TSP结合TEM在风险围岩隧道超前地质预报中的应用

林 川

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300251)

引言

随着我国高速铁路网规模的不断扩大,铁路隧道工程数量逐渐增多,而隧道工程作为铁路建设的重要环节,其面临的工程及水文地质条件较为复杂[1]。开展隧道勘察时,常因地理条件、技术手段应用受限等多方面因素,造成设计资料与隧道实际开挖揭示多有出入[2-3]。因此,在隧道施工过程中选用合适的技术开展超前地质预报,对指导隧道的安全开挖掘进至关重要[4-6]。

目前,已有较多学者开展了隧道超前地质预报的工程应用研究,邵珠山等全面分析各种超前预报方法的优缺点,并强调了开展综合预报的必要性[7];牟元存等通过大量超前预报应用实例总结了开展TSP预报判定隧道开挖面前方不良地质体的适用性[8-9];XU等利用TSP-SK系统对隧道工作面前方围岩破碎程度及富水状况进行探测,表明通过改善TSP测量装置以及确定合适的处理参数可提升预报成果的准确度[10];张子强在对隧道富水、岩溶及注浆效果检测的预报中,总结TEM方法在隧道内开展探测的应用特点和优势[11];董晋采用综合物探方法在复杂富水隧道开展的预报,归纳总结了多种探测成果结合分析预报的解译原则[12];王伟等通过分析各方法对应的相关物性参数的变化进行预报结论分析[13];蔡盛通过对断层和岩溶开展的综合预报工作,归纳了超前地质预报的成套技术与经验,并总结了长、短距离结合预报和开展三维空间预报的优势[14]。CHEN等利用TSP、TEM等多种探测手段重点对隧道断层及其富水状态做出了精准预报,并强调超前预报探测前充分掌握隧道工程地质状况以及开展地表调查的重要性[15];菅永明等对隧道富水及岩溶开展综合预报,通过两种及多种方法探测成果的联合对比分析得出预报结论[16-17]。

以下针对某高速铁路风险围岩隧道浅埋段和可溶岩段的围岩特征,结合勘察地质资料和隧道施工状况,选用TSP和TEM两种方法结合开展中远距离预报。通过TSP的宏观预测以及TEM在隧道内的多角度、多方位测量,综合预报分析隧道掌子面前方围岩的工程及水文地质状况,以期为隧道施工提供安全保障。

1 工程概况

1.1 浅埋段隧道

某高速铁路隧道位于吉林省通化市三棵榆树镇,隧道正洞最大埋深约172 m,最小埋深约22 m。根据区域地质资料,该隧址区构造单元处于中朝准地台、辽东台隆、铁岭—靖宇台拱的龙岗断块,以及浑江陷褶断束的桓仁台穹与浑江上游凹褶断束相接地带[18]。隧址区属低山丘陵地貌,地表植被覆盖良好,主要为松木及伴生茂密的灌木丛。隧道地表山脊主要呈北东-南西向展布,地势东高西低,山势陡峻,冲沟较发育。

隧址区地层分布由新至老有第四系全新统坡残积粉质黏土及粗角砾土,白垩系下统安山岩及侏罗系上统砂岩、页岩、凝灰质砂岩。该浅埋段及附近围岩段落主要为安山岩,围岩以Ⅴ级为主(见图1),段内岩体整体风化程度较高,围岩稳定性较差。隧址区地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水,地表调查资料显示,隧道进出口及正洞浅埋段汇水面积较大,丰水期可能为集中涌水地段。

图1 浅埋段隧道纵断面示意(单位：m)Fig.1 Vertical section of the shallow buried tunnel

1.2 可溶岩段隧道

该高速铁路另一隧道位于吉林省通化市大安镇,与1.1中所述隧道相距约72 km,其地质构造单元、地貌、地势及地表植被等大致相同。该隧道洞身穿越地层为震旦系上统万隆组的石灰岩及页岩,主要表现为石灰岩与页岩互层分布,呈整合接触。该隧址区地下水主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙潜水及岩溶裂隙水,主要受大气降水、地表水和积雪融水补给,以蒸发及地下径流的方式排泄。

勘察设计资料表明,该隧道正洞多个段落表现为物探异常区,预报可溶岩段在纵断面中设计有Ⅱ类物探异常,该段围岩主要以Ⅳ级和Ⅴ级为主(见图2),围岩整体稳定性较差,易发生掉块、塌方风险。该隧道出口在前期施工开挖过程中,曾揭示有小规模岩溶发育,多为无充填溶洞。

图2 可溶岩段隧道纵断面示意(单位：m)Fig.2 Vertical section of the soluble rock tunnel

2 方法原理及应用

2.1 TSP方法原理及应用

TSP(Tunnel Seismic Predication)即隧道地震波反射法,该方法是在弹性波理论的基础上研究地震波的传播规律。在均匀各向同性弹性介质中,地震纵、横波波速及泊松比可表示为

(1)

(2)

其中,Vp、Vs分别为纵波和横波波速;λ为拉梅系数;μ为剪切模量;ρ为岩石密度;σ为泊松比,由以上两式可得

(3)

综上可知,Vs主要由岩体的弹性力学性质决定,结合纵、横波速比Vp/Vs可反映岩体的围岩级别。岩石泊松比σ介于0～0.5之间。对于液体,σ=0.5,Vs不能在其中传播。

地震波传播过程遵循惠更斯-菲涅尔原理及费马定理,而TSP方法实质上应用的是地震负视速度法原理,该方法接收到的反射波与直达波在地震波形记录上呈负视速度关系。地震波传播发生绕射时,需通过绕射扫描叠加处理使反射波同相轴偏移归位,从而得到真实的反射界面位置。

TSP数据采集使用微量炸药爆破作为激发震源,激发出的地震波向掌子面前方传播遇到断层、岩溶、地下水等不良地质体时,因不良地质体与周围完整围岩的波阻抗差异,地震波会在波阻抗差异边界发生透射和反射,透射波能继续向前传播,而反射回来的波动信号会被高精度的三分量检波器接收(见图3)。TSP预报就是通过处理和分析反射回来的地震波信号,从而获得隧道开挖面前方围岩的工程地质状况及富水情况,包括判定不良地质体的性质、位置及大致规模。

图3 TSP探测原理示意Fig.3 TSP detection principle

TSP是常用的超前地质预报方法,目前该技术的应用及发展相对较为成熟。TSP可对隧道工作面前方的地质状况进行远距离宏观预测,对地下水、断层破碎带、岩溶暗河等不良围岩均能有所反映,但难以定量分析,其对细小不良地质体的分辨率也较低,容易漏报。TSP数据测量时易受现场噪声影响,资料处理分析过程的主观因素容易造成多解情况。实际工程应用中,需采用其他预报手段与TSP方法开展联合预报,以提升预报结论的准确度和可靠度。

TSP预报使用的设备型号为TSP-DB,利用地震波反射原理开展探测,其观测系统设计见表1。TSP数据处理包括：系统设置、预处理、滤波、初至拾取、能量均衡、反射波提取、波场分离、偏移成像、叠加处理等步骤,最终处理成果包含P波、SV波、SH波的偏移叠加剖面、速度谱、岩体物理力学参数及提取的反射层等。

表1 TSP-DB观测系统设计

2.2 TEM方法原理及应用

TEM(Time Electromagnetic Method)即瞬变电磁法,该方法是基于电磁感应原理,利用脉冲信号激发一次场来观测二次场信号,通过测量断电后的早、中、晚期高频到低频的衰减信号,以获得不同深度地质体的地电特征(见图4)。

图4 TEM探测原理示意Fig.4 TEM detection principle

TEM的电磁场是瞬变场,其服从热传导方程,即随时间的增加,该场向深处传播过程中逐渐向外扩散,俗称“烟圈”效应。“烟圈”的半径r、深度d计算式为

(4)

(5)

其中,a为发射线圈半径;σ为电导率;μ0为磁导率;c2=8/π-2。当发射线圈半径a相对于“烟圈”半径r很小时,tanθ=d/r≈1.07,θ≈47°,即“烟圈”将沿47°的倾斜锥面扩散,其向下传播的速度为

(6)

由式(6)可知,感应涡流扩散的速度与地质体的电导率和磁导率有关,导电性和导磁性越好扩散速度越慢,即能在更长的延时后仍能观测到瞬变电磁场。

不同于地表的半空间测量,在开挖掌子面附近可进行多角度、多方位测量(见图5)。由于隧道结构的特殊,TEM预报也有其特殊的数据处理、反演及成图方式[19-21]。开展TEM预报能够获得开挖面前方地质体的电阻率参数,从而可判定隧道掌子面前方围岩地层的富水情况,排查含水构造包括裂隙水、岩溶水等发育情况。

图5 TEM预报数据采集方式Fig.5 Data acquisition method of TEM

TEM方法在工程应用中的目的性较强,主要用于探查隧道前方围岩含水或岩溶发育情况。TEM预报适应于在高阻围岩中寻找低阻异常体,探测分辨率较高且不受地形影响,隧道内开展测量灵活方便,时效性较高。但TEM方法存在“浅层盲区”,即隧道掌子面附近一定范围内的围岩状况无法得到有效探测,并且开展TEM测量时易受隧道施工现场的各类电磁干扰。实际工程应用中,TEM预报成果需结合其他预报方法结论进行综合分析,从而进一步判定不良地质体的具体性质、分布范围及延伸规模。

TEM预报采用了一种基于等值反磁通(OCTEM)原理的HPTEM-18瞬变电磁仪[22],该设备采用上下平行共轴的两个相同线圈以等值反向电流作为发射源,在一次场零磁通平面上测量纯二次场,利用收发一体的小线圈测量方式,设备主要相关参数见表2。该设备具备消除激发和旁侧影响、耦合能量集中、横向分辨率较高的优势,且数据采集方便快捷,是隧道内开展中远距离预报探测的有效方法[23]。

表2 HPTEM-18瞬变电磁仪主要参数

3 预报成果分析及开挖验证

3.1 隧道浅埋段预报分析及验证

隧道正洞XDK0+275～XDK0+350里程段为相对浅埋段,平均埋深约29m。根据超前地质预报计划安排,在该隧道进口XDK0+256、XDK0+278里程开展了TSP和TEM超前预报探测。TSP预报里程范围为XDK0+256～XDK0+376,TEM预报里程范围为XDK0+278～XDK0+328。

图6(a)为TSP数据处理得到的P波、SV波、SH波偏移剖面,红、黑色分别表示正、负反射振幅,其颜色深浅代表振幅高低。图6(b)是综合三分量偏移剖面提取的反射层面,其线段粗细和散点密集程度对应了反射波振幅高低也反映了波阻抗差异大小。分析可知,XDK0+256～XDK0+376预报段内反射波分布明显,反射层面突出,主要集中在XDK0+262～XDK0+323段,该段振幅整体较高,体现了段落围岩岩性的变化差异较大。XDK0+262～XDK0+280段为掌子面附近围岩段,段内反射波振幅整体较低,但反射层面突出,说明该段岩体整体较完整,部分较破碎。XDK0+290～XDK0+312段的反射波振幅表现为正负相间分布,以负反射为主,且段内出现多组明显波阻抗界面,反映了该段围岩岩性变化更为明显,岩体破碎程度更大。其中XDK0+323、XDK0+334里程附近表现为正反射,但反射层面不突出,预报远端XDK0+356～XDK0+376段反射波振幅整体较低,反射层面不明显,均表明围岩较完整。

地震波速及岩石物性曲线见图7,段内纵、横波速整体起伏较大,其中有两处明显变化段落。XDK0+264～XDK0+284段纵波波速及岩石物性曲线均表现为先上升再降低,而横波速度起伏不大,说明隧道掌子面附近围岩整体相对较破碎,部分段落可能含水。XDK0+290～XDK0+312段纵波速度变化明显,整体呈下降趋势,横波速度明显下降,纵、横波速比有所上升,围岩泊松比变化不大,但岩体密度和杨氏模量均有降低,表明该段岩体破碎程度较大,围岩明显含水,与图6分析结论相对应。预报中后段波速和岩石物性变化整体较平稳,其中XDK0+322～XDK0+330段波速下降明显,岩体密度降低,可能为集中破碎带。

图7 XDK0+256～XDK0+376段地震波速及岩石物性曲线Fig.7 Seismic wave velocity and rock physical property curves of XDK0+256～XDK0+376

综合TSP解译分析成果,推测预报范围内XDK0+262～XDK0+323段围岩整体较破碎,节理裂隙整体较发育,其中XDK0+290～XDK0+312段(红色圈示)存在集中破碎带或节理密集带,地下水较为发育。

TEM预报成果见图8,XDK0+278～XDK0+328段围岩整体以中、低阻为主,其中低阻异常分布集中且异常面积较大,主要位于XDK0+288～XDK0+316段,偏隧道正线左侧,推测为疑似富水区(红色圈示)。图中掌子面附近表现出的低阻异常(并非集中富水区),而是由于TEM“浅部盲区”所致。图8(c)正前方围岩视电阻率分布表明XDK0+285～XDK0+292段为高、低阻的明显分界段,段内阻值圈闭明显,推测为节理密集带(黑色圈示),段内岩体较为破碎。图8(c)中正线左侧XDK0+298～XDK0+315段大面积低阻异常可能受边界效应影响,且该处测点数据稀疏,围岩阻值可靠度不高。

图8 XDK0+278～XDK0+328段围岩视电阻率分布Fig.8 Surrounding rock apparent resistivity distribution of XDK0+278～XDK0+328

分析TEM预报成果并结合该段TSP预报结论,综合推测隧道掌子面前方XDK0+288～XDK0+316段围岩含水可能性较大,其中XDK0+289附近岩体更为破碎,节理裂隙相对发育。由于该隧道浅埋段施工在丰水季节,故推测的围岩含水应为地表积水下渗所致,出水量整体不大但可能较为集中,因此,隧道开挖施工过程要及时加强支护,并做好围岩突水排查工作。

预报浅埋段实际开挖揭示的掌子面状况表明(见图9),在XDK0+288～XDK0+315里程段,围岩岩体为破碎-较破碎,节理裂隙发育,隧道开挖过程揭示了该段掌子面及周边岩体整体均较为湿润,并且在XDK0+305～XDK0+315段出水较集中,与TSP和TEM综合预报结论基本相对应。

图9 浅埋段开挖揭示掌子面Fig.9 Excavation of the shallow buried tunnel face

3.2 隧道可溶岩段预报分析及验证

该可溶岩隧道出口里程为XDK73+605,根据超前地质预报工作计划安排,于里程XDK73+530、XDK73+526开展了TSP和TEM超前预报探测。TSP预报里程范围为XDK73+530～XDK73+430,TEM预报里程范围为XDK73+526～XDK73+466。

从TSP偏移剖面及提取的反射层来看(见图10),XDK73+530～XDK73+430预报段内的反射波整体分布明显,反射振幅整体较高,但反射层面主要集中在XDK73+530～XDK73+488段。预报段内反射波以正反射为主,负反射集中分布于多段内,其中XDK73+514～XDK73+490段为正、负反射的集中段,段内反射界面突出,表明该段围岩变化较大,岩体差异较明显。其中XDK73+472～XDK73+464段、XDK73+446～XDK73+440段均表现为负反射,但反射振幅强度相对较弱,反射层面不突出,表明段内围岩相对破碎。

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

地震波速及岩石物性曲线见图11,纵波波速起伏主要在XDK73+514～XDK73+490段内,该段纵、横波速均表现为先升高再降低,物性曲线表现的起伏趋势也相近。结合图10分析,XDK73+514～XDK73+490段围岩岩性变化差异明显,岩体破碎程度较大,但段内含水可能性不大。此外,XDK73+480～XDK73+468段横波速度整体呈降低趋势,纵波速度平稳升高,但图10偏移剖面反映的横波主要以正反射为主,该段震波变化一致性较差,推测为人为主观因素所致,其反映的围岩状况整体可靠度不高。

图11 XDK73+530～XDK73+430段地震波速及岩石物性曲线Fig.11 Seismic wave velocity and rock physical property curves of XDK73+530～XDK73+430

依据勘察设计地质资料,并结合该隧道前期开挖过程中已多次揭示的岩溶现象,推测XDK73+514～XDK73+490段(红色圈示)围岩岩体整体较破碎,溶蚀裂隙整体较发育,段落内岩溶发育可能性较大。

分析XDK73+526～XDK73+466段围岩视电阻率分布,该段围岩整体表现为中、高阻,其中有2处较明显的相对低阻异常区域(见图12),分别为XDK73+520～XDK73+511段和XDK73+502～XDK73+488段(红色圈示)。前段低阻分布面积较小,后段低阻异常分布较大,且连接至隧道正线左侧(图12中为右侧),2处低阻异常圈闭均较为明显,等值线分布较密集。结合TSP分析结论并考虑该隧道先期开挖揭示情况,推测两段低阻异常区对应段落岩溶发育。此外,XDK73+495～XDK73+466段正线右侧大面积低阻区圈闭相对较弱,推测为假异常。

图12 XDK73+526～XDK73+466段围岩视电阻率分布(正前方)Fig.12 Surrounding rock apparent resistivity distribution of XDK73+526～XDK73+466 (Directly ahead)

根据TEM预报成果并结合该段TSP分析结论,综合推测XDK73+520～XDK73+488段围岩整体较破碎,溶蚀裂隙整体较发育。其中XDK73+520～XDK73+511段、XDK73+502～XDK73+488段为岩溶集中发育段落,围岩局部含水,掌子面开挖过程中应重点关注岩溶发育的具体位置和规模,及时加强初支工作并做好围岩掉块预防措施。

在施工开挖掘进过程中,于DK73+520～XDK73+490里程段多次揭露了不规则岩溶发育,且多表现为半充填溶洞或全充填岩溶,充填物为角砾土、粉质黏土及石灰岩全风化(见图13)。该段围岩含水量整体较小,岩溶最大尺度达5 m×3.2 m×1.8 m。预报段内开挖揭示的掌子面围岩状况及岩溶发育情况与TSP和TEM综合预报结论整体对应良好。

图13 可溶岩段开挖揭示掌子面情况Fig.13 Excavation of the soluble rock tunnel face

4 结论

针对某高速铁路风险围岩隧道的不良地质特征,利用TSP和TEM两种方法结合开展超前地质综合预报,预报取得了良好的工程应用效果,结论如下。

(1)开展超前地质预报探测前需充分掌握隧道工程地质及施工状况,针对风险围岩隧道潜在的不良地质体,应选用合适的技术方法开展综合预报,以提高预报结论的准确度和可靠度。

(2)TSP可对掌子面前方围岩状况进行远距离宏观预测,但难以对地下水和岩溶开展定量分析;TSP成果解译时,应充分结合偏移剖面和波速曲线特征,数据质量较差或处理过程中的主观因素会造成震波图不相符。

(3)TEM对地下水预报相对敏感,但难以直接反映岩溶,对于含水量不大的岩溶或溶洞预报时,应具体分析围岩地质特征及开挖揭示情况,并结合其他预报方法综合分析得出结论。TEM预报存在“浅部盲区”,且边界效应容易导致低阻假异常,分析时需注意区分。