复杂富水公路隧道施工中超前地质预报的探讨

GXF360 2017-05-21

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复杂富水公路隧道施工中超前地质预报的探讨

罗旭光

(中铁十六局集团第三工程有限公司,浙江湖州 313000)

摘要：苏州市西山岛出入通道扩建工程渔洋山通道隧道区属于太湖沿岸构造——剥蚀低山地貌,地下水丰富,地质条件复杂,施工中经常出现突水突泥,给施工带来很多不便。经在该地段采用地质雷达、TSP203Plus和红外探测仪综合预报方法预报掌子面前方地质情况,根据反馈信息可以及时更改施工方法和增加辅助措施,确保隧道安全施工。

关键词：富水隧道；TSP；地质雷达；红外探水；超前地质预报

1 概述

苏州市西山岛出入通道扩建工程渔洋山通道位于苏州市吴中区太湖国家旅游度假区内,濒临太湖沿岸。路线自舟山路与孙武路平交口向西,在环太湖路与孙武路交叉口向南与环太湖路共线,全长4.737 km。隧道区属于太湖沿岸构造——剥蚀低山地貌,隧道穿越渔洋山山顶高程为170 m,坡脚位置高程4～15 m,隧道进口为蒋墩公墓,进洞口山体坡度约为22°,坡向与隧道走向相反。隧道出口西侧现有人工采石场,出露岩性主要为石英砂岩夹砂质泥岩,总体坡度约为15°,坡向与隧道走向斜交。

隧道穿越地段地表覆盖层为第四系残坡积土,以粉质黏土夹碎石为主。进出洞口段残坡积土厚5.1～8.0 m,山体之上残坡积土厚度仅0.5～2.0 m,山体树木茂密,通视条件较差。隧道两侧接线属于古泄湖平原区,地势低平,地面高程为2.8～4.3 m。隧道两侧接线路基分布有全线统及上更新统土层, 揭示层厚20 m, 隧址区表层为第四系残坡

积层(Q),第四系残坡积层由碎石和角砾组成,灰黄色,呈松散状,分布广泛,与下伏基岩界限清晰。下伏基岩为古生界泥盆系上统五通组 (D3W),岩性为一套黄褐色至紫褐色粉砂岩、泥质粉砂岩及浅灰白色石英砂岩夹泥质砂岩。隧道构造节理多为剪节理。节理面较为平直,多呈闭合状态,见铁质浸染。

随着深长山岭隧道工程建设不断向西部山区推进,为了确保工程安全,对工程地质勘测提出了更高的要求。对于山高洞长隧道,工程地质和水文地质条件复杂，地表的勘察技术和条件有限,在施工的前期很难对工程区域的地质情况进行全面而精准的掌握,特别是富水、断层以及破碎岩体等不良地质具有很强的隐蔽性,很难对隧道岩性的不良地质情况作出准确的揭示,而类似不良地质又是主要的灾害赋存源,在隧道施工过程中有可能诱发突水突泥、塌方等地质灾害,给隧道施工带来严重的财产损失乃至危及施工人员的生命安全。因此在隧道施工阶段应精准地开展超前地质预报工作,对确保隧道安全施工起到十分重要的作用[1-2]。

2 TSP203Plus、地质雷达和红外探测仪的基本原理

2.1 TSP203Plus基本原理

TSP(Tunnel seismic Prediction)是属于多波多分量高分辨率地震反射波的一种探测技术,是为地下硐室地质超前预报而专门设计的,能在地下硐室施工、地下矿藏和洞穴开挖前提供帮助,迅速超前地提供在开挖掌子面前方的三维空间的工程地质预报，是专门为长距离隧道在施工过程中的超前地质预报而设计的。它的地震波由小药量激发产生,小药量有效激发信号要在18个以上,通常布置24个小药量炮孔激发信号。地震波在岩石中以球面波形式传播,当遇到岩石界面,有一部分信号发生反射,反射回来的信号由检波器接收并记录下来,这是一种快速、有效、无损的地震波反射探测技术[3-4]。图1为TSP隧道超前地质预报原理图。

图1 TSP隧道超前地质预报原理图

2.2 地质雷达的基本原理

地质雷达是利用超高频窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探方法。目前地质雷达种类很多,有进口的也有国产的,其工作原理为发射天线向隧道掌子面前方发射电磁波信号,当电磁波在介质中传播时遇到存在电性差异的地下目标物时(如空洞、分界面等),电磁波将发生反射,返回的电磁波由接收电线接收(天线有一体化的、分离式的等)。并对接收到的电磁波进行处理分析,通过雷达波形和强度等参数推断出地下目标物的空间位置、结构及几何形态。从而达到对地下隐蔽目标物的探测[5-6](图2)。

图2 雷达探测原理示意图

2.3 红外探测仪的基本原理

红外探测技术是通过探测前方30 m范围内陆质体辐射的红外场强度。如果掌子面前方存在脉状含水体、地下脉状流或者隐伏含水体等异常现象时,其辐射出来的异常红外场将会叠加在正常的辐射场上,而在探测数据上将会出现畸形。即通过对采集到的数据进行有效的分析处理,就可以较为全面地预测隧道前方的不良地质体,特别是含水体[7-9]。

3 应用实例

在隧道施工过程中,经常会出现很多不良地质情况,如溶洞、断层破碎带、突泥突水、节理发育强风化岩等。为了确保隧道内的安全施工以及避免涌水、塌方等地质灾害事故的发生,就必须对隧道进行TSP、地质雷达、红外探水等地质超前预报，预先了解掌子面前方的地质情况,并采取相应的措施。以下为渔洋山隧道施工过程中遇到的典型断面进行分析,以掌子面YK4+352为例,对该掌子面进行地质超前预报,然后根据开挖过程中反馈的信息,并将三种情况的预报结果进行对比,最后与实际开挖的地质情况进行验证。

3.1 TSP探测结果分析

用TSP203Plus相应的处理软件TSPwin PLUS2.1对采集的数据进行处理分析,得到相应波(P、SH、SV)的深度偏移剖面和反射界面,以及相应的岩石力学参数和二维、三维效果图。图3是渔洋山隧道2D效果图,根据该图可以得到如下结论:

图3 渔洋山隧道2D成果图

1)里程YK4+352至YK4+319区段,长约33 m,围岩破碎,整体性较差,节理强发育,薄产状,岩质较软,强风化岩层,岩体局部渗水；

2)里程YK4+319至YK4+289区段,长约30 m,此段围岩相对稍好但仍为破碎,节理裂隙强发育,薄中产状互存,局部强风化岩层,岩质软硬不均,岩体存在含水构造,其中YK4+307至YK4+295段存在强层理或斜层构造,开挖时需要注意；

3)里程YK4+295至YK4+265区段,长约30 m,围岩局部破碎,整体性稍差,薄中产状互存,节理强发育,局部存在软弱夹层,岩质软硬不均,岩体含水；

4)里程YK4+265至YK4+235区段,长约30 m,围岩局部破碎层间结合性一般差,薄-中层状,节理强发育,局部强风化,岩质薄中互存,其中YK4+255至YK4+245存在严重倾斜状或断层。

3.2 地质雷达探测结果分析

隧道该掌子面采用上下台阶法开挖,围岩为强风化红砂岩,呈松散状,岩体破碎,节理裂隙强发育,掌子面左右两侧有渗水。

采用雷达对掌子面YK4+352进行预报,数据分析由IDSP5.0软件进行分析,分析结果见图4。其波形的主要特征为：界面存在强烈的反射波,波在节理中传播时波形杂乱,且波的振幅变化较大,同相轴不连续。根据波形分析可推断,掌子面前面的围岩较为破碎,节理裂隙强发育,其中0～10 m处围岩存在含水构造,岩体富水。

图4 地质雷达探测剖面图

3.3 红外探测仪探测结果分析

运用红外探测仪HW-304对渔洋山隧道出口掌子面里程YK4+352进行探测分析。通过对渔阳山隧道出口YK4+352掌子面前方30 m范围内的探测数据判断：由掌子面岩体上均匀布置24个测点的红外辐射场强数值,可知其最大值为312 μW/cm2,最小值为300 μW/cm2,差值为12 μW/cm2,大于允许的安全值10 μW/cm2。