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结合兰渝铁路浅谈高风险隧道超前探测技术的应用 荣林涛 中交一航局第四工程有限公司 天津3 0 0 4 5 6 摘要 超前地质预报和红外探水技术是 目前兰渝隧道施工中普遍应用的两种超前探测方法，也是 目前较 为 先进的超前探测手段。兰渝铁路隧道六标段由中交一航局承建，其中权子垭隧道属于高风险长大隧 道 ，隧道 洞身区间溶 洞 ，落水 洞等 岩溶现 象强烈发育 ，两种超前探 测技术 的应 用不但保 证隧道施工 的安全性 ，而且提 前探 测 出隧道 洞身及 掌子 面一定范 围内的不 良地 质构造及 富水情 况 ，通过 两种探 测技术相结合 ，可以准确预报施 工前 方及 隧道洞身周边 岩体 构造 ，预判是 否舍有溶 洞及 落水井 的不 良地质，在隧道洞身掘进施工中起 到极大的指导作 用。通过对两种超前探测技术的结合 、综合分 析，可以掌握隧道洞身及掌子面前方围岩的地质构造 ，提前采取相应的施工措施 ，保障隧道施工安 全 、快速通过不良地 质段 ，从 而缩短 隧道施 工工期 ，节约成本 。 关键词 超前探测红外探水地质预报红外场反射波溶 洞 1 超前探测技术的应用原理 1 ． 1 T S P 超前地 质预报 的应 用原理 ’ T S P 超前地质探测法主要应用了震动 声 波的回声原理，震动 声 波是由人- r N造一系列有规则排列的轻 微震源，地震震源在岩体中传播 ，当其遇到地质层面、节理面，特别是断层破碎带界面和溶洞、暗河、岩溶陷 落柱 ，淤泥带等不良地质界面时 ，将产生反射波。反射震动的信号由布置在单壁或是双壁的传感器接受，并将 接受的数据传送给记录单元，由于反射信号的传送时间与到地质界面的距离成正比，反射信号的强度与相关界 面 的性 质、界 面的产状密切 相关。从而通过反射波数据 分析系统 ，得出相关隧道剖面 及围岩相关的物理力学参 数。 1 ． 2 红外探 水技术 应 用原理 隧道岩体每时每刻都在向外部发射红外能量，并形成红外辐射场。岩体由内向外发射红外辐射时 ，必然会 把岩内部的信息以红外电磁场的形式传递出来。红外探测法就是通过接收和分析红外辐射信号进行超前地质预 报的一种物探方法。 2 超前探测技术的探测方法 2 ． 1 T S P 超 前地 质预报 方法 T S P 超前地质探测法主要应用了震动 声 波的回声原理，采用人工震源在围岩内部传播，利用接受装置采 集并接受反射波 ，通过反射波数据分析系统，得出相关隧道剖面及围岩相关的物理力学参数。通过分析围岩物 理力学参数， 预判围岩状况。 2 ． 1 ． 1 T S P 探测、接收和激发孔的布置及观测系统设计。 1 8 4 观测系统设计如下表 接收 检波器 孔 炮 孔 数量 1 个 ．隧道左墙 2 4 个 ，位于隧道左边墙 直径 5 O mm钻头钻孑 L 书3 8 mm钻头钻孔 深 度 1 ． 4 2 m 1． 5 m 定 向 垂直隧道轴 向 上倾 1 ． 2 。 垂直隧道轴 向．下倾0 4 ～1 2 。 高度 离隧底高4 ． 5 m 离隧底高4 ． 5 m 位置 距离 掌子面7 3 m 第1 个炮点离 同侧检波器2 0 m．炮间距大致为1 ． 2 ～1 ． 8 m 2 ． 1 ． 2 T S P 超前地质预报数据的采集及分析 数据采集 超前地质预报数据是通过引爆s l 至 2 4 炮孔内微量炸药制造人工震源，接收器采集实时数据，再通过接收 器接收隧道围岩界面反射的振动波，采集的x、Y、Z 三分量数据并记录，最后数据通过T S P wi n - 2 0 0 软件处理 并分 析 ，获得P 波 、S H波 、S V波的时 间剖 面 、深 度偏移剖面 、反射 层的提取 ，并通过 岩石物理 、力学参数和 预报成果2 D显示图等来显示地质预报成果。 数据分析原理 通过人工制造的震源产生的振动波 ，在隧道岩体中传播，通过隧道岩体中的不同界面时，分别产生反射振 动波。不同级别、岩性的围岩在界面处所产生的反射振动波振幅及波速均不同，采集后经过软件处理分析按照 以下原则进行分析 反射振幅越强 ，反射系数和波阻抗的差别越大 ；正反射振幅 红色表明正的反射系数， 表明刚性岩层；负反射振幅 兰色指向软弱岩层。 软件分析 出的各波数据分析原理如 下 若S 波反射 I I P 波强 ，则表 明岩层饱含水 ；Vp ／ Vs 较大的增加或泊松 比 6突然增大，常常因流体的存在而引起 ；若V p 下降，则表明裂隙密度或孔隙度增加 ； 通过对岩体数据的综合分析便可了解隧道从开挖面开始沿隧道轴线前方1 0 0 米范围内地质体的性质 软弱 岩带、破碎带、断层、含水岩层等和位置及规模。 2 ． 2 红外探水技术 的探 测方法 2 ． 2 ． 1 红外探水法的布点 隧道 内红外探水法布点采取沿隧道轴 向至 隧道开 挖面每隔5 m布置探测断面 。由距开挖面6 0 m处开始 ，每隔 5 m设置已开挖段探测断面 ，探测点布置如图2 所示。每个探测断面按照拱顶、左右边墙、左右拱脚、隧底中线 处布置6 个探测点，已开挖面测点布置如图3 所示。在开挖掌子面沿水平方向上 自上而下布置4 条测线，每条测 线上布 置6 个测点如 图4 所示 。 图2 沿隧道轴 向探 测断 面布置示意 图 图5 已开挖 段探测点布 置图 图4 开挖 面测点布置示意图 1 85 ■墨一 一一 按照此方法进行布点，可以毫无遗漏的探测隧道开挖区域以外各个方位 ，为红外探水提供真实、全面的探 测数据 。 2 ． 2 ． 2 红外探水法的数据采集方法 红外探水法，采用HW一 3 0 4 型红外探测仪从距隧道掌子面6 0 m处向掘进方向每隔5 m对隧道周边探测一次 ， 每次探N J Il 序依次为左边墙脚、左边墙、拱顶、右边墙脚、右边墙和隧底中线，共探测l 3 个断面，这样沿隧道 轴线方向共形成6 条探测线，在掌子面位置按照示意图四方式进行探测，并将数据分类做成图表显示可得到洞 身区域6 条探测 曲线 ，分 别为左边墙脚 探测 曲线 、左边墙探测 曲线、拱顶探测 曲线 、右边墙探测 曲线、右边墙 脚探测曲线、隧底中线探测曲线及掌子面前方岩体的4 条探测 曲线。通过图表可以很明了的看出沿隧道掘进方 向，隧道开挖区域以外各个方位岩体场强的变化趋势 按此方法采集的数据可为判断隧道洞身区域含水情况提供了真实、准确的原始资料。 2 ． 2 ． 3 红外探水数据分析原理 红外探测就是根据红外异常来确定隐蔽灾害源的存在。隐蔽灾害源是指构造裂隙、断层、溶洞等富水构造 和地下暗河等。利用开挖面探测数据判断含水构造如果开挖面前方介质相对均匀，未受构造影响，6 5 - 探测点 场强的横向最大差值，是在一个小的波动范围内变化，通过正常掘进可总结一个当地的场强变化上限。当开挖 面前方有构造发育时，地层结构被破坏，介质密度发生变化，构造中又填充了水，从微观角度讲，由于上述变 化相对各探测点空间距离的不同，因而使得辐射场强绝对值之差增大。鉴于此，可以根据正常离散值来确定前 方有无含水构造。利用探测曲线判断掌子面前方有无含水构造，当开挖面前方不存在含水构造时，各探测曲线 的数值是在一个正常场的变化范围内波动；当开挖面前方存在含水构造时，含水构造这个灾害源就会产生一个 灾害场并向各个方向传播。如果含水构造在开挖面前方不超过3 0 m，探测时将会发现前方含水构造产生的红外 异常。根据各条探测曲线是否存在红外异常，可以确定开挖面前方是否存在含水构造。 通过对数据曲线判断隧道洞身区水体分布及变化趋势，再结合开挖面探测数据可分析出开挖面前方水体富 含情 况。 3 超前探测技术的应用 3 ． 1 隧 道 工 程 概 况 新建兰渝铁路6 标段权子垭隧道地属扬子准地台之龙门山一 大巴台缘褶皱带，地质构造复杂 ，类型多样。 根据设计勘察资料显示隧道区出露的地层主要岩性为志留系页岩夹砂岩，二叠系灰岩，三叠系泥岩夹页岩、灰 岩 ，二叠系灰岩呈向斜形态产出，三叠系地层呈单斜状产出，隧道区灰岩岩溶强烈发育，溶洞、落水洞较多， 其中在二叠系发育的较大溶洞有明水洞、溶洞及响水沟溶洞，均为有水溶洞。 现例举权子垭隧道出13 D K4 9 9 5 3 6 掌子面处超前地质预报及红外探水技术应用的实例。权子垭隧道出口掌 子面里程为D K4 9 9 5 3 6 m，开挖面出露围岩为泥岩夹页岩，岩层为薄 ～中层泥岩，局部节理裂隙发育，围岩基 本完整 ，掌子面有少量渗水 。 根据设计图纸权子垭隧道D K4 9 9 5 3 6 ～D K4 9 9 4 0 5 段设计为I V级围岩，无特殊地质构造。该段主要的不 良地质为灰岩岩溶现象 ，按发育强度分级为岩溶弱发育地带 ，地下水主要接受大气降水、地表水及分化裂隙水 补给，从时间上推断，权子垭隧道所在地雨季已过，地下水不受大气和地表水补给，判断为弱～不发育。 3 ． 2 T S P 超 前地 质预报 实测数据 3 ． 2 ． 1 T S P 超前预报现场采集参数 T S P 超前地质预报采集参数表 日期 2 o o 9 ／ 1 1 ／ 1 7 设计炮点 2 4 仪器 T S P 2 0 O P 1 u s 采样 间隔 6 2 ． 5 1． t S 掌 子面 里程 D K 4 9 9 5 3 6 记录时 间长度 4 5 1 ． 1 2 5 m s 1 8 6 接 收器位 置 D K 4 9 9 6 0 9 重庆方 向左侧 采样数 7 2 1 8 接收器数量 1 f | 3 ． 2 ． 2 T S P 超前地质预报结果 预报里 程 物性数描 预报推断结果 该段有几组反射界面 与隧道轴 线呈大角度相交；围岩平均速度 围岩强度、整体稳定性和开挖面围岩基本一致 ，地下水为弱～不 DK49 953 6～ 49 6 ． V p 2 9 1 5 m／ s ，V s 1 4 9 0 m／ s 发育 。岩层 走向与隧道 轴向垂直并 向掘进方 向陡倾 ，不利于隧道 长度4 0 m 泊松 比为0． 3 0～0． 3 5 ．密度为 开挖．施工开挖时应预防拱顶松动岩块坍塌。 2 ． O 2 ～2 ． 0 3 g ／ c m ，动态杨 氏模 根据 T S P 探 测结 果 ．结合 开挖 面的地质情况 ， 判断围岩为I V 级 。 量为1 1 ～1 3 G P a 。 该 段 反 射 界 信 号 较 强 ，反 射 界 面 与 隧 道 轴 线 呈 大 角 度 相 围岩波速提 高 ，围岩强度提高，但层理较发育，完整性差，地下 DK49 9 49 6～ 47 3 ， 交 ；围岩 平均 速度 V P 31 0 0 水为弱～不发育 。岩层走向与隧道轴向垂直并向掘进方向陡倾． m／S V S 1 5 1 0 m／S 泊 松 不利于 隧道开 挖 ，施工开挖时应预防拱顶松动岩块坍塌。 长度2 3 m 根据T S P 探测结果 ，结合开挖面的地质情况 ． 判断围岩为lV 级。 比 为0 3 O～0． 3 8，密 度 为 2 ． O 2 ～2 ． 1 2 g ／ c m ，动态杨氏模 量 为 1 1 ～ 1 6 G P a 。 该 段 反 射 界 信 号 较 弱 ， 基 本 无反 射 界面 围 岩平 均 速度 可能由于导致岩层泥质成分围岩波速降低 ．强度下降，但完整性 DK4 99 47 3～ 4 05． V p 2 7 3 0 m／ s ，V s 1 4 5 0 m／ s ； 和稳定性较好 ，地下水不发育。围岩强度降低．施工开挖时应预 长 度6 8 m 泊 松 比为 0 ． 2 9 ～0 ． 3 4，密度 为 防拱项松动 、掉块 。 2 ． 0 ～2 ． 0 3 g ／ c m ．动态杨 氏模 根据T S P 探测结果．结合开挖面的地质情况， 判断围岩为I V 级。 量 为1 1 ～1 2 G P a 。 探 测段地下水 为不 ～弱发 育 ，D K 4 9 9 4 0 5 以后 噪音信 号变强 ．有效信 号能量过低 ，信息 可靠性降低 ，围岩情况 有待 在以后 的预报 探测 中予 以确定 。 通过以上地 质预报结果可 以看 出 DK 4 9 9 5 3 6 ～D K 4 9 9 4 0 5 段共 1 3 l m，围岩强度 、整体性和开挖面围岩 基本一致 ，地下水为弱～不发育，岩层走向与隧道轴向垂直并向掘进方向陡倾 ，无特殊结构地质。与设计资料 相近 ，但对隧道前方含水体情况探测结果无法体现。 3 ． 3 红外探水探 测实测数据 3 ． 3 ． 1 红外探水法采集参数 红外探水采集参数表 测试 日期 2 0 0 9 ／ 1 1 ／ 1 7 测试仪器 T S P 2 0 0 P l U S 掌子 面位 置 D K 4 9 9 5 3 6 探 测 付 詈 D K 4 9 9 5 9 6 ～ 6 3 6 洞 鸟 开杉 轮 廓 纬 以 外 3 O m范 闱 及掌 千 而 律 兰州 方 向3 0 m范 闱 内 3 ． 3 ． 2 红外探水探测结果 1 8 7 ■曩 一 通过以上图表可以很清楚的看出DK 4 9 9 5 6 0 ～ 5 4 0 段已开挖段是由于地表浅埋沟谷发生少量涌水，红 外探测场强值略高 ，在靠近掌子面方向红外探测 曲线呈下降趋势，并且在掌子面上的探测值均较低 ，可以判 断隧道洞身向掌子面方向含水率逐渐降低，结合地质资料和隧道已开挖段的情况综合分析 掌子面前方3 0 米范 围内无大的含水构造。沿隧道开挖方 向红外探测曲线呈下降趋势 ，岩体含水率逐渐呈下降趋势。由此判断， D K4 9 9 5 9 6 ～DK4 9 9 5 0 6 段隧道区域无含水构造 ，探测数据表 明含水量逐渐减少 ，且探测范围内无红外异 常，即无有水溶洞体的存在。 3 ． 4 实际施工情况与超前探测结果的对比 通过在权子垭隧道出口掌子面D K4 9 9 5 3 6 同期所作的超前地质预报预测结果及红外探水结论相结合，相互 印证了沿隧道开挖方向的地质构造及含水体情况，与设计资料基本相近。通过对DK 4 9 9 5 9 6 ～DK4 9 9 5 0 6 段 后期开挖施工的观察与探测数据的对比，实际开挖出露地质与预报结果相吻合，含水量逐渐减少，且无含水构 造 。 4 结论 通过以上探测数据及探测结果可知， T S P 超前探测的优点为可准确预测出隧道掌子面前方的界面 断层及断层 破碎带、 软弱夹层、 不同岩层分界面、 地层分界面、 岩溶洞穴等 位置及规模， 但也有其局限性， 对隧道施工掌子面 前方地下水状况、 岩溶洞穴充填物及其性质的预报尚处在摸索研究阶段， 而隧道施工涌水、 岩溶涌水、 岩溶淤泥涌 砂灾害严重影响隧道施工的正常进行， 水害已成为隧道施工中最主要的灾害源。 红外探水技术通过接受岩体的红 外辐射强度， 根据围岩红外辐射场的变化来分析判断掌子面前方3 0 m范围内是否存在含水体， 是探测地下水的一 种较理想工具， 但红外线探水只能作定性分析， 在目前情况下尚不能作定量分析。 因此引进红外探水技术的应用不 但弥 b T S P 探测水体探测情况的缺陷， 而且使隧道地质探测在水害防治方面更加完善。 因此，T S P 超前地质预报和红外探水技术相结合是一种很好的超前探测手段，在隧道开挖施工中具有很强 的指导作用，通过两者相结合，综合分析，对隧道施工的指导意义更加重大。通过对权子垭隧道出口进行的地 质超前预报和红外探水探测，并对隧道掌子面开挖围岩情况跟踪调查，预报结果与现场实际情况基本吻合，与 设计提供的资料一致，有效的映证了两种超前探测方法的准确性。对隧道施工安全、质量方面有极大的帮助。 通过对隧道进行T S P 超前地质探测，有效的掌握隧道掌子面前方围岩整体性情况，有无特殊地质构造情况，再 1 8 8 结合红外探水技术有效的测出隧道含水量的变化趋势及是否存在含水体 ，极大地降低了隧道开挖施工中突遇水 害的风险，两种探测手段相结合可有效地避免因突遇溶洞、落水洞等不良地质导致隧道施工安全及工期的延 误 。根据两种探测数据 相结合 ，综合分析 可提前 对危险地段采取有效可行 的施 工措施 ，安全 、有效 、快 速地通 过不 良地 质地段 ，既 降低施 工风险 ，又可加快 隧道施工进度 。 参考文献 [ 1 】 权子垭隧道设计图一图号 兰渝施隧参I - 6 4 ， 中铁第一勘察设计院 [ 2 】 权子垭出口 T s P 及红外探测预报报告O 9 ⋯7 期 ， 中 铁一院甘肃铁道综合工程勘察院物探所 【 5 】 铁路工程物理勘探规程T B I o o I - 2 o o 4 }， 铁道部第四勘测设计院 1 89