綜合超前地質(zhì)預(yù)報在隧道斷層破碎帶開挖中的應(yīng)用

繆 寧 張紹量 袁翠萍

(1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院，云南 昆明 650051；2.云南創(chuàng)研勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650000)

綜合超前地質(zhì)預(yù)報在隧道斷層破碎帶開挖中的應(yīng)用

繆 寧1張紹量1袁翠萍2

(1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院，云南 昆明 650051；2.云南創(chuàng)研勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650000)

以南峰隧道開挖為例，運用綜合超前地質(zhì)預(yù)報探測里程ZK3+660～ZK3+544范圍內(nèi)的地層情況。將探測結(jié)果與開挖后的實際情況進行對比發(fā)現(xiàn)，綜合超前地質(zhì)預(yù)報可以有效地探測掌子面前方斷層破碎帶，可以為隧道開挖提供參考。在隧道開挖中，超前地質(zhì)預(yù)報具有重要的意義。

隧道，斷層破碎帶，地質(zhì)雷達，TGP反射地震波法

0 引言

當(dāng)公路、鐵路在通過山區(qū)的時候，經(jīng)常需要開挖隧道，準確地對開挖隧道前方的地質(zhì)情況進行預(yù)報是隧道安全開挖的基礎(chǔ)，許多學(xué)者對此做了研究[1-4]。羅利銳，劉志剛和姚海波等[5]將地質(zhì)雷達運用到棋盤石隧道中，準確地預(yù)測到開挖前方的溶洞，與實際情況一致。唐亞輝[6]將地質(zhì)雷達和TSP法綜合運用到隧道開挖中，將兩者的結(jié)果與實際情況進行比較，發(fā)現(xiàn)兩種方法的綜合運用可以使得預(yù)測結(jié)果更為準確。在隧道開挖中，斷層破碎帶是隧道開挖中經(jīng)常遇到的問題。由于斷層破碎帶自穩(wěn)性極差，在隧道開挖的過程中極易失穩(wěn)。因此，準確預(yù)報斷層破碎帶位置，并及時進行有效地支護是隧道開挖的重點。

本文結(jié)合前人的研究，將綜合超前地質(zhì)預(yù)報運用到南峰隧道的開挖中，準確預(yù)報斷層破碎帶的位置，及時對圍巖進行支護，確保隧洞的穩(wěn)定性。

1 基本原理及方法

根據(jù)場地地層巖性及地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點，選用地質(zhì)雷達法和TGP反射地震波法進行隧道開挖的超前預(yù)報，現(xiàn)對這兩種方法進行介紹。

1.1TGP反射地震波法

北京水電物探研究所根據(jù)需要，開發(fā)了TGP206隧道超前預(yù)報儀，主要利用的是地震波的反射回波測量原理。在現(xiàn)場預(yù)定位置埋設(shè)小劑量的炸藥，利用炸藥爆炸產(chǎn)生的地震波在巖土體中傳播，從而來判斷巖土體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。由于是人工激發(fā)的地震波，需要對接收的地震波進行降噪處理，排除干擾信號的影響，再通過計算機將需要的地質(zhì)信息輸出。

1.2地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達法主要是利用探測的目標與周圍介質(zhì)之間存在著明顯的電位差來進行判斷的。當(dāng)發(fā)射天線向地下介質(zhì)發(fā)射高頻電磁波，電磁波在介質(zhì)中傳播時，其波形特性會隨著介質(zhì)大小、電性的不同而發(fā)生變化。當(dāng)電磁波反射回地面時，被接收天線所接收。計算機會對接收到的波進行分析和處理，從而可以判斷地下情況，地質(zhì)雷達探測原理具體如圖1所示。

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度與巖土體的類型、圍巖堅硬程度、含水率等有關(guān)。通常工程勘探和檢測中所遇到的介質(zhì)都是以位移電流為主的低損耗介質(zhì)，反射系數(shù)r和波速v主要取決于介電常數(shù)ε的大小。

2 工程地質(zhì)概況

南峰隧道位于福建省福州市連江縣，軸線大致呈東西走向，穿越南北向的南峰山。雙洞雙向行車，左洞為ZK1+075～ZK4+714，全長3 639 m；右洞為YK1+090～YK4+697，全長3 607 m，屬于特長隧道。進口處地面高程在150 m～155 m，出口處地面高程約130 m～135 m，隧道軸線最高點高程約548 m，相對高差400 m～420 m。根據(jù)勘察發(fā)現(xiàn)，該區(qū)的主要地層為粉質(zhì)粘土、花崗巖和花崗斑巖。官溪—對洋斷裂帶穿過隧道區(qū)附近，受其影響隧址區(qū)次級構(gòu)造較發(fā)育，但未見有活動性斷裂。主要為斷層構(gòu)造及擠壓型節(jié)理裂隙密集帶發(fā)育，整體較穩(wěn)定。

3 數(shù)據(jù)采集、處理與分析

3.1TGP反射地震波法

本次采用國產(chǎn)TGP206預(yù)報系統(tǒng)對鄰近斷層的掌子面進行探測，測試掌子面里程為ZK3+660，傳感器斷面里程為ZK3+735，分別布置于隧道左右邊墻內(nèi)，激發(fā)炮孔24個，間距2 m，布置于右邊墻。本次探測里程為出口左洞ZK3+660～ZK3+544，共116 m，波形圖如圖2,圖3所示。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)：橫波的波幅、頻率和速度與縱波相比有明顯不同，各參數(shù)有顯著差別且分離明顯，說明現(xiàn)場采集的地震波原始記錄是優(yōu)良的，滿足要求。

對數(shù)據(jù)進行處理，處理結(jié)果如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：在里程ZK3+660～ZK3+610范圍內(nèi)，縱波視速度僅在ZK3+642附近較大幅度升高，持續(xù)距離較短約10 m又減小，橫波視速度小幅度減小，短距離有回升，縱橫波速比后段變大，縱波反射總體比橫波強；在里程ZK3+610～ZK3+580范圍內(nèi)，縱波視速度顯著降低，橫波速度先小幅增大后不變，縱橫波速比變小，波速在該段維持在一個較小值不變；在里程ZK3+580～ZK3+544范圍內(nèi)，縱波視速度雖有小幅度變化，但總體變化幅度較小，波速基本以6 500 m/s為中心小幅度跳動，但總體是此段縱波視速度與掌子面波速較接近(6 400 m/s),橫波視速度基本不變，縱橫波速比變化較小，縱波反射強于橫波，橫波基本無反射。

TGP探測結(jié)果表明，前方有一約30 m的斷層，位于里程ZK3+610～ZK3+580，圍巖較破碎，施工時應(yīng)適當(dāng)放慢開挖速度，并防止塌方、掉塊等事故的發(fā)生。

3.2地質(zhì)雷達法

由于地質(zhì)雷達有探測精度較高、探測距離較短的特點，可以利用地質(zhì)雷達對前期判斷的斷層破碎帶進行詳細探測。由于探測距離較短，因此分段進行，探測結(jié)果如圖4,圖5所示。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)：反射波在ZK3+616～ZK3+606段內(nèi)圍巖反射波局部振幅稍大，同相軸稍有彎曲，推測該段圍巖質(zhì)量較掌子面圍巖基本一致；反射波在ZK3+606～ZK3+590段內(nèi)同相軸錯斷，振幅較大，波形雜亂，推測該段圍巖較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)：反射波在ZK3+593～ZK3+583段內(nèi)圍巖反射波振幅較大，同相軸連續(xù)性較差，波形雜亂，推測該段圍巖質(zhì)量較掌子面圍巖基本一致；反射波在ZK3+583～ZK3+563段內(nèi)同相軸較續(xù)性，波形較均一，推測該段圍巖較掌子面圍巖要好，節(jié)理裂隙弱發(fā)育。地質(zhì)雷達探測結(jié)果與TGP探測結(jié)果基本吻合，推測斷層破碎帶位置為ZK3+605～ZK3+583。

4 預(yù)報結(jié)果與實際結(jié)果對比

現(xiàn)將綜合超前地質(zhì)預(yù)報與實際情況進行對比，可以發(fā)現(xiàn)：在里程ZK3+660～ZK3+605范圍內(nèi)，綜合地質(zhì)預(yù)報結(jié)果為圍巖節(jié)理裂隙弱發(fā)育，完整性較好，地下水弱發(fā)育。開挖結(jié)果與探測情況類似，圍巖為微風(fēng)化花崗巖，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，開挖過程中偶有地下水呈點滴狀出露，圍巖自穩(wěn)能力較好，無其他不良地質(zhì)現(xiàn)象。在里程ZK3+605～ZK3+583范圍內(nèi)，探測結(jié)果為斷層破碎帶，開挖揭露的圍巖為弱風(fēng)化花崗斑巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育。該斷層為區(qū)域性地質(zhì)斷層，經(jīng)后期斷層活動及輝綠巖脈的侵入，斷層擠壓帶已被硅質(zhì)膠結(jié)，呈塊狀鑲嵌破碎結(jié)構(gòu)；與隧道呈小角度相交，破碎帶厚7 m，影響范圍為12.2 m；ZK3+602附近地下水呈淋濾狀滲出，圍巖自穩(wěn)能力稍差。在ZK3+583～ZK3+542范圍內(nèi)，探測結(jié)果為圍巖節(jié)理裂隙不發(fā)育，完整性較好，地下水不發(fā)育。開挖揭露的圍巖為微風(fēng)化花崗斑巖，ZK3+580～ZK3+575段圍巖稍破碎，之后的圍巖逐漸變好，巖體較完整，巖質(zhì)堅硬，呈大塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，灰白色，結(jié)構(gòu)面稍發(fā)育；局部偶有地下水呈點滴狀滲水，圍巖自穩(wěn)能力較好。

將綜合超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果與開挖后的情況進行對比發(fā)現(xiàn)，預(yù)報結(jié)果與實際揭露情況基本一致。TGP探測距離較遠，預(yù)報精度較地質(zhì)雷達差，只能做到大致預(yù)報。綜合預(yù)報準確性較好，及早預(yù)知斷層的位置及規(guī)模，避免了掉塊、塌方等事故的發(fā)生。

5 結(jié)語

斷層破碎帶是隧道開挖的薄弱位置，需要重點關(guān)注，及時進行支護。本文利用綜合超前地質(zhì)預(yù)報對南峰隧道的斷層破碎帶進行探測。通過以上研究，可以得到如下結(jié)論：

1)利用TGP反射地震波法，測得里程ZK3+610～ZK3+580范圍內(nèi)有一個寬度約30 m的斷層破碎帶；

2)將綜合超前地質(zhì)預(yù)報探測的結(jié)果與實際情況對比發(fā)現(xiàn)，TGP反射地震波法和地質(zhì)雷達法相結(jié)合可以有效的探測開挖前方的斷層破碎帶，使得隧道在開挖過程中能夠及時支護，避免出現(xiàn)塌方、掉塊。

[1] 張冠男,周建春.GPT超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在馬留山隧道中的應(yīng)用[J].工程勘察,2012(12):79-83.

[2] 胡 庸.HSP超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013(3):136-141.

[3] 胡輝榮,于 貴.TSP203 Plus超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)在高竹頂隧道斷層中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報,2011(5):1-4,16.

[4] 李 華,李 富,魯光銀,等.TSP法與探地雷達相結(jié)合在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用研究[J].工程勘察,2009(7):86-90.

[5] 羅利銳,劉志剛,姚海波,等.超前地質(zhì)預(yù)報在棋盤石巖溶隧道中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報,2009(11):10-12,22.

[6] 唐亞輝.地質(zhì)雷達和TSP法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用[J].人民長江,2015(S1):100-102.

Applicationoftheintegratedadvancegeologyforecasttechnologyinexcavationofthefracturezoneoftunnel

MiaoNing1ZhangShaoliang1YuanCuiping2

(1.KunmingProspectingDesignInstituteofChinaNonferrousMetalIndustry,Kunming650051,China;2.YunnanChuangyanSurverDesignInstituteCo.,Ltd,Kunming650000,China)

Taking the excavation of South Peak as an example, the integrated advance geology forecast technology is used to explore the formation condition of range ZK3+660～ZK3+544. The results are compared with the actual situation after excavation, the integrated advance geology forecast technology can effectively detect the broken faults ahead of tunnel and provide a reference for the tunnel excavation. The integrated advance geology forecast technology is of great significance in tunnel excavation.

tunnel, fracture zone, GPR, TGP reflected seismic wave method

U456.33

A

1009-6825(2017)26-0159-03

2017-07-08

繆 寧(1976- )，男，工程師