特长深埋隧道裂隙破碎带的地震波探测及其工程应用

摘要：山岭地区隧道的修建面临诸多未知地质灾害的威胁，其中塌方是隧道工程主要风险源之一，致塌因素众多，机制复杂，而目前阶段的地质勘查技术却未能完全掌握隧道轴向平面上的地质情况。在隧道开挖过程中，对掌子面前方的地质条件进行超前地质预报，可有效地防止工程事故，减少经济和生命财产损失，以保证工程质量。本文对隧道超前地质预报方法做了简要概述，并以TSP隧道地震波地质预报手段对尚家湾隧道进行工程应用实践，为TSP预报在隧道建设过程中提供一些应用经验。

关键词：塌方；超前地质预报；TSP；工程应用

中图分类号：U456文献标识码：A

我国西部主要地处丘陵及高山峡谷地段，地质条件复杂，随着国家对基础设施建设的大力投入以及西部大开发的进一步实施，修建高速公路能减少运输时间，提高区域经济运作效率，有利于国民经济整体快速发展。在该地区修建大量的高速公路，不可避免地将会遇到长大、深埋山岭隧道。由于地质情况复杂性以及难预测性，塌方在隧道施工过程中时有发生，易造成施工工期延误、经济损失以及生命财产损失，塌方已然成为隧道施工过程中一项重大威胁。

由于西部地区的复杂多变的工程地质条件和水文地质条件，隧道围岩和其周围不良地质体（断层、破碎带、溶洞、暗河、软弱地层等）所处状态在目前地质勘查技术水平层面上难以在施工前查明。由于前方地质情况不明，隧道开挖时常常伴随各种险情，例如塌方、涌水、岩爆、泥石流等地质灾害，这些险情会严重影响工程的进展，给施工带来设计变更麻烦和工程造价提高，有时甚至会产生重大的事故。因此，采用科学的、先进的隧道超前地质预报技术预测、预报隧道开挖工作面前方的地质构造，准确查出隧道掘进方向的围岩性状、结构面发育情况，特别是溶洞、断层、破碎带和含水情况，减少隧道施工的盲目性一直是国内外隧道施工和地质工作的重要研究课题。

为使隧道施工顺利进行，尽可能减少经济损失，超前地质预报成为了现代隧道施工过程中不可或缺的一部分，近年来被广泛用于隧道地质预报工作[1~3]。目前常用的超前地质预报方法依据预报的距离可分为长距离超前地质预报和短距离超前地质预报两类。长距离超前地质预报方法主要有TSP 隧道地震波预报技术等，短距离超前地质预报方法主要有掌子面地质素描、地质雷达等。

本文介绍了TSP隧道地震波预报技术在尚家湾隧道岩体破碎带预报中的应用情况，为TSP超前地质预报在公路隧道建设中的有效应用提供一些有价值的经验。

1 隧道地震波预报（TSP）工作原理

TSP203plus隧道超前地质预报系统是目前常用隧道长距离、高精度的预报方法之一，其宏观的地质探测特点促使隧道施工对不良地质的预见性处理，特别是突水涌泥、塌方风险中的应用[4~6]。该系统通过在掌子面后方一定距离内的钻孔中以微震爆破来发射信号的，爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，经隧道前方的界面反射回来，反射信号经接受传感器转换成电信号并放大。从起爆到发射信号被接收的这段时间是与反射面的距离成比例的。通过反射时间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，同时还可将隧道中存在的岩性变化带位置方便的探测出来。

振动波由在特定位置人为制造的小型爆破产生，一般是沿隧道一侧洞壁布置24个爆破点，爆破点平行于隧道底面呈直线排列，孔距1.5m，孔深1.5 m，炮孔垂直于边墙向下倾斜10～15度，以利于灌水堵孔。距最后的爆破点15～20m处设接收器点（在一侧或双侧），接收器安装孔的孔深2 m，向上倾斜15度，内置接收传感器。图1为观测系统与隧道关系平面示意图。

在测量过程中，逐次引爆爆破点的炸药（约50-150g，根据围岩不同适时调整），制造出小型地震波，地震波遇到节理面、地层层面、破碎带界面和溶洞、暗河等不良地质界面时，将产生反射波，反射波的强度及传送时间反映了相关界面的性质、产状、距离接收点的距离。利用TSPwin软件对采集的TSP数据进行处理，获得P波、SH波、SV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。解释中，遵循以下准则：① 正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；② 若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水；③ Vp/Vs增加或δ突然增大，常常由于流体的存在而引起；④ 若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。

图1 观测系统与隧道关系平面示意图

2 应用实例

2.1 工程概况

尚家湾隧道是在建的湖北省保康至宜昌高速公路襄阳段的一座分离式特长隧道。隧道区基岩露头均为沉积岩地层，隧道区内断裂构造发育，主体构造规模巨大的有通城河断裂带。隧道地层为上白垩系罗镜滩组石灰质砾岩，地表岩溶发育，分布大量的岩溶洼地、落水洞、漏斗，大气降水直接通过落水洞，漏斗灌入地下，并通过地下河排向深切河谷，K65+900两侧发育有漏水洞，为典型的强岩溶隧道，施工风险极大。

2.2 TSP203超前预报

尚家湾隧道进口段右洞掌子面施工至YK64＋890，采用TSP203plus进行了超前地质预报。此次TSP预报共激发24炮，炮点距1.5 m，接收器置于隧道左边墙内（面向掌子面）接收，传感器桩号为YK64＋834。采集参数为：采样率62.5μs，记录长度7218样点，X-Y-Z三分量接收。通过TSPwin软件对采集的数据进行分析，可以得出深度偏移图及提取的反射面（图2）以及岩体物性图（图3）。

图2 P波偏移图提取的反射界面

图3 2D结果显示与岩体物性图

从岩体物性图中可以看出YK64+931～YK64+942段岩体的S波波速较前一段围岩有较大下降，且泊松比上升，而密度下降，反射层提取图中S波出现较明显负反射面，可以推测该段围岩强度下降，节理裂隙较发育，可能存在软弱破碎结构体，或赋存少量水，开挖过程中极有可能发生围岩失稳掉块或塌方。

2.3 开挖验证

2013年5月30日，尚家湾隧道右洞YK64+939处加宽带出现严重塌方，围岩裂隙发育，坍塌第一次后，现场踏勘发现，隧道掌子面顶部围岩处软弱夹层(见图4)。根据现场踏勘结果，经专家会议决定将围岩级别由Ⅲ级变更为Ⅲ级加强。然而，2013年5月30日下午掌子面立格栅拱架时，拱架2出现严重塌方，压坏拱架台车。

图4塌方前隧道掌子面顶部围岩软弱夹层

2.4 塌方治理方案与效果

经专家会议商讨决定按S5b支护型式支护，施作超前小导管，导管长4 m，搭接长度1.6 m，间距40 cm，立I18工字钢，间距60 cm，二村厚度45 cm。

图5 塌方处理后效果

由于本工程前方探测段充填型溶洞中充填物丰富，软弱介质中夹杂中大块“危石”，所测溶洞出露位置大部分集中在隧道洞身的右侧部位，采用护墙支顶的方法进行加固处理，然后对开挖后的围岩及时施作初期支护；同时考虑到喷射混凝土层与层间的黏结力及充填介质与危石之间的黏结力过小，因此需变更设计施工方案，架设钢拱架，对危石进行支撑，以防止其掉落，采用模筑C20混凝土进行支护，2m以外范围回填片石，完善竖向盲沟、暗沟、预埋排水管等排水系统，将其与原过水通道相连或者引入隧道水沟。按照上述方案在尚家湾隧道开挖过程中及时对掌子面采取加固处理措施，取得了较满意的效果，很好地制止和预防了施工塌方和碎石掉落的发生，确保了隧道施工质量和安全。塌方处理效果照片如图5所示。

3 结语

（1）隧道超前地质预报技术对于隧道施工安全、施工质量和进度极为重要。受各种条件的限制，不同的隧道超前地质预报方法各有优缺点。在地质勘探资料的基础上采用长短结合的综合超前地质预报方法可以提高预报的精度。

（2）TSP隧道地震波预报技术能为隧道施工过程中提供掌子面前方地质条件的预测，其长距离、高精度的预报优点让掌子面前方100 m以上的岩体的宏观地质情况在施工前有全方位的掌握，提前预知不良地质体的赋存情况，使得施工时更加有针对性。

（3）TSP超前地质预报方法操作性较强，易受隧道内环境和炮孔布设情况的影响，在操作规范的情况下仍不会对不良地质有百分之百的预测。如何正确识别探测过程中的干扰，对TSP图像信息的异常情况做出正确的解释判断，还需要积累大量的工程实践经验。

参考文献

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胡朝阳（1974-），男，工程师，中铁十四局集团第二工程有限公司，山东泰安271000