物探法在灰?guī)r隧洞超前地質(zhì)預(yù)報中運用

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摘要:文章將TSP與地質(zhì)雷達用于某灰?guī)r隧洞超前地質(zhì)預(yù)報，簡述了兩種物探方法的工作原理，在TSP預(yù)報異常區(qū)開展地質(zhì)雷達補充探測工作，兩者推測的溶蝕分布區(qū)較吻合，隧洞實際開挖結(jié)果驗證了物探預(yù)報成果的可靠性。結(jié)果表明:溶蝕區(qū)對應(yīng)TSP縱波或橫波波速偏低，對應(yīng)地質(zhì)雷達振幅強、同相軸呈雙曲線狀的電磁異常。

關(guān)鍵詞:TSP;地質(zhì)雷達;灰?guī)r;超前預(yù)報

杭州市第二水源千島湖配水工程從淳安縣境內(nèi)取水，通過千島湖進水口、輸水隧洞、分水口等工程措施，輸送千島湖原水，沿途分配水量至沿線的建德、桐廬、富陽部分區(qū)域，并在杭州市閑林水庫分配水量至杭州市主城區(qū)、蕭山區(qū)和余杭東苕溪以東地區(qū)等3個方向，實現(xiàn)水位、水量控制，提高杭州及沿線城鄉(xiāng)供水水質(zhì)和保證率。杭州市區(qū)形成千島湖、錢塘江、東苕溪聯(lián)合供水、互為備用的多水源供水格局，并為實現(xiàn)分質(zhì)供水打下基礎(chǔ)。其中杭州市第二水源輸水通道(江南線)設(shè)計將閑林水庫優(yōu)質(zhì)原水通過陸域管道、過江管道段以及山嶺段隧洞輸送至杭州濱江區(qū)、蕭山區(qū)以及大江東產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，輸水線路設(shè)計供水能力200萬m3/d，為省重點水利工程。江南線山嶺段隧洞沿線地形地貌以中低山—丘陵為主，地表起伏較大，隧洞沿途穿越的地層繁多復(fù)雜，表部覆蓋層以第四系殘坡積、洪坡積及沖洪積含碎塊石粉質(zhì)粘土、含泥砂礫卵石等為主;下伏基巖以志留系、泥盆系及石炭系地層為主，巖性以石英砂巖、長石石英中細粒砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖及生物屑灰?guī)r等為主。其中石龍山隧洞段穿越地層巖性以生物屑灰?guī)r及白云巖為主，厚層狀－塊狀。表部巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，地表局部可見巖溶洼地、落水洞、溶隙溶溝等巖溶形態(tài)發(fā)育。沿線地層復(fù)雜多變，構(gòu)造較為強烈，地層產(chǎn)狀不穩(wěn)定，洞線局部區(qū)段掘進過程可能遭遇溶蝕發(fā)育、巖性接觸帶以及破碎帶等不良地質(zhì)，開展超前地質(zhì)預(yù)報工作可事先了解掌子面前方不良地質(zhì)的分布情況，為隧洞安全施工提供重要指導(dǎo)。超前地質(zhì)預(yù)報方法分為直接法與物探法2類，其中超前鉆探［1-3］與導(dǎo)洞開挖［4-5］都屬于直接預(yù)報法，其優(yōu)點在于成果直觀準(zhǔn)確，但對施工工期影響大。物探方法［3-6］是根據(jù)隧洞巖體速度、電導(dǎo)率、密度、介電性等差異為前提，采集掌子面前方物探異常信息，進而推測隧洞前方地質(zhì)情況的高效探測技術(shù)，其中TSP與地質(zhì)雷達是隧洞超前地質(zhì)預(yù)報領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的方法之一，本文將瑞士最新一代TSP303以及美國最新研發(fā)SIＲ4000地質(zhì)雷達用于石龍山隧洞某巖溶發(fā)育區(qū)段超前地質(zhì)預(yù)報，成功探測了溶蝕帶的分布，為隧洞安全施工提供了準(zhǔn)確參考。

1物探法原理及觀測系統(tǒng)布置情況

TSP是地震反射波探測方法的1種，其特點在于采用小量炸藥在隧洞壁激發(fā)地震波，地震波在空間域以球面波形式擴散，當(dāng)遇到巖體完整性存在顯著差異的界面時，一部分地震波將被反射回來，并被1～4個寬頻帶、高靈敏度的三分量地震傳感器所接收。通過對地震反射數(shù)據(jù)做帶通濾波、速度拾取、拉冬變換、波場分離及偏移成像等方法處理后，可得到隧洞前方巖體的縱橫波波速分布情況，進而推測掌子面前方巖體完整性特征。TSP觀測系統(tǒng)如圖1所示，接收器置于隧洞壁兩側(cè)，距掌子面＞56m，孔深2m，角度微上傾;24個炮孔置于一側(cè)邊墻，約高出隧洞底板1m，孔深1.5m，角度微向下傾斜;接收孔距離掌子面最遠的24號炮孔20m，26個鉆孔盡量控制在同一平面內(nèi)。地質(zhì)雷達是工程物探常用技術(shù)手段之一，具有高效率、高分辨率的特點，其采用偶極子天線發(fā)射并接收來自掌子面前方的電磁反射信息，根據(jù)采集波形的振幅、相位及頻率等特性推測巖體完整性情況。雷達測線一般位于掌子面中下部，為提高數(shù)據(jù)信噪比，采用基于128次疊加的單點探測方式，從左至右逐一探測，對于巖溶發(fā)育隧洞，可適當(dāng)將測線向左右兩側(cè)邊墻延伸。

2典型預(yù)報成果分析

石龍山隧洞樁號K10+248—K10+048區(qū)段TSP探測成果如圖2所示，TSP炮孔布置洞段巖性為灰色灰?guī)r，局部含鐵錳質(zhì)，局部存在弱溶蝕，巖體完整性較好。如圖2所示，樁號K10+248—K10+048范圍內(nèi)巖體縱波速度為5471～6635m/s，橫波速度為3337～3817m/s，縱橫波波速比為1.48～1.92，泊松比為0.08～0.31，密度為2.88～3.06g/cm3，靜態(tài)楊氏模量為78～119GPa，動態(tài)楊氏模量為80～104GPa。除縱橫波速比與泊松比偏高對應(yīng)巖體含水量較大，其余參數(shù)偏低均預(yù)示巖體完整性較差，就灰?guī)r隧洞探測而言此區(qū)段各TSP物理力學(xué)指標(biāo)總體一般較好，其中K10+229—K10+213、K10+198—K10+181及K10+100—K10+048區(qū)段縱波或橫波波速、密度及各物理力學(xué)指標(biāo)多呈現(xiàn)極小值，推測巖體局部存在溶蝕或節(jié)理裂隙發(fā)育，施工過程巖體局部可能出現(xiàn)滴滲水。實際開挖表明隧洞巖體總體較完整，在TSP異常區(qū)域揭露少量溶蝕，驗證了TSP預(yù)報的有效性。此外，隧洞掘進至樁號K10+051附近隧洞左邊墻角揭露一小型溶蝕通道(如圖3黑框標(biāo)注所示)，有地下水滲出，但此樁號附近TSP異常僅表現(xiàn)為橫波波速偏低，故灰?guī)r隧洞TSP預(yù)報時對橫波速度偏低但縱波速度正常的區(qū)段也應(yīng)予以重視。樁號K10+051～K10+021區(qū)段地質(zhì)雷達探測成果如圖4所示，雷達信號反射能量局部較強，頻率以中頻為主，同相軸局部彎曲錯斷，推測雷達探測區(qū)段巖性仍為塊狀灰?guī)r，巖體完整性一般，推測圖4中黑色框標(biāo)注的區(qū)域溶蝕裂隙或溶蝕空腔較發(fā)育，富含地下水。此外，樁號K10+028—K10+021區(qū)段存在平行傾斜帶狀且振幅較強的反射信號(圖4黑色線劃出)，但其頻率較高，隧洞實際開挖表明此區(qū)段未見明顯溶蝕區(qū)域，石龍山隧洞大量雷達預(yù)報經(jīng)驗表明完整性較好的灰?guī)r掌子面探測時，雷達剖面常出現(xiàn)此類干擾信號，推測為電磁波在隧洞巷道中產(chǎn)生的繞射波。

3結(jié)論

TSP與地質(zhì)雷達相結(jié)合的綜合物探方法適用于灰?guī)r隧洞溶蝕發(fā)育段超前預(yù)報，TSP縱波或橫波波速偏低的區(qū)段以及地質(zhì)雷達剖面反射波振幅強，同相軸呈雙曲線狀并伴隨少量多次反射特征的區(qū)域溶洞或溶蝕帶發(fā)育的可能性大;灰?guī)r隧洞段地質(zhì)雷達探測易產(chǎn)生傾斜帶狀同相軸強反射，其與溶蝕異常差異在于后者伴隨一定程度的多次反射。

作者：劉洋 李俊杰 單位：浙江省水利水電勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司