浏阳河隧道超前地质预报技术

1 引言由于隧道与其他工程相比，具有隐蔽性、复杂性和不确定性等突出特点，特别是水底隧道工程由于地质环境复杂，基础信息缺乏，加之勘察手段不足等各方面的限制，必然造成了不可能完全掌握施工中的地质状况，这就有可能带来坍方、突泥突水、瓦斯爆炸、岩爆等重大地质灾害。这些重大地质灾害一旦发生必然会对整个工程建设带来巨大的损失，故做好隧道地质灾害防治工作是一项亟待解决的重大课题。而地质超前预报则是解决这一课题的关键技术。地质超前预报技术的研究及应用对我国一些重大工程和地质条件复杂的工程施工和地质灾害预防具有重要的意义。浏阳河隧道工程位于长沙市主城区北部新河三角洲浏阳河入湘江口，南接湘江大道，下穿浏阳河，北接规划路——湘江大道。本工程为双向四车道隧道，穿越浏阳河段采用矿山法施工，两岸结构采用明挖法施工，隧道长度为 1400m，建筑长度为 1760m，浏阳河隧道穿越浏阳河段采用矿山法施工，两岸结构采用明挖法施工。矿山法施工段东线长度为 579.20m，西线长度为 567.36m。矿山法段在河床下最小埋深厚度为 14m，最大埋深位于北岸河堤处，厚度为 31m；矿山法段左右两隧道净间距约为 7.68 ～ 23.38m。隧道场地地层主要为第四系全新统人工填土层，第四系更新统冲积层、残积层、白垩系碎屑岩层和板溪群板岩。隧道围岩主要为强风化砾岩和中风化砾岩，软弱结构面主要为节理及裂隙，由于围岩为砾岩，层间结合好，且岩层基本平坦，倾角很小，对围岩稳定性影响不大，但局部地段节理裂隙发育，且岩石为砾岩，胶结成分为泥质，遇水易崩解、软化。隧址地表水主要为河流积水，地下水主要为基岩裂隙水，局部地段地下水发育丰富。2 地质超前预报的方法、设备及原理地质超前预报的研究，目前国内外都处于探索的阶段，也没有一套完整的简单易行的方法。地质超前预报分为长期超前预报和短期超前预报。长期超前预报的预测距离一般为100 ～ 500m，甚至更长。主要技术手段有地面地质调查法、断层参数法、地震波探测法等。短期超前预报又称跟踪预报，在长期超前预报的基础上进行，预报的距离为 15 ～ 30m。主要技术手段包括掌子面编录预测法、超前钻孔、瞬变电磁法、地质雷达探测法等。根据浏阳河水底隧道的地质情况，主要以探测地下水发育情况、破碎带和软弱夹层为主，故在浏阳河水底隧道施工中，尝试采用的地质超前预报措施为TGP-206地震波探测法为主，辅以掌子面素描和超前探孔。2.1 探测原理TGP-206探测法是利用地震波反射回波方法测量的原理。地震波震源采用小药量炸药激发产生，炸药激发在隧道边墙的风钻孔中，通常 24个炮孔布置成一条直线。地震波的接收器也安置在孔中，一般左右洞壁各布置一个。地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时，例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带、地下水赋存带等，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质继续传播。反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收，反射信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比，因此通过测量直达波速度、反射回波的时间、波形和强度，可以达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的。在一定间隔距离内连续采用上述方法，结合施工地质调查，可以得到隧道围岩的地质力学参数，如动弹性模量、动剪切模量和动泊松比参数等。工作中结合相关的地质资料和施工地质工作，总结预报经验可以提高预报的准确性。2.2 探测仪器简介TGP-206（Tunnel geology Prediction )隧道地质超前预报系统由北京市水电物探研究所研制，已经经过国内著名隧道专家组评审，鉴定为具有国际先进技术水平。TGP-206 隧道超前地质预报系统包括仪器主机、配件和处理软件三部分组成。2.3 预报方法在隧道左壁（或右壁）的同一水平线上从距掌子面 3 ～ 6m 处开始向外布置 24 个炮孔，炮孔间距 2.0m，炮孔高度 1.1m，最外侧炮孔与接收孔的最近距离为 20m，如图 1 所示。3 探测结果初步分析本文以浏阳河水底隧道右线 YK0+955~YK1+115 范围段的 TGP-206 地质超前预报为例进行分析。采集的 TGP 数据，通过 TGPWin2.1 软件进行处理、获得P波、SH波、SV波的时间剖面、相关偏移归位剖面等成果。在成果分析中：以P 波、SH 波、SV 波的原始记录分析测段岩体的地质条件；以相关偏移归位剖面预报前方岩体地质条件，预报分析推断以P波剖面资料为主，结合横波资料综合解释。解释中遵循以下准则：① 若S波反射较P波强，则表明岩层含水。② 左右洞壁对比，以激发和接收在同一侧的资料为主的原则。③ 纵横波资料对比，以纵波资料为主的原则。3.1 预报基础段岩体参数表浏阳河水底隧道右线 YK0+955~YK1+115范围段的 TGP-206 地质超前预报探测的基础段岩体参数表如表 1 所述。3.2 三分量 P 波 SH 波和 SV 波原始波形图（如图 2、图 3）3.3 综合偏移成果图（如图 4、图 5）3.4 同 / 对侧偏移与衰减处理成果图（如图 6、图 7）3.5 结果分析综合分析隧道左右壁原始记录，分离后的纵横波（P、SH、SV）记录，以及 P 波、SH 波、SV 波的相关偏移归位剖面图得知：检测段围岩在 YK0+890 ～ YK0+955 段，纵波（Vp）速度为 2500m/ 秒；横波（Vs）速度为 1500m/ 秒；动泊松比为 0.219；岩体动弹性模量为 12022MPa；岩体动剪切模量为 4932MPa；岩体密度为 21.5KN/m3。预 报 掌 子 面 前 方 岩 体 在 如 下 里 程：YK0+955 ～ YK0+990 段岩体岩性以强风化砾岩为主，岩体稳定性差，较破碎，含水量丰富；YK0+990~YK1+022 段岩体岩性以强风化砾岩为主，夹杂着中等风化砾岩，岩体稳定性较差，含水量丰富；YK1+022~YK1+042段岩体岩性为中等风化砾岩，岩体稳定性一般；YK1+042~YK1+066段岩体岩性以强风化砾岩为主，夹杂着中等风化砾岩，岩体稳定性较差，含水量丰富；YK1+066~YK1+082段岩体岩性为中等风化砾岩，岩体稳定性一般；YK1+082~YK1+115段岩体岩性以强风化砾岩为主，夹杂着中等风化砾岩，岩体稳定性较差，含水量丰富。4 预报结论分析与对比本次以对浏阳河隧道右线地质超前预报范围为 YK0+955 ～ YK1+115 为例，预报长度160m，对该段的地质情况预报成果及与实际对比如表 2 所述。5 结束语坍方和突泥突水是浏阳河水底隧道工程的主要可能地质灾害，该工程通过采用以 TGP-206 探测仪器为主要地质超前预报手段，很好的预报了浏阳河水底隧道水下浅埋矿挖段的超前地质情况，预报的结果与实际相比准确率达到 85% ～ 95%，为浏阳河水下施工作业提供了良好的地质灾害预防指导，目前隧道已双向贯通。经实践避免了一系列地质灾害的发生。