地震波超前探测岩层破碎带的识别方法及其工程应用.pdf

第 2 5 卷第 3期 2 0 1 1 年 6 月 土 工 基 础 Sa i l En g ． a n d F o u n d a t i o n Vb 1 ． 2 5 N o ． 3 J u n． 2 Ol 1 地震 波超 前探测岩层破碎 带 的识别 方法及 其工程应用 路 为 ，赵汝祥。 ，韦 伟 ，周 宗青 ] ． 山东大学岩土与结构工程研究 中心 ， 济南2 5 0 0 6 1 ； 2 ． 交通部公路科学研究 院， 北京1 0 0 0 8 8 3 ． 国网技术学院 发 电与新能源部 ， 济南2 5 0 0 6 1 ； 4 ． 山东科技大学， 山东青 岛 2 6 6 5 1 O 摘要结合 “ 1- ’S P 2 0 3超前地质预报系统在湖 化宜 巴高速郑家垭隧道 的探测情 况 ， 阐述 了应用 T S P方 法探 测岩层 破碎带的判断准则 ， 探测结果与 隧道现场 的开挖情况基本一致 ， 对隧道施工进行 了及时 有效的指导 ， 为类似工程 提 供 了参考和借鉴 。 关键词 T S P， 超前地质预报 ， 岩层破 碎带 中图分类号 T U4 5 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 3 1 5 2 2 0 1 1 0 3 ～ 0 0 7 1 0 3 1 前言 随着 西部 大 开发 战 略 的深 入 开展 ， 西部 地 区将 会修建更多的长大隧道 。于是 ， 复杂地质条件下隧 道的施 工安全 就成 为 当前急 需解决 的关 键 问题 。隧 道 施工 中超前 地质 预报工 作 的重要 性 已得到越 来越 广 泛的认 同 ， 并 且 已成 为 保 证 隧道 施 工 安 全 和工 程 质量 的重 要手 段 。王 梦 恕_ 1 ] 院士 指 出 ， 超前 地 质 预 报应 该也 必须作 为工 序列 入工程 成本 。 T S P t u n n e l s e i s mi c p r e d i c t i o n 是 目前 应用 最 多 的隧道 地 震 波 超 前 地 质 预报 方 法 之 一 。T S P作 为 隧道施 工 中普 遍 采 用 的长 距 离 超 前 地 质 预 报 手 段 ， 对 工作 面前 方遇 到 的 与 隧道 轴 线 近垂 直 的不 连 续体 节理 、 裂隙 、 断层破 碎带 等 界面 的测量 结果 比 较可靠 。因此 ， 采用 T S P超前地质预报对隧道进行 长期预 报可 以为施 工 以及确定 合 理 的支 护参 数提供 依 据 ， 对确保 隧道 施 工安 全 和 质 量有 较 好 的指 导 意 义 ～ 6 l 。 2 TS P探测原理 2 ． 1 T S P系统工 作原 理 T S P探测方法是通过浅孑 L 微震爆 破来发射信 号 ， 爆破 引发 的地震 波在 岩体 中 以球 面 的形式 向 四 周 传播 ， 当地 震 波在 隧 道前 方 遇 到 弹性 阻抗 差 异 面 断层破碎带 、 溶洞、 暗河、 岩溶陷落带、 软弱岩层等 时 ， 将有 一部 分波从 界 面处反 射 回来 ， 隧 道前方 界面 反射 回来 的信号经接 收传感器转 换成 电信号并放 大 。通过 反射 时 问与地 震波传播 速 度 的换 算就 可 以 将反 射 面的位 置 、 与 隧道 轴 线 的 夹角 以及 与 隧道 掘 进 面的距 离确 定下 来 ， 同时 还 可 以将 隧 道 中存 在 的 岩性 变 化带 的位 置 方便 地 探测 出来 ， T S P超前 地 质 预报 原理 图如 图 1 所示 。 图 1 TS P超 前 地 质 预 报 原 理 图 通过 T S P wi n软 件 对 采 集 到 的 TS P数 据 进 行 处理 ， 获得 P波 、 S 波 、 S 、 ， 波 的时 间剖 面 、 深 度偏 移 剖面和反射层提取 以及岩石物性参数等一 系列成 果 。在成果 解 释 中 ， 以 P波资 料 为主 对 岩层 进 行 划 分 ， 结 合横 波资 料对地 质现 象进 行解 释 。 2 ． 2破碎 带及 富水岩 层地 震波 反射 特性 TS P地震 波 对 断 层 破 碎 带 、 溶 洞 、 含 水 岩 体 及 水体等不 良地质现象具有相应的反射特性 ， 文献 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 3 2 9 作者简介 路为 ， 男 ， 1 9 7 9年生 ， 博 士研究生 ， 工程师 ， 主要从事地质灾 害预防与治理工作 。 7 2 土 工 基 础 2 O 1 1 对不 良地质体的判识准则进行了完整的论述 。岩层 破碎带判识准则为 深度偏移图像 中正负反射波组 较明显且杂乱， 正负反射波能量相 当或正反射能量 略强 ； 纵波波 速下 降 ， 在 岩性 图 中 ， 各 曲线都 呈 较 明 显 、 密集 的起 伏变 化 ； 二 维 、 三 维 图像 中反 射面较 多 ， 较集 中 ， 且 相互 重叠 。 含水 岩体 、 水体及 夹泥带 判识 准则 为 深度 偏移 图 中 P波反射 较 S波弱 ， 且 S波 负反 射 能量 较 正 反 射强； 速度图中 P波处于高速 区， S波处于低速 区； 反 射层 提取 图中 S波 出现较 明显 的 负反 射 面 ； 岩性 图 中 S波 曲线 明显下 降 ， 纵横 波 波速 比 V ／ s和 泊 松 比 显著 增大 ， 岩体 密 度 p和动 态 杨 氏模 量 E 等 明显 下降 。 3 工 程应 用 3 ． 1工程概 况 郑家垭 隧道 位于湖 北省 宜 昌市 秭归 县水 田坝镇 境 内 。隧 道 采 用 分 幅 式 ， 左 幅起 讫 桩 号 Z K1 2 6 6 2 2 ～ Z K1 3 O 4 5 8 ， 总 长 3 8 3 6 m； 右 幅 起 讫 桩 号 YK1 2 6 5 5 4 ～ Y K1 3 0 3 6 9 ． 5 ， 总长 3 8 1 5 ． S I T I 。隧 道最 大埋 深约 4 2 1 ． 3 6 I T I ， 属深 埋特 长隧道 。 1 n ⋯ ⋯ ⋯竹 ⋯ ． ．竹 ⋯ ． ． ⋯ 竹 l 1 ] l 』 j竹 南 ． ． ． ． ． 『 f 】 『 l1 ． ． I lj 。 1 -毪 l ’ ‘ I 、 ‘ t ● I t lJ I 2 t } 、 0 ‘ 』 二 ￡ r 一 l t ； I 1 i } l 。2 ￡ L f7 彳 蕊 ． I T 1 一 厂。 _ ． 辱 雕 图2 P 波深 度 偏 移 图 l ⋯ 柏 ⋯ 鹌 ． j ， ll l带 ． ． ⋯ ． ， ． 。 。 l lj 呐 ． ． ． l lI蚺 。 ． ．1 啭 I l】鸭 ． ． ． 一 一 } 十 l i ； { ； { j l j i {j n i 川1 I 1 j - 斗 十 H抖 十 i L I I群I 1 1驿 , I ； ≤ 一≤ 图3 P 波 反射 层 提 取 图 2 T S P 2 0 3系统数据 解译 根据数据处理结果及岩体物性图分析 在 YK1 2 9 8 5 0处 附 近 ， 纵 、 横 波 波 速 比 V ／ Vs 大幅增加 由 1 ． 6 7 增 大到 1 ． 8 6 ， 泊 松 比明显 增 隧道 区属构 造 剥蚀 、 侵 蚀 层 状低 中山岭 剥夷 面 峡谷 区 ， 受 向斜 构造 以及层 状 坚 硬 砂岩 ～半 坚 硬砂 质 泥岩夹 软质 泥页 岩 差异 风 化 剥 蚀控 制 ； 坚 硬 砂 岩 露 头部位 常形成 陡 崖 急坡 ， 泥岩 分 布 地段 常 形 成斜 缓坡 。上 覆盖层 为 残 坡 积碎 石 土 ， 局 部 沟谷 处 有第 四系 冲洪 积 亚粘土 、 砾卵 石层 ， 下伏 基岩 为上沙溪 庙 组紫红色薄～中层泥质粉砂岩 ， 与灰 白色中～厚层 长石砂岩不等厚互层。 3 ． 2 TS P 2 0 3系统数 据采 集 、 处 理及解 译 1 TS P 2 0 3系统数据采集 、 处理 本次超 前地 质 预 报 采 用 T S P 2 0 3系 统 ， 掌 子 面 桩号 为 YK1 2 9 8 6 9 ， 参 考 点 桩 号 为 YK1 2 9 9 2 9 沿 隧道左 侧洞壁 布置 爆破 点 2 4 个 ， 爆 破点平 行于 隧 道地 面呈 直 线 排 列 ， 孔距 1 ． 5 I n ， 孔 深 1 ． 5 m， 炮 孔 垂直于边墙 向下倾斜 1 5 。 ～2 O 。 ， 以利于灌水堵孔 。 距最后的爆破点 1 5 m处设 接收器点 ， 接收器安装 孔 的孔深 2 i n ， 内置 接收传 感器 。 采集 的 TS P数 据 ， 通 过 T S P wi n软 件 进 行 处 理 ， 获得 P波 、 S 波 、 S 、 ， 波 的时间剖 面、 深度 偏移 图 和反射层提取图以及岩石物性参数等一系列成果， 如 图 2 ～ 图 4所 示 。 ． 一。 。⋯ i r ． 1 嚣 氍 1 叫 ， L 一 一n L 一 4 } 厂 r 扯 m』厂 - r _ J L 一 图4 2 D结 果显 示及 岩 体物 性图 加 由 0 ． 2 2增 大到 0 ． 3 0 ， 密度显著 降低 由 2 ． 6 2 g ／ c m。 降为 2 ． 5 6 g ／ c m。 ， 弹性模量显著降低 由 4 8 GP a 降为 4 1 GP a ， 且横波反射明显较纵波反射强。 因此 ， 可推断此处岩体 内节理裂隙发育且含 较多裂 第 3 期 路为等 地震波超前探测岩层破碎带 的识别方法及其工程应用 7 3 隙水 。 在 YK1 2 9 8 5 0 YK1 2 9 8 3 8段 ① 偏移 图 中 正负反射波组较明显且杂乱， 正负反射波能量相当； ②纵波波速下降， 岩性图中各 曲线都呈较明显的、 密 集 的起 伏变化 ； ③ 二 维 图像 中反 射 面 较 多 ， 较集 中 ， 且相互 重叠 。综合 以上 ， 可 判 定该 范 围 内存 在破 碎 带 。 3 ． 3开挖结 果验证 及施 工建 议 隧道 施工 至 Z K1 2 9 8 4 9时 ， 掌 子 面 揭 露 围岩 为粉 砂质 泥岩 夹石英 砂岩 ， 左上 方构造 裂 隙发育 ， 块 状结构， 结合力较差 ， 节理裂隙较发 育， 裂隙水呈片 状流 出 ， 导致 Z K1 2 9 8 4 9 ～Z K1 2 9 8 4 4围岩 突 发 性 出现掉块 ， 掉块 区域 高 1 2 m、 横 向 9 m。 根据 施工 单 位 上报 的 资料 ， 参 考 超 前地 质 预 报 结果 ， 施 工建 议如 下 1 对 Z K1 2 9 8 5 1 ～Z K1 2 9 8 4 9段 采 用 I 2 O 钢拱 架 临 时 加 强 支 护 ， 每 榀 间距 6 0 c m， 纵 向采 用 ep 2 2钢筋 连接 ， 环 向间距 1 0 0 c m。 2 Z K1 2 9 8 j 1 ～Z K1 2 9 8 4 1段 衬砌 类 型 由 原设 计 的 S F I I I a 变 更 为 S F Va 复 合式 衬砌 。 3 空 腔 采 用 C 2 O泵 送 混 凝 土 回填 密 实 ， 具 体 工程 量需经 现场 监理 确定 。 4 结 论 1 隧道 施工 初 勘不 能 较 准 确 地确 定 不 良地质 体 的发育位 置 和情 况 ， 所 以在 施 工 过 程 中超 前 地 质 预报必 须列 入工 序 。 2 通过 TS P超 前 地 质 预 报 ， 可 对 隧 道 掌 子 面 前方的围岩情况进行较准确的探测 ， 为隧道施工和 及 时调整 支护参 数 提 供 依据 ， 有 效 地 控 制 和避 免 地 质灾 害 的发 生 。 3 TS P超前地 质 预 报准 确 预报 了郑 家垭 隧 道 Z K1 2 9 8 4 9处 的岩 层 破 碎 情 况 ， 施 工 单 位 及 时 变 更 支护 形式 ， 保证 了 隧道 的顺 利施 工 。 参 考 文 献 [ 1 ] 王梦恕． 对岩溶地区隧道施工水文地 质超前预报的意见E J ] ． 铁 道 勘 查 ， 2 0 0 4 1 [ 2 ] 张志龙 ，王兰生 ， 王跃 飞， 等． 雪峰 山高速公路 隧道 F 2断层带 的综合超前地质预报[ J ] ．岩石力学 与工程 学报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 增 1 [ 3 ] 钟世航 ， 孙宏志 ， 王荣 ， 等． 隧道掌子面前 方地质预报 的现状及 发展之路l- J ] ． 工程地球物理学报， 2 0 0 7 ， 4 3 [ 4 ] 刘斌 ， 张庆松等． 综合超前 预报 手段在探查 充填溶洞 中的应用 研究[ J ] ． 中国地球物理， 青 岛， 2 0 0 7 [ 5 ] 李利平 ， 李术 才， 张庆松． 岩溶地区隧道裂隙水 突出力学机制研 究[ J ] ． 岩土力学， 2 0 1 0 ， 3 1 2 [ 6 ] 许振浩， 李术才 ， 张庆松 ， 等． TS P超前地质预报 地震渡反射 特 性研究口] ． 地下空 间与工程学报 ， 2 0 0 8 ， 4 4 I d e n t i f i c a t i o n a nd App l i c a t i o n o f S e i s mi c W a v e Ad v a n c e d De t e c t i o n t o S t r a t a Br e a ki n g Zo n e LU W e i ～，ZH AO Ru da n g。 ，W EI W e i ，ZHONG Zon g q i ng 1 ．Ge o t e e h n i c a l a n d St r u c t u r a l Eng i n e e I i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，S ha n d o n g Un i v e r s i t y，J i n a n 2 5 0 0 61 ； 2 ．Re s e a r c h I ns t i t u t e o f Hi g h wa y，Mi n i s t r y o f Tr a n s p or t ，Be r i n g 1 0 0 0 8 8； 3 ．De p a r t me n t o f El e c t r i c i t y Ge ne r a t i n g Ne Ⅵ r En e r g y Re s o u r c e s ，S t a t e Gr i d Te c h n o l o g y Co l l e ge ，J i n a n 2 5 0 06 1 ； 4 ．S ha n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Qi n g d a o S ha n d o n g 2 6 6 5 1 0，Ch i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e a p p l i c a t i o n o f a d v a n c e d g e o l o g y f o r e c a s t s y s t e m TS P2 0 3 i n t h e g e o l o g i c a l d e t e c t i o n o f Z h e n g j i a y a t u n n e l o f Yi c h a n g Ba d o n g Ex p r e s s wa y，t h e j u d g i n g c r i t e r i a c f d e t e c t i o n o f s t r a t a b r e a k i n g z o n e b y TS P，t h e d e t e c t e d r e s u l t s c o i n c i d e d wi t h t h e r e s u l t s o f e x c a v a t i o n ，wh i c h wa s t h e g u i d e l i n e f o r t u n n e l c o n s t r u c t i o n a n d a s t h e r e f e r e n c e f o r s i mi l a r e n g i n e e r i n g ． Ke y wor d s TSP，a d w n c e d ge o l ogi c a l f or e c a s t ，s t r a t a br e a ki ng z o ne