三維TSP在涌泥隧道空腔及松散體探測中的應(yīng)用

楊緒祥 羅建杰

(云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南 昆明 650051)

三維TSP在涌泥隧道空腔及松散體探測中的應(yīng)用

楊緒祥 羅建杰

(云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，云南 昆明 650051)

介紹了三維TSP探測技術(shù)的原理，采用該技術(shù)探測了楊林隧道突水、涌泥的基本情況，并簡述了探測系統(tǒng)的布設(shè)方法，將探測預(yù)報(bào)成果與實(shí)際開挖現(xiàn)狀作了對(duì)比，為隧道施工中地質(zhì)災(zāi)害的治理提供了依據(jù)。

三維TSP探測技術(shù)，隧道，突水，涌泥

高速公路隧道施工過程中，涌水突泥事故是隧道工程施工中最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響隧道施工安全和結(jié)構(gòu)安全[1,2]，涌泥發(fā)生段，通常在隧道周邊形成較大的空腔和松散堆積體，為減少工程隱患、確保工程質(zhì)量，通常要采用泵送混凝土回填和注漿固結(jié)等工程措施進(jìn)行處治。而治理的前提是探明空腔的區(qū)域位置，為制定處治方案、降低處治安全風(fēng)險(xiǎn)、確保處治效果提供了基礎(chǔ)地質(zhì)資料，因此發(fā)生涌泥后所形成空腔的大小及區(qū)域位置一直都是各方迫切需要了解的焦點(diǎn)問題。目前在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中運(yùn)用三維技術(shù)已有一些研究[3-5],但面對(duì)涌泥等形成的特殊工作環(huán)境，難以滿足其適用條件。本文以云南昆明繞城高速公路東南段楊林隧道ZK21+788～ZK21+816涌水突泥的治理為例，著重闡述了三維TSP在涌泥發(fā)生后空腔和松散體區(qū)域探測的成功應(yīng)用，該技術(shù)的推廣應(yīng)用將為類似地質(zhì)災(zāi)害的治理提供更精確更直觀的基礎(chǔ)地質(zhì)資料，為避免在涌泥事故處治中盲目注漿提供了新的依據(jù)。

1 三維TSP探測技術(shù)的原理

三維TSP探測技術(shù)在采集數(shù)據(jù)時(shí)與常規(guī)二維一致，方法是在隧道左邊墻或右邊墻布設(shè)至少18個(gè)炮點(diǎn)，用少量炸藥激發(fā)地震波。地震波在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)遇到巖石物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時(shí)，一部分地震信號(hào)反射回來，一部分信號(hào)折射進(jìn)入前方介質(zhì)(如圖1所示)。反射回來的那部分將由高靈敏度的地震檢波器接收。接收的這部分信號(hào)就是TSP野外采集的原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集后，通過Amberg TSP Plus軟件進(jìn)行處理，獲得P波的深度偏移三維圖、速度剖面三維圖、巖石物理及力學(xué)參數(shù)和巖石參數(shù)表等成果。

2 三維TSP技術(shù)在涌泥空腔探測中的應(yīng)用實(shí)例

2.1 突水、涌泥點(diǎn)地質(zhì)情況

楊林隧道出口左洞ZK21+788處圍巖由全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖、頁巖、泥質(zhì)夾砂巖組成，呈鑲嵌破碎結(jié)構(gòu)，地下水豐富，富水性強(qiáng)。詳細(xì)地質(zhì)構(gòu)造見圖2。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告楊林隧道區(qū)域構(gòu)造示意圖(如圖2所示)，發(fā)生突水、涌泥區(qū)域有一性質(zhì)不明斷層。圍巖主要為中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖、白云巖、砂巖、粉砂巖、頁巖等。薄層狀～中厚層狀，產(chǎn)狀320°∠28°，271°∠29°，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。地下水較豐富，富水性較強(qiáng)，主要為基巖裂隙水，局部可能富存巖溶水。

2.2 楊林隧道突水、涌泥基本情況

楊林隧道左幅掘進(jìn)至ZK21+788處時(shí)，突然發(fā)生較大突水、涌泥，首次涌泥量4 000余立方米。ZK21+800～ZK21+788段上臺(tái)階基本被泥沙填滿，并在24 h內(nèi)連續(xù)發(fā)生不同規(guī)模的涌泥兩次，最終涌泥量達(dá)8 000余立方米，將ZK21+800～ZK21+816段全部淤塞。

2.3 探測系統(tǒng)布設(shè)

此次預(yù)報(bào)的設(shè)備為Amberg Measuring Technique公司生產(chǎn)的TSP203型三維地質(zhì)超前預(yù)報(bào)儀。探測系統(tǒng)是在隧道一側(cè)布設(shè)一條觀測線，在其上布設(shè)一排炮點(diǎn)S；根據(jù)巖層界面的走向，炮點(diǎn)觀測線剖面可以布設(shè)在隧道左邊墻，也可以布設(shè)在右邊墻。面向隧道前進(jìn)的方向，劃分為左右邊(見圖3)，一條炮點(diǎn)剖面布設(shè)兩個(gè)接收器。對(duì)于相當(dāng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，最好采用兩個(gè)炮點(diǎn)剖面，以提高探測的準(zhǔn)確度。

3 預(yù)報(bào)成果及實(shí)際開挖對(duì)比分析

采集的TSP數(shù)據(jù)，通過Amberg TSP Plus軟件進(jìn)行處理，獲得P波的深度偏移三維圖、速度剖面三維圖等成果圖如圖4所示。三維坐標(biāo)是以兩接收孔連線(同一水平上)的中點(diǎn)為參考點(diǎn)建立三維坐標(biāo)系，X為正表示隧道開挖向，Y為正表示隧道右側(cè)，Z為正表示位于參考點(diǎn)的上方。

根據(jù)圖4，預(yù)測涌泥后形成的松散堆積體基本范圍，如表1所示。由圖4及表1預(yù)測出1號(hào)，2號(hào)空腔及松散體區(qū)域的范圍：1號(hào)空腔及松散體位于隧道前進(jìn)方向左側(cè)，里程樁號(hào)為ZK21+790～ZK21+780，該區(qū)段圍巖主要由全風(fēng)化頁巖和泥巖夾砂巖組成，巖體極破碎，地下水出水狀態(tài)為淋雨?duì)睢蔂钣克?，空腔及松散體內(nèi)富含地下水；2號(hào)空腔及松散體也位于隧道前進(jìn)方向左側(cè)，里程樁號(hào)為ZK21+766～ZK21+755，該區(qū)段圍巖主要由全～強(qiáng)風(fēng)化頁巖和泥巖夾砂巖組成，巖體極破碎～破碎，地下水出水狀態(tài)為淋雨?duì)睢蔂睢?/p>

表1 空腔及松散體區(qū)域范圍 m

根據(jù)上述空腔和松散體區(qū)域提出以下處治建議：

1)受空腔和松散體的存在影響前述特殊地質(zhì)體段會(huì)出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象，可能導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，發(fā)生局部坍塌，處治過程中應(yīng)高度重視，1號(hào),2號(hào)區(qū)域應(yīng)作為泵送混凝土充填及注漿加固重點(diǎn)區(qū)域。2)地下水依然豐富，請?zhí)崆笆┳鞒般@孔，將前方地下水及時(shí)引排。3)加強(qiáng)涌泥段和前方過渡段初期支護(hù)強(qiáng)度，并做好超前支護(hù)，掌子面開挖前應(yīng)對(duì)空腔充填及超前支護(hù)注漿加固效果進(jìn)行鉆芯取樣檢查，達(dá)不到注漿加固效果不得盲目開挖。

通過上述預(yù)報(bào)和建議，在編制處治方案時(shí)，對(duì)預(yù)報(bào)空腔和松散體區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)注漿加固，最終成功穿越涌泥體及涌泥影響段，處治過程未再發(fā)生任何次生災(zāi)害。結(jié)合后期的開挖情況及相關(guān)地質(zhì)資料綜合分析，得出的預(yù)報(bào)結(jié)論見表2。由表2可知，預(yù)報(bào)結(jié)論和實(shí)際開挖情況基本相符，較為準(zhǔn)確地探測出了ZK21+790～ZK21+780,ZK21+766～ZK21+755段空腔和不密實(shí)松散體的位置，由此可見，采用三維TSP對(duì)隧道涌泥周邊進(jìn)行特殊地質(zhì)體探測是成功的，為涌泥的處治起到了良好的指導(dǎo)作用，預(yù)報(bào)效果良好。

表2 預(yù)報(bào)結(jié)論與實(shí)際開挖情況對(duì)比

4 結(jié)語

1)三維TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)隧道涌泥形成的空腔及松散體區(qū)域探測具有良好的效果，探測成果可視化程度高，直觀清晰，便于識(shí)別，為涌泥等特殊地質(zhì)災(zāi)害的治理提供更精確更直觀的基礎(chǔ)地質(zhì)資料，為避免在涌泥事故處治中盲目注漿提供了新的依據(jù)。2)預(yù)報(bào)中顯示的空腔區(qū)域后期注漿后大部分已被充填密實(shí)，但部分區(qū)域不完全為水泥漿液，呈松散顆粒與水泥漿膠結(jié)體，表明該區(qū)域?yàn)樘綔y后空腔在繼續(xù)塌落，空腔的大小和區(qū)域在處治過程中呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程，應(yīng)邊探邊治理，可進(jìn)一步提高處治精度和效果。3)TSP法本身的數(shù)據(jù)采集依賴于少量炸藥激發(fā)形成的地震波，在涌泥發(fā)生后隧道處于極限平衡的暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)下，鑿巖打孔實(shí)施爆破應(yīng)注意作業(yè)安全，必要時(shí)可先對(duì)涌泥段采取臨時(shí)加固措施后實(shí)施數(shù)據(jù)采集。

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[2] 吳豐收，李富明.TRT法隧道三維超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用[J].聲學(xué)技術(shù)，2014,33(4)：349-353.

[3] 肖書安，吳世林.復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道地質(zhì)超前探測技術(shù)[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2004,1(2):159-165.

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On application of three-dimension TSP in monitoring of mud-rushing tunnel cavity and loose rock

Yang Xuxiang Luo Jianjie

(YunnanRoadScienceandTechnologyInstitute,Kunming650051,China)

The paper introduces the principle for the three-dimension TSP detecting technique, adopts the technique to detect the gushing water and mud in Yanglin Tunnel, and indicates the allocation methods for the detecting system, undertakes the comparison between the expected results and excavation status, so as to provide some reference for the treatment of the geological disasters in the tunnel construction.

three-dimension TSP detecting technique, tunnel, water gushing, mud gushing

1009-6825(2017)05-0194-02

2016-12-07

楊緒祥(1984- )，男，碩士，工程師

U456.3

A