發布時間：2021-05-15所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：當前借助隧道超前地質預報技術對小規模斷層的探測及對斷層破碎帶范圍界限的判定在業界已取得了一定的成果，但實際隧道工程中往往也面臨著地質條件復雜多變的寬大斷層，而在寬大斷層內部準確開展超前地質預報探測是當前亟需進一步應用研究的工作。本次
摘要：當前借助隧道超前地質預報技術對小規模斷層的探測及對斷層破碎帶范圍界限的判定在業界已取得了一定的成果，但實際隧道工程中往往也面臨著地質條件復雜多變的寬大斷層，而在寬大斷層內部準確開展超前地質預報探測是當前亟需進一步應用研究的工作。本次研究采用TSP法(一種彈性波反射法)對寬大隧道斷層內部的地質情況進行探測，通過資料處理、對比分析，最終取得了較好的探測效果，為相應隧道斷層內部安全施工、優化施工方案提供了較好的指導和參考。本文TSP法在寬大斷層內部探測的應用研究，也對其他類似地質條件下的預報工作有積極的指導意義。
關鍵詞：超前地質預報;隧道工程;寬大斷層內部;TSP
1引言
新建麗江至香格里拉鐵路位于云南省西北部，青藏高原南東緣之橫斷山脈中段，線路位于印度板塊和歐亞板塊相碰撞的縫合帶附近，新構造運動十分強烈，特別是沿線分布有多條大規模的活動斷層且斷層內部地質情況復雜多變。在斷層地段隧道開挖過程中，如不能查明前方地質條件并采用有針對性的施工措施，則發生突泥涌水、塌方等工程地質災害的幾率將會大大增大，嚴重影響隧道安全建設。
作為預判隧道開挖前方地質情況、指導現場施工和預防工程地質災害的一種重要手段，超前地質預報已成為隧道施工過程中必不可少的一環，并在探測巖溶、裂隙水、小規模斷層破碎帶及其邊界圈定、煤層瓦斯等方面取得了較好的應用成果[1-8]。TSP法(一種彈性波反射法)是一種高分辨率的多波多分量的地震波反射勘察法，憑借其影響施工程度小、預報距離長、方法較成熟等優點已被廣泛應用于隧道超前地質預報中[9-15]。本文采用TSP法在寬大斷層內部開展超前地質預報應用研究工作，通過實例論證了該方法的有效性，為寬大斷層內部隧道的安全施工、優化施工方案等方面提供了較好的指導和參考。
2TSP超前地質預報技術工作原理
TSP(TunnelSeismicPredictionAhead)法采用的是地震反射波法勘探原理，如圖1所示，
在臨近隧道掌子面的一側邊墻布置約24個激發炮孔，每個激發孔的間距約為1.5m，在距離第24號激發炮孔往后15～20m處的兩側邊墻位置各布置一個約2m深的信號接收孔。在激發孔中依次引爆適量的炸藥，爆破產生的地震波以球面波的形式在圍巖中傳播，一部分地震波會向掌子面前方的圍巖傳播，當向前傳播的地震波遇到如巖溶、破碎帶、巖層分界面等不良地質體時，由于圍巖波阻抗發生改變，一部分地震波會發生反射，另外一部分地震波發生透射并繼續向前傳播。反射回來的地震波通過布置在接收孔中高精度的三分量接收器接收，其頻譜、振幅、波形、接收時間都與掌子面前方地質體物性緊密相關。通過對所采集地震波數據進行處理分析，來判斷隧道掌子面前方的地質情況[16-19]。
3典型隧道斷層預報案例分析
本文分別選取了在寬大逆斷層、寬大正斷層2種類型斷層內部開展的TSP探測實例進行分析介紹。通過對縱、橫波速度，縱橫波速比，泊松比，動態楊氏模量參數進行分析比較，結合開展預報時掌子面的地質情況，最終預報出前方圍巖的地質情況。
3.1寬大逆斷層內部預報案例
麗香鐵路A隧道位于麗江盆地南緣，文筆水庫南側，隧道全長約3.3km。隧道洞身穿越下更新統蛇山組(Q1s)黏性土、塊石土、斷層角礫(Fbr)，第三系麗江組三段(E2l3)白云質、灰質角礫巖、三疊系中統北衙組(T2b)白云質灰巖，二疊系虎跳澗區(Pβ)玄武巖地層。隧道穿越2條斷層，其中洞身DK4+450～+650段附近發育有與隧道近垂直的麗江-劍川斷層，為活動型的區域性逆斷層，斷層帶內圍巖破碎，圍巖膠結緊密，隧道地質條件復雜，隧道縱斷面如圖2所示。
3.1.1觀測系統布置及數據采集
本次TSP超前地質預報測試掌子面位置為DK4+604，掌子面開挖朝小里程方向，接收孔位置位于DK4+645，沿隧道左邊墻均勻布置有21個激發炮，左右邊墻各布置一個接收檢波器，觀測系統各參數設計如表1所示。使用TSP203超前地質預報系統進行數據采集，設置時間采樣間隔為62.5μs，記錄時間長度為451.125ms，激發震源采用藥量為75g的微型乳化炸藥。
3.1.2數據處理及成果解譯
采用TSPwin專用處理軟件對采集的數據進行數據處理，先后經過數據設置、帶通濾波、初至拾取、拾取處理、炮能量均衡、Q估計、反射波提取、P-S波分離、速度分析、深度偏移、反射層提取11項處理步驟，最終得到如圖3所示的反射層位及物理力學參數成果。
相關期刊推薦：《工程地球物理學報》(雙月刊)2004年創刊，雜志是工程地球物理學界一份國內外公開發行的學術刊物，主要刊登工程、環境地球物理的新理論、新方法、新技術;重、磁、地震、電磁法、地質雷達、核磁共振等方法的應用新成果;工程勘察(尤其是國家重大、重點工程)和環境勘察中的新技術新成果;GPS、GIS、RS技術應用新方法新領域;地球物理資料采集、資料處理和反演方面的新進展;以及適用于工程和環境領域的地球物理儀器等方面的學術論文。
根據圖3并結合相關的地勘資料分析，在掌子面前方0～62m和77～120m(對應里程為DK4+604～+542和DK4+527～+484)范圍內，各物性參數基本保持不變，其中橫波速度約為1931m/s;VP/VS比值約為1.66，泊松比約為0.23;動態楊氏模量約為22GPa。推測本段圍巖情況與起始掌子面DK4+604圍巖情況(圖4)類似：圍巖呈破碎狀，巖質較軟，圍巖含較多泥質夾層，掌子面呈現整體潮濕狀，局部伴有滲水，建議該段落施工過程中加強支護。在掌子面前方62～77m，即DK4+542～+527里程段為物性參數異常段落，表現為橫波速度上升，速度由1931m/s突增為2446m/s;VP/VS比值下降，比值從1.66突降為1.36;泊松比數值從0.23顯著下降;動態楊氏模量上升，數值從22GPa突增為34GPa。推測DK4+542～+527里程段圍巖情況轉好，圍巖呈較破碎狀，巖質轉硬，掌子面含水較少或呈干燥無水狀態，圍巖局部夾泥。
3.1.3麗江-劍川斷層內部開挖驗證情況
隧道掌子面開挖后在DK4+604～+543里程段圍巖完整性較差，圍巖呈破碎狀，整體潮濕并時有滲水，節理裂隙發育，裂隙中夾雜有大量的泥質成分;當隧道開挖至DK4+543～+542段時，圍巖情況逐漸轉好，掌子面圍巖呈較破碎狀，干燥無水，裂隙中夾有一定量泥質成分，現場DK4+542開挖掌子面地質情況如圖5所示。在DK4+542～+529后續開挖過程中，圍巖情況基本保持一致;而在里程DK4+529～+484段現場開挖圍巖變差，圍巖破碎，總體潮濕且局部伴有少量滲水，圍巖含較多泥質夾層。實際開挖情況與預測結果基本吻合，同時較為準確地判斷出在大范圍含水段落中存在隔水段DK4+542～+529的情況，這為快速開挖通過本段、優化施工方案、節約施工成本和時間提供了較好的指導作用。
3.2寬大正斷層內部預報案例
麗香鐵路B隧道全長約7.5km，隧道最大埋深約460m，隧道走向上區域性斷裂構造發育，沿斷裂帶附近地層產狀紊亂。隧道洞身穿越三疊系中統(T2a)板巖夾灰巖，二疊系中統(P2a)片理化玄武巖夾凝灰質片巖，二疊系下統(P1)灰巖、板巖。隧道洞身里程D1K78+290～+500左右發育有北西走向，傾向北東的冷都正斷層，斷層影響帶內圍巖變形嚴重，巖體呈破碎狀，完整性差，隧道部分段落縱斷面如圖6所示。
3.2.1觀測系統布置及數據采集
本次超前地質預報測試掌子面位置為D1K78+306，掌子面開挖朝大里程方向，接收孔位置位于D1K78+247，沿隧道左邊墻布置有24個激發炮，左右邊墻各布置一個接收檢波器，觀測系統各參數設計如表2所示。使用TSP203超前地質預報系統進行數據采集，設置時間采樣間隔為62.5μs，記錄時間長度為451.125ms，激發震源最初采用藥量為75g的微型乳化炸藥。首炮激發后采集到的信號出現能量偏小、有效信號難以壓制干擾信號的情況，如圖7所示。隨即在現場將后續激發孔中的藥量增至100g，藥量增加后接收到的信號有了較為顯著的改善，信號能量得到增強，信噪比得到提高，如圖8所示。
3.2.2數據處理及成果解譯
采用TSPwin專用處理軟件對采集的數據進行處理，經過和3.1.2中同樣的11項處理步驟，最終得到如圖9所示的反射層位及物理力學參數成果。
根據圖9并結合相關的地勘資料分析，在掌子面前方0～35m和61～116m(對應里程為D1K78+306～+341和D1K78+367～+422)范圍內，各物性參數變化較小，其中橫波速度約為1800m/s;VP/VS比值約為1.68;泊松比約為0.23;動態楊氏模量約為18GPa。推測本段圍巖情況與起始掌子面D1K78+306圍巖情況(圖10)類似：圍巖呈極破碎狀，巖質軟，節理裂隙強烈發育，掌子面圍巖呈滲水狀，建議該段落隧道開挖過程中加強超前支護。在掌子面前方35～61m，即D1K78+341～+367里程段為物性參數異常落，表現為橫波速度明顯上升，速度由1800m/s左右上升為2050m/s;VP/VS比值顯著下降，比值從1.68突降為1.55;泊松比明顯下降，數值從0.23下降為0.14;動態楊氏模量上升，數值從18GPa上升為22GPa。推測D1K78+341～+367里程段圍巖情況轉好，圍巖呈破碎狀，巖質轉硬，掌子面圍巖含水較少或呈干燥狀。
3.2.3冷都斷層內部開挖驗證情況
隧道掌子面開挖后在D1K78+306～+342里程段圍巖完整性較差，掌子面圍巖呈極破碎狀，巖質軟，呈滲水狀，圍巖節理裂隙強烈發育;當隧道開挖至D1K78+342～+343段時，圍巖情況轉好，掌子面圍巖呈現破碎狀，圍巖干燥無水。在D1K78+343～+367后續開挖過程中，圍巖情況基本保持一致，現場開挖掌子面地質情況如圖11所示(以D1K78+358處掌子面情況為例);而在D1K78+367～+422段現場開挖圍巖變差，圍巖呈極破碎狀，節理裂隙強烈發育，巖質軟，掌子面圍巖呈滲水狀。實際開挖情況與預報結論基本保持一致，特別是對于圍巖無水、地質情況轉好的D1K78+343～+367段落圈定地較為準確，現場施工在參考預報結果的基礎上較快開挖通過了本段、節約了一定的施工成本和時間，由此可以看出本次在隧道斷層內部的TSP探測是成功有效的。
4結論
本文應用TSP隧道超前地質預報技術對寬大斷層內部地質情況進行探測，通過對比預報結論和現場開挖情況，說明了TSP法在寬大斷層內部能夠取得較好的預報成果，并得到如下結論：
1)寬大斷層內部地質條件復雜多變，不進行針對性地超前地質預報而盲目開挖存在較大的安全風險，而一味使用慢開挖、強支護或者采用增加超前鉆孔數量進行探測又會大大增加施工成本、延長施工工期。但在采用TSP法進行超前地質預報探測的基礎上再考慮輔以其他超前探測方法，可以較為有效地把控地質變化情況，能為隧道安全開挖、優化施工方案、節約施工成本及時間提供較好的指導和參考作用。
2)TSP隧道超前地質預報技術在寬大斷層內部破碎帶區域的探測能夠起到較好的作用，通過選擇合適的激發藥量和觀測系統參數能夠在中長距離(120m左右)范圍內依舊保持較高的探測分辨率。
3)圍巖含水量的變化情況是影響隧道安全開挖的一種重要因素，特別是在位于斷層這類地質條件復雜的段落時，含水量的變化將直接影響圍巖的穩定性。因此準確預報掌子面前方圍巖含水帶及隔水帶的分布情況并提前采取適當的施工措施尤為重要。本文應用TSP隧道超前地質預報技術較為準確地判斷出在斷層內部較大范圍含水段落中隔水帶的分布情況，較好地指導了現場施工，而在斷層等復雜地質構造段內準確探測出含水帶或圈閉的含水結構也是隧道工程需要進一步探索研究的重要內容。——論文作者：王汪汪，牟元存
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