屈鵬程，巨能攀，霍宇翔

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都610059）

0 引言

隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，以公路和鐵路為主的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，逐漸向地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)推進(jìn)。在這些工程建設(shè)中，為解決高程線型等要求，隧道工程比例越來(lái)越大，工程安全等級(jí)要求也更高[1]?？辈祀A段通過(guò)工程地質(zhì)調(diào)繪、遙感、物探、鉆探等方法很難準(zhǔn)確無(wú)誤地查明線路工程所經(jīng)地段不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模和性質(zhì)，如突泥、涌水、斷層破碎帶等。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生會(huì)對(duì)隧道中機(jī)械設(shè)備造成毀壞，并且危及施工人員的安全，事故后續(xù)處理工作難度大，從而影響工程進(jìn)度，增加工程成本[2－3]。為確保巖溶隧道施工安全，對(duì)巖溶體的位置及發(fā)育情況進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，是保證隧道施工安全的關(guān)鍵。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、迅速，測(cè)定一定空間范圍內(nèi)地質(zhì)體的三維特征，為地下洞室開(kāi)挖及時(shí)制定治理方案提供地質(zhì)依據(jù)[4]?，F(xiàn)階段隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，根據(jù)探測(cè)長(zhǎng)度可以分為長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)和短距離預(yù)報(bào)兩種，長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)目前主要采用TSP前方地震反射法，一般預(yù)報(bào)距離在100～200m，對(duì)隧道施工影響較??；GPR是一種短距離的電磁波探測(cè)手段，探測(cè)距離較短（20～30m），易受金屬（臺(tái)車(chē)、鉆桿）影響，但是對(duì)于溶洞、溶隙、暗河等反映特征明顯，可以很好地對(duì)TSP測(cè)量后的洞段進(jìn)行加密探測(cè)，彌補(bǔ)TSP的缺陷[5－7]。本案例仙人洞隧道開(kāi)挖過(guò)程中，采用TSP長(zhǎng)距離探測(cè)和地質(zhì)雷達(dá)短距離探測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)掌子面前方的溶洞位置和填充物進(jìn)行精確的分析預(yù)報(bào)。

1 工程概況

仙人洞隧道（DK11＋740—DK15＋405）位于敘永縣震東鄉(xiāng)內(nèi)，長(zhǎng)3 665m。隧址屬低山區(qū)構(gòu)造剝蝕地貌，穿越仙人洞山體，測(cè)區(qū)溝谷相間，層巒疊嶂，連綿不斷，山高坡陡，溝谷深切。山脊呈波浪狀，測(cè)區(qū)地形起伏較大，高程介于605～865m，相對(duì)高差260m，其中最近的位于隧道洞頂上部20m左右的位置。當(dāng)前掌子面距離洞口405m，樁號(hào)DK12＋145，埋深92m左右。隧址區(qū)地層巖性以二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）灰?guī)r為主，層面產(chǎn)狀平緩且變化小，圍巖除洞口外以Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖為主。二疊系茅口組是全線巖溶發(fā)育程度最強(qiáng)的地層，隧址區(qū)出露多條寬數(shù)百米的溶蝕破碎帶和一條寬69m的陡立斷層，溶蝕破碎帶內(nèi)巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂面見(jiàn)泥質(zhì)充填，局部充填方解石脈。斷層破碎帶內(nèi)巖體極為破碎。該區(qū)溶槽、溶縫發(fā)育，巖體裂縫較發(fā)育，裂縫與巖溶交織，以裂隙、溶隙儲(chǔ)集為主要形式的含水結(jié)構(gòu)，巖溶水較發(fā)育。

敘永縣氣候具有陰雨、旱、澇多的特點(diǎn)，其區(qū)域性明顯、季節(jié)性差異明顯，小氣候多變。年平均降雨量為1 069～1 180mm，主要集中于5月—9月。仙人洞隧道位于白楊林背斜南翼，巖層產(chǎn)狀為：N5～14°W／5～14°SW。由于受地質(zhì)構(gòu)造作用影響明顯，發(fā)育近垂直張性節(jié)理，兩組節(jié)理產(chǎn)狀：J1：N45°E／78°NW，J2：N76°E／90°[8]。節(jié)理面粗糙，多呈微張狀，延伸較長(zhǎng)。在地形上處于分水嶺地段，雨水和地表水沿這些節(jié)理裂隙作垂直運(yùn)動(dòng)。區(qū)內(nèi)的構(gòu)造多以線性褶曲為主，故碳酸巖成條帶狀分布，這一特點(diǎn)的構(gòu)造條件下，側(cè)向溶蝕受到嚴(yán)格的制約，巖溶多沿縱向發(fā)育，故巖溶水多以落水洞、漏斗、洼地為主，地表溶蝕邊界多成不規(guī)則的橢圓形[9]。在仙人洞山體表面第四季覆蓋層較為發(fā)育，多以黃褐色黏土為主，在水的搬運(yùn)作用下成為溶腔中常有充填物質(zhì)。

綜上所述，仙人洞隧道主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象是地層巖性決定的巖溶和局部破碎巖體中可能出現(xiàn)的坍塌現(xiàn)象；狀黏土自身力學(xué)性質(zhì)較差，加之地下水的活動(dòng)，是導(dǎo)致充泥溶洞洞穴自身穩(wěn)定性極差的主要原因，在多雨時(shí)段施工中極易出現(xiàn)突泥。該隧道曾發(fā)生“7.28”大型突泥事故，造成地表塌陷，形成深8m，直徑5m的地表塌陷（如圖1）。

圖1 7.28突泥事故造成地表塌陷

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)備原理說(shuō)明

2.1 TSP概況

TSP（Tunnel Seismic Predication）是由 AMBERG測(cè)量技術(shù)有限責(zé)任公司研制的中長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。該方法屬于多波多分量探測(cè)技術(shù)，目的是為探測(cè)隧道前方100～150m區(qū)域內(nèi)是否存在較大規(guī)模的不良地質(zhì)體，以及圍巖級(jí)別[10]。從宏觀上指導(dǎo)隧道施工。

其工作和采集原理是2個(gè)檢波器分別布置在隧道兩側(cè)，另外在隧道一側(cè)上布置20～24個(gè)相同高度和相同距離的炮孔，放入乳化炸藥和電瞬發(fā)雷管，與同步器相連接。激發(fā)地震波，在巖體中以球面的形式在圍巖中運(yùn)動(dòng)，接收到直達(dá)波和反射波，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并且放大。從起爆到發(fā)射信號(hào)被接受，通過(guò)反射時(shí)間與地震波速度的計(jì)算可以確定反射面位置，同時(shí)還可以反映掌子面的前方巖性變化的位置[11]，如圖2所示。

圖2 TSP工作原理示意圖

2.2 地質(zhì)雷達(dá)SIR－3000概況

地質(zhì)雷達(dá) （Ground Penetrating Radar，縮寫(xiě)GPR）是采用無(wú)線電波對(duì)介質(zhì)分布和目標(biāo)體進(jìn)行掃描，以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置的電磁技術(shù)[12]。其工作原理為電磁波以寬頻脈沖形式通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射，經(jīng)目標(biāo)體反射或透射，被接收天線所接收，形成雷達(dá)圖像。

電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性主要有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的探測(cè)深度，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度。因此，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上，都會(huì)形成電性介面（如圖3）。反射波從發(fā)射天線發(fā)射到被接收天線接收的時(shí)間稱(chēng)為雙程走時(shí)t，當(dāng)求得地下介質(zhì)的波速時(shí)，可根據(jù)測(cè)到的t值折半再乘以此介質(zhì)中的波速求得目標(biāo)體的位置，同時(shí)結(jié)合反射波組的波幅與頻率特征得出地質(zhì)雷達(dá)波形圖，對(duì)同相軸追蹤，結(jié)合當(dāng)前地質(zhì)情況從而解釋前方工程地質(zhì)情況[13]。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)電磁波工作示意圖

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)物性差異

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，已知掌子面前方的地層情況，在該洞段可能遇到的主要不良地質(zhì)體是充泥溶洞。由于泥與灰?guī)r的物性差異大（見(jiàn)表1～2），信號(hào)區(qū)別度高，在TSP和GPR上的圖像特征明顯。所以選擇TSP作為長(zhǎng)距離宏觀探測(cè)手段，對(duì)前方的溶巖發(fā)育情況有總體的把握；地質(zhì)雷達(dá)作為施工中的加密探測(cè)方法，獲得更加準(zhǔn)確的掌子面前方地質(zhì)情況。

表1 地震波傳播介質(zhì)的波速與波阻抗

表2 地質(zhì)雷達(dá)介質(zhì)電磁參數(shù)表

4 采集系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置及解譯成果

4.1 Tsp200采集系統(tǒng)的布置

隧道所處位置，雖然巖溶發(fā)育但是由于地質(zhì)條件的制約使得側(cè)向溶蝕發(fā)育受到限制，洞身周?chē)鷰r體具有離異化較大的性質(zhì)，為T(mén)SP的應(yīng)用提供適宜的環(huán)境條件。

當(dāng)前開(kāi)挖面下導(dǎo)樁號(hào)為DK12＋145?，F(xiàn)場(chǎng)施工情況，右洞壁（DK12＋084—＋087）及左洞壁（DK12＋092—＋098）為避車(chē)洞、（DK12＋115—＋125）兩側(cè)洞壁為洞身擴(kuò)大段、（DK12＋125—＋145）段為管棚支護(hù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)以上情況，在隧道進(jìn)口端樁號(hào)（DK12＋066.9）左邊墻和右邊墻布置檢波器1和檢波器2。在（DK12＋087.4—＋145）段的右邊墻，每隔1.5m的間距布置20個(gè)激發(fā)孔（圖4）。

圖4 TSP系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖

由于隧道的封閉環(huán)境，激發(fā)時(shí)產(chǎn)生的能量會(huì)在空氣中傳播，并被接收器采集，為了提高耦合度，在每次起爆前，對(duì)炮孔進(jìn)行注水泥封；若現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械振動(dòng)干擾能量大于接收信號(hào)能量，就會(huì)覆蓋正常數(shù)據(jù)，所以在采集數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)當(dāng)停止可能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的活動(dòng)。

4.2 TSP200解譯成果圖及結(jié)論

圖5 2號(hào)檢波器P波深度偏移圖

圖6 2號(hào)檢波器SH波速度掃描圖

圖7 2號(hào)檢波器P波速度掃描圖

圖8 2號(hào)檢波器SV波速度掃描圖

圖9 探測(cè)層面反射成果圖

在仙人洞隧道下導(dǎo)（DK12＋145）處實(shí)施TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，根據(jù)其解譯成果圖（圖5～9）所示，綜合分析在（DK12＋160—DK12＋180）20m范圍內(nèi)有一個(gè)低速異常區(qū)，但該段內(nèi)波速變化較平穩(wěn)，在二維成果圖中泊松比有明顯增大，表明該段為軟—流塑狀物質(zhì)。（DK12＋160—DK12＋168）范圍內(nèi)縱波反射較強(qiáng)，深度偏移圖以強(qiáng)烈的負(fù)反射開(kāi)始，強(qiáng)烈的正反射結(jié)束，反射帶呈現(xiàn)出正負(fù)反射層較多且雜亂短小，以負(fù)反射為主，獨(dú)立的條帶以窄、斷續(xù)的圖案呈現(xiàn)，推測(cè)為充泥夾塊石；（DK12＋168—DK12＋180）縱波反射強(qiáng)烈，橫波的反射也較強(qiáng)，深度偏移圖以強(qiáng)烈的負(fù)反射開(kāi)始，強(qiáng)烈的正反射結(jié)束，正負(fù)反射層清晰且較有規(guī)律，反射層有所變寬，連續(xù)性增強(qiáng)，推測(cè)為充泥地質(zhì)體（見(jiàn)表3）。

綜合以上各解譯成果圖以及隧道洞身地表復(fù)查，初步推斷出該段存在豎直形充泥局部夾有塊石溶洞。由于TSP在布置、信息接收、數(shù)據(jù)解譯各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)最后的成果圖和結(jié)論有較大的影響；為了確保此次預(yù)報(bào)可靠性，保證施工安全，采用地質(zhì)雷達(dá)（GPR）對(duì)該段進(jìn)行加密探測(cè)。

表3 TSP推測(cè)區(qū)段結(jié)果

4.3 GPR現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線的布置及結(jié)果

本次測(cè)量工作沿隧道上導(dǎo)掌子面底部布置了一條測(cè)線（如圖10），同時(shí)也對(duì)上導(dǎo)掌子面進(jìn)行了地質(zhì)編錄（如圖11）。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，掌子面右側(cè)為黃泥土，濕潤(rùn)；左側(cè)巖體為青灰色灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀C：N17°E／SE∠21°，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，巨厚層，大塊狀砌體結(jié)構(gòu)，弱風(fēng)化，弱卸荷，巖體較完整，巖體表面潮濕。掌子面左側(cè)巖體上發(fā)育一組結(jié)構(gòu)面，J1：N70°E／SE∠82°，長(zhǎng)0.6～1m，間距0.3～0.7m，粗糙起伏。

圖10 測(cè)線布置示意圖

圖11 仙人洞隧道進(jìn)口掌子面（DK12＋48）素描圖

采用地質(zhì)雷達(dá)SIR－3000采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，圖12為仙人洞隧道進(jìn)口測(cè)線1與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖，探測(cè)里程為DK12＋148—DK12＋172，探測(cè)長(zhǎng)度24m。

圖12 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖

探測(cè)成果圖顯示掌子面右側(cè)前方0～3.5m（DK12＋148—DK12＋151.5）范圍內(nèi)，雷達(dá)反射波波形為強(qiáng)振幅波形，表明前方3.5m范圍內(nèi)與掌子面一致，為軟—硬塑狀粉質(zhì)黏土；左側(cè)前方6～8m（DK12＋154—DK12＋156）范圍內(nèi)，反射波波幅增強(qiáng)，同相軸錯(cuò)段，表明該處介電常數(shù)增大，推測(cè)為較為濕潤(rùn)的塑狀黏土；掌子面左側(cè)前方11～24m（DK12＋159—DK12＋172）范圍內(nèi)，該洞段雷達(dá)波波幅增強(qiáng)，同相軸錯(cuò)段，呈弧形彎曲，出現(xiàn)多次反射波、繞射波，波形雜亂，推測(cè)為夾有碎石塑狀粉質(zhì)黏土。

綜合TSP和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果及地表調(diào)查資料，推測(cè)該段為夾碎石充泥溶洞，并根據(jù)能量圖可以推測(cè)該段巖溶充填物中含地下水。由于土體的物理力學(xué)特征，在水環(huán)境作用下，工程地質(zhì)性質(zhì)極不穩(wěn)定。故推斷此洞段遭遇突泥地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)極高。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在綜合預(yù)報(bào)前，進(jìn)行地質(zhì)編錄與地表復(fù)查綜合分析，對(duì)可疑不良地質(zhì)體的性質(zhì)、組分和發(fā)育狀況初步認(rèn)識(shí)，為采取探測(cè)方法和設(shè)備提供依據(jù)。溶腔中的物質(zhì)（水、泥、氣）通常對(duì)橫波有較好的抗阻性。不良地質(zhì)體的物質(zhì)組成具有明顯的介電差異，因此利用TSP結(jié)合GPR對(duì)仙人洞隧道進(jìn)行探測(cè)是合理的方法。

（2）在巖溶發(fā)育地區(qū)，TSP和GPR配合使用在很大程度上提高了預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。TSP作為長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)把握掌子面前方的不良地質(zhì)體空間位置、邊界情況具有明顯的優(yōu)勢(shì)。借助地質(zhì)雷達(dá)加密探測(cè)，有利于進(jìn)一步分析巖溶體邊界和充填組分。兩種探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)合，可以最大限度地減小現(xiàn)場(chǎng)工況產(chǎn)生的干擾，并且縮小推測(cè)不良地質(zhì)體性質(zhì)的范疇。

（3）為了能夠得到一個(gè)較高質(zhì)量的地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，首先詳細(xì)編錄掌子面的地質(zhì)資料，必要時(shí)對(duì)地表情況進(jìn)行復(fù)查，對(duì)比已有的勘察資料；其次聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)做好信息采集前的準(zhǔn)備工作，盡可能消除探測(cè)儀器產(chǎn)生的干擾因素；最后結(jié)合已有勘察資料和解譯成果圖，進(jìn)而得出可靠預(yù)報(bào)成果。

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