TGP与地质雷达在铁路隧道超前地质预报中的综合应用

李晓渭

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

目前,TSP地震预报、地质雷达(GPR)、红外探水、超前水平钻探等方法已在我国隧道工程中被广泛应用[1-2]。某铁路隧道全长3940.186 m,位于低中山区,地形高低起伏。隧道地层岩性由新到老主要为第四系全新统坡积块石土、冲洪积漂石土、泥盆系中统片岩、变质砂岩、大理岩、片岩夹大理岩、华力西期闪长岩,节理发育,地层岩性变化较大,隧址有F4断层经过,在断层带与大理岩岩性接触带区域是围岩节理裂隙密集带,为地下水的运移提供了通道。该区域可能存在岩体坍塌掉块、突涌水、岩溶等不良地质灾害。

对该隧道出口处进行预报。根据地质资料、地质调查及设计资料发现,该区段地质构造为闪长岩与大理岩夹片岩的不整合接触带,岩体破碎,富水,以裂隙水及碳酸岩岩溶水为主。由隧道设计纵断面图(见图1)发现,该段落埋深100 m左右且山体上有较大地表径流沟谷存在,岩性接触带的分界线穿过沟底,设计围岩等级为Ⅴ级,初步分析该段落可能出现坍塌、突涌水及岩溶现象,需密切观察水质及水量变化,提前做好施工安排,预防不良地质灾害的发生。

图1 隧道纵断面Fig.1 Tunnel profile

1 数据采集

1.1 TGP超前预报数据采集

根据已开挖的隧道地质情况,对炮孔及接收孔进行选址。炮孔及接收孔尽量选择在岩体相对完整、没有洞室开挖的一侧壁进行布设,布设要求第一个炮孔距离隧道掌子面3～5 m,背向掌子面方向间隔1.5～2.0 m垂直隧道轴向依次布设24个炮孔,炮孔尽量布设在同一标高上,孔深2.0 m略向下倾斜,确保可以用水来封孔起到耦合作用。接收器孔布设在距离最后一个炮孔20～30 m处,在两侧壁的同一里程断面垂直隧道轴向分别布设1个,孔深2.0 m略向上倾斜并与炮孔布设在同一标高上,接收孔内需清理干净,避免接收探头难以放入,影响耦合效果。检查炮孔及接收孔符合要求后,在每个炮孔内放入事先准备好的炸药(一支瞬发电雷管+100 g左右的乳化炸药),用水封孔,完成仪器的安装及调试,通知准备依次进行微震爆破,采集现场数据。

1.2 地质雷达(GPR)超前预报数据采集

采用地质雷达探测时,根据现场开挖工艺进行测线布设。掌子面一般布设两条测线,若现场需要可布设成“井”字型或网格形式。测线布设完成后,通过现场试验测试,选取合适的天线工作参数,条件允许时探测宜采用连续测量方式,测线布设要尽量长,以获取更多数据。现场数据采集时,工作场所环境较复杂,干扰较多,要时刻注意数据采集质量是否满足要求,确保采集数据的真实有效,便于后期数据分析处理[3]。

2 预报数据处理与成果解译

2.1 TGP预报数据处理与成果解译

按照软件处理流程对隧道出口处的原始数据进行分析处理,数据分析后得到的图形有地震波三分量原始记录(见图2)、TGP综合地质预报成果(见图3)、岩体比速度参数成果(见图4)、三维纵波绕射横断面扫描(见图5)。

图2 地震波三分量原始记录Fig.2 Original three-component record of seismic waves

图3 TGP综合地质预报成果Fig.3 Results of TGP comprehensive geological forecast

图4 岩体比速度参数成果Fig.4 Results of rock mass specific velocity parameters

图5 三维纵波绕射横断面扫描Fig.5 Three-dimensional longitudinal wave diffraction cross section scanning

以预报段落的地质资料为依据,根据TGP数据解译原则对图2～图5进行解译分析。可将预报里程段隧道围岩划分为以下3个地质单元:A段,长度26 m;B段,长度30 m;C段,长度44 m。

对各地质单元的详细推断与建议如下:

1)A段,长度26 m。开挖揭示掌子面围岩岩性为闪长岩,预报段估算岩体速度与炮孔实测段岩体速度相当,反映预报段围岩岩体性质与炮孔段岩体性质基本一致,节理裂隙较发育,围岩较破碎,局部有掉块现象。建议按照现有施工参数进行施工,围岩等级为Ⅳ级。

2)B段,长度30 m。由地质资料得知,该段岩性为大理岩夹片岩,结合预报成果可以得出以下结论:综合地质预报成果在该区段纵波横波速均明显减小,尤其在20 m处时纵横波速迅速降低,存在比较粗的蓝色负反射条带,反射界在此处比较集中。三维横断面扫描显示从起点处,纵波绕射横断面切片蓝色负反射条带呈不完整圆圈出现,沿着隧道轴向,蓝色负反射条带向隧道洞身靠近,在24 m处的断面切片隧道洞身附近都变成蓝色,推断在该处隧道节理裂隙发育,围岩破碎,围岩稳定性差,可能有裂隙水发育。施工中谨防拱顶坍塌及突涌水现象发生,提前做好排水及加强支护。建议围岩等级为Ⅴ级。

3)C段,长度44 m。由估算岩体速度曲线可以看出,波速估计值较前段减小,但纵横波速恒定不变,推测该段围岩由于岩性发生变化,波速较测量段降低,反射面减少,围岩均一,节理裂隙较发育,围岩较破碎,由于还处于岩性接触带影响范围内,建议围岩等级为Ⅳ级。

2.2 地质雷达(GPR)预报数据处理与成果解译

由于地质雷达采集现场一般环境比较复杂,采集到的地质雷达信号存在较多的干扰信号,也存在采集时天线移动难以保证匀速、记录标记不均匀等现象,为了消除记录不均匀现象及干扰信号对图像解译的影响,采用RADAN软件,通过标记的归一化、确定地面反射波信号位置、信号振幅自动增益调整、水平与垂直滤波、背景消除、反褶积等处理手段消除干扰,突出有用信号,输出雷达实时波形剖面。

预报采用美国GSSI公司的SIR-3000型地质雷达,沿掌子面自左向右连续测量,在掌子面平整度较差时采取加密点测的方式,通过软件处理得到隧道出口处的地质雷达探测反射波形(见图6)及单点反射波形(见图7)。

图6 隧道出口地质雷达探测反射波形Fig.6 Geological radar detection of reflection waveform of the tunnel exit

图7 隧道出口地质雷达单点反射波形Fig.7 GRADar single point reflection waveform of the tunnel exit

根据地质雷达探测得到的反射波形,结合预报段落地质资料及TSP超前地质预报报告,本次探测成果解译为:掌子面雷达反射波形前方3 m范围内出现强振幅波形,代表雷达波直达波及掌子面前方3 m范围爆破造成的振动松弛区,掌子面前方8～20 m,雷达波波幅及相位变化较大,电磁波频率高,同向轴错断,波形不光滑,毛刺较多,衰减较快,说明围岩处于接触带分界线位置,围岩节理裂隙发育,围岩破碎,裂隙水发育,围岩稳定性差,容易出现坍塌、突涌水现象。在施工中应注意防止坍塌、涌水情况的发生。建议围岩级别按照V级加强进行支护、超前支护与二衬紧跟的方式施工,避免发生事故。在掌子面前方20～25 m,由于电磁波能量的衰减较多,后面波形参考意义不大。

3 超前预报成果的验证对比

根据超前地质预报成果,在隧道掌子面开挖时,采用超前水平钻探对预报里程段的不良地质体进行探测,在钻机向前钻进过程中发现钻进速度不均匀,有混浊的裂隙水顺钻孔流出,当钻进到31 m附近时,水量变大,退出钻机,有一定压力的裂隙水从钻孔喷出,通过排水泄压后采取短掘进、弱爆破开挖,当掌子面开挖到32 m时,掌子面岩体节理发育,围岩破碎,稳定性差,不断有岩块掉落,有较大裂隙水流出(见图8)。

图8 隧道出口掌子面裂隙水发育Fig.8 Water development of tunnel outlet metacarpal surface fissure

通过TGP与GPR物探技术相结合的方法,掌子面前方100 m范围围岩地质情况预报结果与实际开挖基本吻合。

4 结束语

在隧道出口地质超前预报工作中,以预报段地质资料为依据,通过TSP与GPR长短距离相结合的预报方法,对隧道掌子面前方围岩工程地质情况有了比较准确的掌握,对后续隧道施工参数与工艺的选取有一定的指导意义, 有效控制了地质灾害的发生。任何一种预报方法都不可能做到准确无误,需不断学习、不断积累、不断探索,以实现高精度、高水平的超前地质预报。