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TSP與地質雷達綜合超前地質預報及其工程應用
更新時間:2021-11-22 09:00
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        摘要:該研究通過工程實例綜合使用了TSP超前預報與地質雷達綜合應用,介紹了超前地質預報中地質雷達的工作原理與應用方法、地質雷達布線方法以及雷達探測結果及TSP隧道超前地質預報中地震勘探的工作原理與應用方法。結合二者在數據獲取、處理等方面的優勢,保證了隧道的安全快速施工。
        關鍵詞:TSP;地質雷達;隧道;超前地質預報
        0 引言
        近年來我國基礎設施建設尤其是中西部地區公路和鐵路建設高速發展。其中,隧道工程由于其在道路建設中的重要性,進一步引起人們的重視。為了滿足隧道工程中安全性與施工進度,就要對隧道內的地質信息進行超前地質預報。對于隧道施工中可能產生的安全性問題,超前地質預報能夠分析所需的施工前方圍巖與地層情況[1,2]。爭取在施工前掌握巖土體性質、狀態等地質信息,為進一步的施工提出建議,防止在施工過程中發生涌水、巖爆等地質災害,從而實現施工安全高效的進行。隧道地震波法(tunnel seismic prediction,簡稱TSP)是隧道超前地質預報的重要方法[3,4]。該方法通過高精度的接收儀器獲取爆破所產生的地震波信號并通過計算機軟件初步探查前方圍巖性質、節理裂隙分布、及含水狀況等;地質雷達法具有簡單實用,精度較高,可用來查明斷層破碎帶、滑坡面、巖溶和土洞,適合在超前地質預報中進行短距離探測,根據處理后的雷達圖像可以直觀的得出工程所需的地質信息[5,6]。
        1 隧道地震波法(TSP)與地質雷達預報原理
        (1)TSP預報原理
        周家山隧道預報采用瑞士安伯格公司生產的最新型號的TSP203 plus 隧道地質超前預報系統。TSP測量系統是通過在掌子面后方一定距離內的鉆孔中以微震爆破來發射信號的,爆破引發的地震波在巖體中以球面的形式向四周傳播,其中一部分向隧道前方傳播,經隧道前方的界面反射回來,反射信號經接受傳感器轉換成電信號并放大[3,4]。從起爆到發射信號被接收的這段時間是與反射面的距離成比例的。通過反射時間與地震波傳播速度的換算就可以將反射面的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進面的距離確定下來,同時還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置方便的探測出來。振動波由在特定位置人為制造的小型爆破產生,一般是沿隧道一側洞壁布置24個爆破點,爆破點平行于隧道底面呈直線排列,孔距1.5 m,孔深1.5m,炮孔垂直于邊墻向下傾斜10~15°,以利于灌水堵孔。距最后的爆破點15~20 m處設接收器點(在一側或雙側),接收器安裝孔的孔深2 m,向上傾斜15度,內置接收傳感器。

        圖1 TSP隧道超前地質預報布孔要求
        在測量過程中,逐次引爆爆破點的炸藥(約50-150g,根據圍巖不同適時調整),制造出小型地震波,地震波遇到節理面、地層層面、破碎帶界面和溶洞、暗河等不良地質界面時,將產生反射波,反射波的強度及傳送時間反映了相關界面的性質、產狀、距離接收點的距離。利用TSPwin軟件對采集的TSP數據進行處理,獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面和反射層提取以及巖石物性參數等一系列成果。在成果解釋中,以P波資料為主對巖層進行劃分,結合橫波資料對地質現象進行解釋。解釋中,遵循以下準則:
        ① 正反射振幅表明硬巖層,負反射振幅表明軟巖層。
        ② 若S波反射較P波強,則表明巖層飽含水。
        ③ Vp/Vs增加或δ突然增大,常常由于流體的存在而引起。
        ④ 若Vp下降,則表明裂隙或孔隙度增加。
        (2)地質雷達原理
        地質雷達(Ground Penetrating Radar(GPR))是一種利用高頻電磁波探測地下物體的電子設備。地質雷達通過發射天線發射中心頻率為12.5M至1200M、脈沖寬度為0.1 ns的脈沖電磁波訊號。當這一訊號在巖層中遇到探測目標時,會產生一個反射訊號。直達訊號和反射訊號通過接收天線輸入到接收機,放大后由示波器顯示出來。根據示波器有無反射汛號,可以判斷有無被測目標;根據反射訊號到達滯后時間及目標物體平均反射波速,可以大致計算出探測目標的距離[7-9]。
        2 工程概況
        周家灣隧道是擬建銀川至北海高速公路建始(隴里)至恩施(羅針田)段上的一座分離式隧道。起訖里程樁號:左隧道ZK95+377~ZK97+815,長2438m,右隧道YK95+415~YK97+819,長2404m,為長隧道。隧道最大埋深約246m,洞軸線方位角210°;單洞凈空10.50m×5.0m,進口洞門均采用端墻式,燈光照明,機械通風。隧道地表土層為坡積(Q4dl)粘性土和碎石、崩積坡積成因的粘性土和塊石土(Q4c+dl),巖層為志留系中統紗帽組(S2s)粉砂巖、粉砂巖夾石英細砂巖、炭質灰巖、斷層角礫巖,二疊系下統棲霞組(P1q)灰巖、炭質灰巖、含炭鈣質頁巖、薄煤層、茅口組(P1m)微晶灰巖(含燧石結核)、上統吳家坪組(P2w)炭質頁巖、大隆組(P2d)炭質頁巖夾硅質巖,三疊系下統大冶組(T1d)灰巖、灰巖夾頁巖、底部頁巖夾灰巖,主要為灰巖易發育溶洞等不良地質體。
        3 TSP超前探測
        (1)探測結果
        用TSPwin軟件對接收到的地震波信號進行處理,得到掌子面前方巖體波速、界面及巖體物性參數等成果。(表1,圖2)。

        圖2 地震波處理結果(左:P波提取的反射界面 右:2D結果顯示與巖體物性圖)
      
     (2)該段施工建議
        綜合TSP探測結果及地質資料分析,預報段總體情況如掌子面揭露所見,中-微風化灰巖,局部夾雜泥質,其中YK96+284~YK96+280、YK96+274~YK96+270段、YK96+270~YK96+256段、巖體較破碎,節理裂隙及巖溶裂隙發育,圍巖強度降低,含有裂隙。施工時應結合TSP超前預報結果和掌子面圍巖揭露情況,可能存在異常段要注意防止塌方等工程事故的發生,保證隧道施工安全。
        4 地質雷達探測
        (1)地質雷達測線布置
        2018年12月13日,周家灣隧道出口YK96+215掌子面開展了一次短距離地質雷達探測工作,采用天線頻率為100MHz,采集樣本點為1024。
        (2)地質雷達探測成果
        本次地質雷達探測距離為30m,里程樁號范圍為YK96+215~YK96+185,處理后雷達圖像如圖3。結合現場地質情況分析,具體探測結論描述如下:
        ①掌子面前方YK96+214~YK96+202中部至右側范圍內信號紊亂,根據雷達信息特征,推測該處圍巖受風化作用影響強烈,圍巖相對較破碎,節理裂隙發育且存在較大裂隙或細小空洞,局部夾雜泥質,易發生脫落掉塊,施工時應注意安全防范措施。
        ②掌子面前方YK96+211~YK96+209范圍內左側3m雷達反應強烈,根據雷達特征,推測該處圍巖破碎,膠結能力較差,成分主要由土夾石組成。施工時應注意塌方掉塊。

        圖3 測線處理結果圖
        (3)該段施工建議
        該段圍巖以中風化灰巖為主,圍巖完整性較好,巖體較破碎,局部節理裂隙發育,可能存在小型溶洞,裂隙中夾雜泥質及裂隙水。需要說明的是,掌子面凹凸不平及施工現場的金屬物對雷達探測結果有一定影響。因此,根據分析結果,反應異常區建議做好防范措施,施工時應施作超前炮孔和超前水平鉆,注意掌子面地質變化情況,注意現場施工安全,確保施工質量和安全。
        5 結論
        周家灣隧道同時采用TSP超前預報與地質雷達共同探測,分別探測YK96+380~YK96+250段落與YK96+215~YK96+185段落,并就探測結果給出了施工建議。通過長程預報與短程預報相結合極大的提高了隧道施工的預報精度與施工安全性,提高了施工效率。
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