1、.超前地質預報在歌樂山隧道施工中的應用 第19卷第1期2008年3月 地質災害與環境保護 JournalofGeologicalHazardsandEnvironmentPreservation Vol.19,No.1March 2008 文章編號:1006-4362(2008)01-0109-04 祝云華,劉新榮,黃明 (重慶大學土木工程學院,重慶400045) 隧道在施工中不可避免地會遇到諸如溶洞、突水、坍塌等常見的地質災害,為了將地質災害影摘要: 響程度降到最低,施工前進行超前地質預報是十分必要的。詳細介紹了TSP超前預測預報方法的原理,并以歌樂山隧道為例子,針對該隧道復雜的地質條件,施

2、工過程中采用超前預測預報和紅外線探測技術相結合,成功地預報了掌子面前方的地質信息以及隧道涌水情況,工。 關鍵詞:隧道;TSP;施工;超前地質預報 中圖分類號:P588.3;U452:1引言 隧道工程設計的基本依據是地質勘察資料,而隧道施工的依據主要是設計文件。大量的隧道工程建設實踐表明,由于地質勘察精度、經費等諸多條件的限制,根據地質勘察資料作出的設計與實際不符的情況屢有發生,如巖溶突水、軟弱圍巖大變形、塌方、沉陷、巖爆、瓦斯突出等,而這些災害性地質災害一旦發生,輕則影響施工進度,增加工程成本,重則損毀機械設備,甚至危及施工人員的生命,而且事故發生后的處理工作難度較大,因此給隧道施工帶來嚴重的

3、影響1。近幾年,隨著隧道工程數量的增加,規模的擴大,遇到的地質條件越來越復雜,這一問題變得更加突出。為了盡量避免和減少地下工程施工中可能出現的地質災害,在做好地質勘察的同時,采用工程地質方法和超前預報方法相結合,對地下工程前方的地質條件及時和準確地預測是防止施工中突發性災難、保證施工工期和施工質量的有效措施。 歌樂山隧道屬于渝懷高速公路建設中的一個控制性工程,地質條件比較復雜。根據工程地質勘察,該隧道在施工中存在巖溶涌水、斷層破碎帶界面和圍巖局部失穩的可能性。為了保障隧道施工的順利實施,減少可能出現的地質災害,在歌樂山隧道復雜地段施工過程中,采用地質調查和物探相結合的超 收稿日期:200720

4、7226改回日期:2007211220 前預測技術,取得了滿意的施工效果。 2TSP超前地質預報系統 TSP超前地質預報系統(TunnelSeismicPre2 dictionSystem),是由瑞士安伯格測量技術公司專 門為隧道及地下工程施工超前地質預報研制開發的,是目前國內外在這個領域最先進的科技成果,屬于地球物理探查方法的一種。它具有以下特點:適用范圍廣,即適用于極軟巖至極硬巖的任何地質情況,探測斷層、大的巖性界面等平直地質界面效果較好;預報距離長,理論上能預報掌子面前方500m,考慮地震波干擾等因素能準確預報掌子面前方100350m;對隧道施工干擾小,它只要求在接收信號時為減少噪音干擾

5、作短暫停工;探測時間短,一次完整的探測僅僅需要45min,加上探測前的準備工作和探測以后系統清除所用的時間也不過2h;節約投資費用,據國外隧道施工經驗估計,采用TSP法比不進行預報節省費用是全部工程的15%。由于以上等優點,TSP適合長期、長距離和復雜地質條件下超前預報24。2.1預報原理 TSP根據地震波的回波原理制成,人工制造一系列有規則排列的輕微震源,形成一個地震源斷面,同時, 三維地震波接收器在計算機的監控下采集這 110 地質災害與環境保護2008 年 些震源所發出地震波沿隧道前方及四周區域傳播而遇不良地質體(如地層層面、節理面,特別是斷層破碎帶界面和溶洞、暗河等)被反射返回的地震波

6、數據。這些回波信號的傳播速度、延遲時間、波形、強度和方向是與相應的不良地質體的性質和分布狀況緊密相關的。在一定間隔距離內連續多次采用上述方法,可以得到前方地層的地質力學參數,如楊氏模量和橫向變形系數等。現場工程技術人員結合相關的地質資料可以準確地預知前方及周圍地質變化狀況56。TSP測量原理見圖1 。 =1-rAi2v2+1v1 (4) 式中,Ai為入射波振幅;Ar,At為反射波和透射波 振幅;v1,v2為反射界面兩側介質的速度;1,2為反射界面兩側介質的密度;r為界面的反射系數。 當入射波振幅Ai一定時,反射波振幅Ar與反射系數r成正比,而反射系數與反射界面兩側介質的波阻抗v有關,且主要由界

7、面兩側介質的波阻抗差決定,波阻抗差的絕對值越大,則反射波振幅Ar就越大。當介質的波阻抗大于介質的波阻抗,即地震波從較為疏松的介質傳播到較為致密的介質時,反射系數r>0,此時,反射波振幅和入射波振幅的符號相同,反射波和入射波具有相同的極性;反之,如果地震波從較為致密的介質傳播到較為疏松的介質,此時反射系數r<0,則反射波振幅和入射波振幅符號相反,911。(面向掌子面)的同一水平 圖1TSPFig.1ofTSPGeology ForecastSystem 線上從外向里布置一個傳感器鉆孔和20個炮孔,傳 感器鉆孔距第一個炮孔20m,炮孔間距15m左右,炮孔高度1m,如圖2

8、所示 。 2.2TSP預報方法理論基礎 由微弱爆破引發的地震波信號分別沿不同的路徑以直達波和反射波的形式到達傳感器,與直達波相比反射波需要的傳播時間較長78。TSP地震波數據處理的第一步是由測得的從震源直接到達傳感器的縱波傳播時間換算地震波的傳播速度: Vp= T1 (1) 圖2TSP測線布置 Fig.2ThemeasurelinedisposeofTSP 式中,X1為爆破孔到傳感器的距離(m);T1為直達波的傳播時間(s)。 在已知地震波的傳播速度,就可以通過測得反射波傳播時間來推導出發射事件與接收傳感器的距離以及與隧道端面的距離,整個推導過程可由式(2)導出: T2 = VpVp (2)

9、3隧道工程概況 3.1工程地質條件 渝懷鐵路歌樂山隧道是渝懷線控制工程之一, 位于重慶市郊,起迄里程為DK1+560DK5+610。隧道全長4050m,大致是東西向展布,地質 式中,X2為爆破孔與反射事件的距離;X3為傳感器與反射事件的距離;T2為反射波的傳播時間。 地震反射波的振幅與反射界面的發射系數有關,在簡單情況下,當平面簡諧波垂直入射到平面反射面上時,其上的反射波振幅和透射波振幅分別為: (3)=r Ai2v2+1v1 情況復雜,難以預見因素多,堪稱“地質博物館”。歌 樂山隧道穿過由觀音峽背斜形成的中梁山山脈,地層以三疊系嘉陵江灰巖為主,分布于觀音峽背斜褶皺兩翼,總寬約1100m,其次

10、為三疊系雷口坡組頂部灰巖。嘉陵江組灰巖和雷口坡組頂部灰巖巖層傾角陡立,層間滑動明顯,層間滑動斷層、構造節理發 111 育,為巖溶的發育提供了有利條件,施工中極有可能出現突泥、涌水、圍巖失穩、巖爆、瓦斯等地質災害,隧道最大理深約280m。3.2隧道水文地質 隧道近垂直穿越中梁山背斜,地層巖性以砂巖、灰巖為主。分布于背斜兩翼的嘉陵江組灰巖為強巖溶地層,總長1119m。隧道穿越地區地表漏斗、洼地、溶洞、落水洞、溶溝等溶蝕現象發育。地表有兩個較大的水體,分東西兩區,東區內主要為大面積水田,南側有一暗河入口,西區主要為大面積淺水湖泊,有一中型水庫與其連通;南側有一暗河入口。由于地層傾角較陡,地下水與地表

11、出露的泉眼、暗河相互連通,因此地下水極其豐富,施工時最大涌水量達5.3×104m3/d,地下水位高,在洞頂以上220280m,涌水壓力最大達2.2MPa。 歌樂山隧道應用TSP2202進行超前地質預測,經歷了基本準確(個別點判斷錯誤或漏報)到較為準確的過程。這是因為TSP2202超前地質預測,是通過反射層面的縱波和橫波的反射強度的對比,來判斷反射層面是否富含水,只能探測到水的存在,而不能體現出水的規模,對前方巖溶水的規模預測還需要通過開挖對比驗證分析,來不斷修正,以提高預測的準確率。 根據TSP探測結果,掌子面前方150m范圍內,圍巖縱波平均速度大于2400m/s,密度為1.862.

12、58g/cm3,泊松比為0.230.27。在預報的DK4+560DK4+675段穩定性較差,容易塌方。表1為部分隧道實際開挖揭示的地質情況與超前地質預報結果,從表中可以看出,超前預報與實際施工的地質情況對比分析,采用TSP2202探測系統結果準確,。,超前地質。 ,主要。以歌樂山隧道出口DK4+557+637段為例,采用HY2303紅外線探測技術,其探測曲線見圖3,從圖中可以看出:在距掌子面15m處場強開始出現突變點,越臨近掌子面,場強呈較陡的斜率上升,可以據此推斷,前方可能富水,而實際開挖情況為掌子面前方5m處有0150.8m寬斷層泥,全掌子面富水,水壓達1.8MPa,與探測情況基本吻合。

13、4歌樂山隧道超前地質預報分析 歌樂山隧道掘進施工過程中,涌水,通常需建立遠期、中長期、絡。,TSP2202地震波進行中長期預報,H2303紅外線預測進行臨前預報,再采用3050m超前探水孔進行準確勘測,探明前方出水點的精確位置,涌水壓力、大小,泥沙含量,圍巖工程特性等,為制定堵水方案以及設定注漿堵水參數提供全面準確的水文地質資料。 表1TSP超前地質預報與實際開挖情況對照表 Table1ThecomparisonofgeologicconditionbetweenTSPGeologicforestandtheactualexcavation TSP地質預報結果 DK4+708+716灰巖為主,

14、破碎飽水圍巖 DK4+605+617圍巖穩定性較差,巖溶裂隙型富水帶DK4+556+598灰巖為主,巖溶裂隙型富水帶DK4+483+507圍巖節理發育,富水斷層破碎帶DK4+405+432圍巖較破碎,富水斷層破碎帶DK4+407+422灰巖為主,局部有滲水 DK4+390+412灰巖為主,圍巖完整性較好,有水DK4+365+382,實際開挖情況 DK4+708+716節理發育,圍巖破碎,但無裂隙水存在 DK4+616處有0.50.8m寬斷層泥,有大股水流出,水壓達1.8MPa DK4+574+570段拱部富水,圍巖不穩定 DK4+486+484為富水斷層破碎帶段碎,有大股水流出,水壓達1.9M

15、PaDK4+412處有0.50.8m寬斷層泥,有大股水流出,水壓達2.0MPaDK4+407+422灰巖,右側拱腰有滲水。圍巖級DK4+390+412灰巖與千枚巖互層,圍巖較堅硬,有小量水涌出 DK4+365+382,1.9MPa 5結論 地質超前預報包括隧道所在地區地質分析與宏觀預報、隧道洞身及圍巖不良地質體超前地質預報和重大施工地質災害臨近警報。詳細的勘察工作是建立宏觀預報的基礎,在充分研究勘察設計階段地質資料的基礎上,應考慮其具體的地質情況,采用地質調查和物探等合適的技術、手段和方法對隧道掌子面前方地質條件進行預測。將各種方法與技術有 機結合,合理確定地質超前預測、預報的方法,建立地質超

16、前預測預報系統。只有在宏觀預報的指導下,才能發揮各種地質超前預報方法的技術優勢,準確、有效地實施洞內不良地質體超前預報和施工地質災害監測以及臨近警報等后續預報工作。 同時,隧道的水文地質條件是制約特長隧道施工的關鍵,通過歌樂山超前地質預報的工程實踐來看,地質超前預報不應要求、也不可能達到完全準確。而且,也不能把超前地質預報全部依靠某一種 112 地質災害與環境保護2008 年 圖3HY2303紅外線探測曲線圖 Fig.3Thedetectiongraphofray先進的預報方法或者儀器上,或儀器都有其局限性。但是,法,報,有可能的。 參考文獻 1趙永貴,劉浩,孫宇.隧道地質超前預報研究進展J.

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