穿越岩体继续传播,一部分被反射回来,被隧道内的检波器接收。TGP技术应贯穿于施工的全过程,通过无间断资料的对比,以提高超前地质预报的准确性。TGP超前地质预报工作原理示意图见图1。
图1 TGP超前地质预报工作原理示意图
TGP技术操作主要分3个方面:①对掌子面和测线布置段的岩体进行地质描述,通过选择岩体相对完整的地段进行接收孔布置,记录隧道掌子面、激发器炮孔、检波器接收孔的里程;②布设炸药卷,定向布设检波器,并结合隧道岩性进行采集参数的选择,选择的采样点数能确保地震记录的长度不小于300~400 ms;③进行地震波数据的采集,并在确定数据合格后结束检测,TGP技术现场操作示意图见图2。
图2 TGP技术现场操作示意图
Battal隧道位于巴基斯坦北部,是中巴经济走廊Islamabad至Raikot段公路工程的重要组成部分,隧道进口里程桩号K144+874,出口里程桩号K147+780,长2 906.0 m,最大埋深358.70 m。
根据勘察资料和现场地质调查成果,隧址区山体斜坡上局部表层覆盖第四系全新统残坡积物(Q4el+dl),岩性为粉砂、粉质黏土、碎石,下伏基岩主要为晚元古代(Pt2)片岩、片麻岩。隧址区位于印度版块与喜马拉雅版块结合带南侧边缘,构造挤压强烈,小型褶皱发育,岩体较为破碎。经地调复核及1∶2000 工程地质调绘,隧址区发现有断层破碎带F4、F5、F6、F7、F8、F9通过。隧址区地表水补给主要为山间溪流、大气降水,地下水主要为基岩裂隙水,地下水丰富。
本工程主要对Battal隧道出口(K147+360-K147+210)进行TGP技术超前地质预报,现场各测试孔位布置图见图3。隧道掌子面(K147+360)地质状况见图4,为中风化片麻岩,岩质坚硬,节理、裂隙较发育,掌子面拱顶有点滴状裂隙水流出,围岩级别为IV级。
图3 现场TGP各测试孔位布置图(单位:m)
图4 里程K147+360处掌子面照片及素描图
本次检测采用三分量速度型检波器,采集触发方式采用闭合回路断开式。设24个激发孔,均设置于隧道右壁;分别在隧道左、右壁各设1个接收孔。为获得准确的解释成果,提高预报成果的精度和准确性,TGP预报在实际探测中采取以下措施:①爆破施工时暂停隧道内可能产生振动的工作;②震源部位的炸药安装应与钻孔紧密接触,并将炮孔注满水;③检测器应推动孔底,采用黄油与隧道耦合,同时采用高吸声衰减材料将接收孔封堵;④采集过程中,如遇漏炮或未触发情况,应进行补炮。
TGP技术数据处理流程主要为以下4个步骤:①建立观测系统,核对接收点、激发点的实际位置;②振幅调整,保证地震波振幅均衡;③初至拾取,并提取纵、横波波速;④纵、横波分离,并分别生成纵、横波偏移成像图,纵、横波速度与反射界面图,处理流程图见图5。
图5 TGP技术数据处理流程图
地震波三分量原始记录图见图6。
图6 地震波三分量原始记录图
由图6可知,X,Y,Z分量直达波明显,纵、横波分明,数据可靠性较高,可进行下一步研究。
纵、横波偏移量图、反射界面俯、侧视图、比速度及反射符号分布图见图7~11。
图7 纵波绕射偏移图
图8 横波绕射偏移图
图9 反射界面俯视图
图10 反射界面测视图
图11 比速度及反射符号分布图
从反射界面图及比速度图中看,预报段K147+345-K147+280反射面密集分布,其余段落总体较稀疏,纵波速度在K147+345-K147+330段出现爬升,而后在K147+330-K147+305连续下降,在K147+305-K147+280段连续爬升,在K147+280-K147+210维持稳定;横波速度整体变化较小,在K147+330-K147+310段出现小幅震荡。结合现场地质调查结果,推测K147+360-K147+210段工程地质及水文地质条件如下。
K147+360-K147+345,该段围岩地震波无明显反射面、纵波及横波速度较量测段无明显变化,推测该段围岩较掌子面无明显变化,仍为中风化片麻岩,围岩较破碎,稳定性较好,裂隙水不发育。
K147+345-K147+330,该段纵波速度出现爬升,横波速度无明显变化,推测该段围岩为中风化片麻岩,局部稍破碎,稳定性一般,存在少量裂隙水。
K147+330-K147+305,该段围岩反射界面较密集,纵波速度连续下降,横波速度在K147+330-K147+310段出现波动,推测该段围岩为强风化片麻岩,岩质较软,节理、裂隙密集发育,结构面间黏结较差,围岩极破碎,裂隙水较发育,开挖过程呈股状流出,围岩稳定性较差,拱部易出现坍塌。
K147+305-K147+280,该段围岩纵波速度缓慢爬升,横波速度较均匀,无明显变化,推测该段围岩为中风化片麻岩,围岩破碎,稳定性一般,存在少量裂隙水。
K147+280-K147+240,该段围岩纵波速度及横波速度较均匀,无明显变化,推测该段围岩为中风化片麻岩,围岩较破碎,稳定性一般,存在少量裂隙水。
K147+240-K147+210,该段围岩纵波速度及横波速度较均匀,无明显变化,推测该段围岩为中风化片麻岩,围岩较破碎,稳定性较好,裂隙水不发育。
结合勘察设计资料及现场地质观察,综合分析本预报结论见表1。K147+360-K147+330、K147+280-K147+240、K147+240-K147+210围岩为中风化片麻岩,较破碎,稳定性一般,施工时拱顶部及侧面岩石易出现局部掉块或小型塌落,应适当控制单循环进尺,小药量爆破。K147+330-K147+280,尤其是K147+330-K147+305围岩为强风化片麻岩,岩质较软,节理、裂隙密集发育,围岩极破碎,裂隙水较发育,稳定性差,拱部易出现坍塌现象,施工应加强超前支护质量控制,并适当减小单循环进尺、小药量爆破,必要情况下应调整开挖方法。开挖过程中可能存在股状裂隙水流出,应加强洞内施工排水,避免洞内积水。
为验证本次预报的准确性,对隧道开挖后的掌子面围岩情况进行了持续跟踪,并将其与预报情况进行了对比(见表1)。其中,里程K147+318处开挖揭示照片(见图12a)显示,拱顶裂隙水呈股状流出,水量较大,已在开挖面形成积水,按围岩级别划分属于V级围岩;里程K147+248处开挖揭示照片(见图12b)显示,围岩较破碎,拱顶有点滴状裂隙水,并不明显,按围岩级别划分属于IV级围岩;里程K147+218处开挖揭示照片(见图12c)显示,围岩较完整,掌子面较干燥,无裂隙水流出,按围岩级别划分属于IV级围岩[11]。
表1 Battal隧道里程K147+345-K147+280段TGP技术预报与实际开挖情况对比
图12 开挖揭示照片
总的来说,实际开挖情况与本次预报结论接近,无法检测出K147+318处水压及涌水量,需配合其他检测手段进行隧道涌水量的预报。
1) TGP技术应严格按照TGP工作要求进行数据采集。本研究三分量原始记录直达波明显,纵、横波分明,数据可靠性较高,为下一步研究提供了良好基础。
2) 应用TGP技术进行地质预报时,当反馈数据显示围岩反射界面较密集,纵波速度连续下降时,多表现为围岩破碎,裂隙水较发育,隧道开挖应及时进行初期支护,避免拱顶掉块、坍塌现象。
3) 本工程开挖后掌子面地质情况证明,TGP技术对断层破碎带地层岩性能可进行比较准确地划分,但对于地下水丰富的地层,因GTP技术无法预测水压及涌水量,隧道开挖应同时配合其他检测手段进行隧道涌水量的预报。