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TST技術(shù)在洞頭上隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

來源:期刊VIP網(wǎng)所屬分類:路橋建設(shè)時間:瀏覽:

  摘 要:隧道施工中經(jīng)常會遇到各種地質(zhì)災(zāi)害,超前地質(zhì)預(yù)報在隧道施工中非常必要,而眾多手段中,TST技術(shù)有著明顯的技術(shù)優(yōu)點。本文在介紹TST超前預(yù)報技術(shù)基本原理及技術(shù)特點的基礎(chǔ)上,應(yīng)用TST技術(shù)對頂效II號隧道的地質(zhì)情況進(jìn)行了預(yù)報,結(jié)果表明該方法可以準(zhǔn)確解決斷層破碎帶的預(yù)報問題。

  關(guān)鍵詞:超前地質(zhì)預(yù)報;TST技術(shù);濾波;偏移成像;溶蝕;節(jié)理破碎帶;

  1 前言

  地質(zhì)超前預(yù)報的主要目的是預(yù)報災(zāi)害性地質(zhì)對象,其次是基本地質(zhì)要素。災(zāi)害性地質(zhì)對象包括斷裂構(gòu)造、含水體、溶洞、含瓦斯構(gòu)造、巖爆地段等;基本地質(zhì)要素包括地層巖性、工程類別和力學(xué)性狀變化等。隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報就是利用一定的技術(shù)和手段收集隧道所在巖體的有關(guān)資料,并運用相應(yīng)的理論和規(guī)律對這些資料進(jìn)行分析、研究,從而對施工掌子面前方巖體情況或成災(zāi)可能性做出預(yù)報[1]。超前地質(zhì)預(yù)報方法有很多種,如導(dǎo)坑、鉆探、無損探測方法(如地震和地質(zhì)雷達(dá))。目前應(yīng)用的超前預(yù)報技術(shù)有負(fù)視速度法、水平剖面 HSP(Horizontal Section Profile)、TSP203(Tunnel Seismic Predic-tion) [2]、TRT (True Reflection Tomo-graphy)和TST (Tunnel Seismic Tomo-graphy) 等,這些技術(shù)都屬反射波地震預(yù)報技術(shù) [3]。其中,TST較其它方法具有能獲得不同橫向偏移距資料的特點,更能可靠地確定前方圍巖的速度分布,提高地質(zhì)體的定位精度,保證偏移圖像位置的真實性。在數(shù)據(jù)處理技術(shù)上,TST采用的偏移成像技術(shù)充分地運用了反射地震波的走時、幅值、極性等運動學(xué)和動力學(xué)信息,圖像直觀,便于構(gòu)造組合分析,技術(shù)更為先進(jìn)。應(yīng)用偏移成像技術(shù)的前提是必須有掌子面前方圍巖波速的可靠分析,以保證地震資料由時間域到空間域轉(zhuǎn)換的可靠性。在地震資料的采集上,TST技術(shù)從觀測方式和資料處理兩個方面入手,采用了二維方向濾波技術(shù)及按其二維方向濾波技術(shù)設(shè)計的數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng),很好的實現(xiàn)了從復(fù)雜的三維波場中有效地識別不同方向的回波,剔除側(cè)向回波和面波,解決了三維波場的識別、分離和濾波問題,從而保證了速度分析和掌子面前方偏移成像結(jié)果的真實可靠。

  2 TST技術(shù)的原理及預(yù)報方法

  TST技術(shù)是隧道散射地震CT成像技術(shù)的簡稱,其觀測系統(tǒng)是采用空間布置,接收與激發(fā)系統(tǒng)布置在隧道兩側(cè)圍巖中。地震波由小規(guī)模爆破產(chǎn)生,并由地震檢波器接收[4] 。當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ杏龅綆r石強度變化大(如物理特性和巖石類型的變化、斷層帶、破裂區(qū)的出現(xiàn))的波阻抗界面時,部分地震波的能量被散射回來。散射信號的傳播時間與散射界面的距離成正比,因此在準(zhǔn)確獲得圍巖波速的情況下,能作為地質(zhì)體位置的直接測量方法。TST可有效地判別和濾除側(cè)面和上下地層的回波,保留掌子面前方回波,并能同時獲得前方圍巖準(zhǔn)確的圍巖速度和地質(zhì)體的位置圖像 [5]。

  TST系統(tǒng)硬件主要由信號采集處理系統(tǒng)、信號接收及聯(lián)結(jié)系統(tǒng)、爆炸裝置等幾部分組成。

  TST隧道超前預(yù)報技術(shù)的觀測布置是根據(jù)波速分析和二維視速度濾波的要求設(shè)計的,它是一個空間觀測系統(tǒng)。根據(jù)圍巖波速分析的需要,應(yīng)盡量擴(kuò)大橫向展布,橫向展布應(yīng)大于規(guī)定預(yù)報長度的十分之一。實際應(yīng)用中預(yù)報長度為100—200m,橫線展布取為10-20m。為保證有效識別和濾除側(cè)面波和面波,縱向排列長度取2-3個波長,檢波器間距為1/4波長。超前預(yù)報中地震波長為20-40m,檢波器間距應(yīng)設(shè)計為4-6m,排列長度設(shè)計為40-60m,現(xiàn)場容易實現(xiàn)。實際觀測中使用12-24道地震儀,在隧道兩側(cè)對稱布置,檢波器埋入深度1.5-2.0m,4-6個爆炸震源,藥量500g-1kg。下圖為典型的觀測布置圖。

  TST資料的后處理過程主要包括:地震記錄數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、地震記錄選取、地震數(shù)據(jù)預(yù)處理、觀測系統(tǒng)幾何位置編輯、波場方向濾波、圍巖波速分析、地質(zhì)體偏移成像、綜合地質(zhì)解釋等工作。

  3 TST技術(shù)的工程應(yīng)用實例及結(jié)果分析

  3.1 預(yù)報段工程地質(zhì)簡況

  洞頭上隧道位于赫章縣城北東側(cè),距離縣城約4公里,隧道區(qū)處于云貴高原烏蒙山脈北段。屬構(gòu)造剝蝕、溶蝕型低中山溝谷地貌類型。隧道穿越一山嶺,進(jìn)口段為陡巖,出口段坡度較陡,地表覆蓋差,隧道區(qū)植被不發(fā)育,基巖出露,為上下行分離式短隧道,左幅全長303m、右幅全長335m。該隧道為下坡隧道,縱坡為-2.5%。隧道最大埋深約104m。本文工程實例為TST在YK95+282~YK95+132段150m范圍地質(zhì)預(yù)報的應(yīng)用情況。

  工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明本次預(yù)報段隧道埋深32~104m。地表植被不發(fā)育,地形坡度較緩,隧道洞身圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r,巖體較完整,巖石較硬,呈鑲嵌結(jié)構(gòu),溶蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重,隧道開挖后局部易掉塊和崩塌,若遇巖溶洞穴需及時封閉,以免發(fā)生垮塌及冒頂,Kv=0.65,Rc=40MPa,[BQ]=370,為Ⅲ級圍巖。

  3.2 TST地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)的布置

  按照滿足波速分析、方向濾波和減少面波干擾的要求,TST信息觀測采集系統(tǒng)的布置如下:①檢波器12個,布置在兩側(cè)壁內(nèi),每側(cè)6個,間距4.0m,埋深1.8~2.0m;②爆炸震源6個,布置在兩側(cè)壁內(nèi),每側(cè)3個,每側(cè)第1個炮孔距最近檢波器4米,其余2個間距24.0 m,埋深1.8~2.0m,炸藥量450g。③成孔采用φ60風(fēng)鉆成孔,單發(fā)毫秒雷管,采用啟爆器控制啟爆。④采用炮泥耦合和封堵。詳見下圖2。

  3.3 預(yù)報結(jié)果及地質(zhì)解釋

  本次預(yù)報范圍為YK95+282~YK95+132段150m范圍的地質(zhì)構(gòu)造情況。TST的預(yù)報結(jié)果包含構(gòu)造偏移圖像和圍巖波速分布圖像兩部分內(nèi)容。資料處理流程包括以下步驟:地震數(shù)據(jù)導(dǎo)人、帶通濾波、干擾信號消除、壞道剔出、觀測坐標(biāo)編輯、二維方向濾波、圍巖波速掃描、地質(zhì)構(gòu)造深度偏移成像等。最后的預(yù)報結(jié)果包括圍巖波速分布和深度偏移圖像兩部分,相互印證,便于綜合地質(zhì)解釋。

  圍巖波速的分布可用于掌子面前方巖體的力學(xué)性狀的推斷,巖體波速高表示巖體結(jié)構(gòu)完整致密,彈性模量高;波速低代表巖體破碎;構(gòu)造偏移圖像表示地質(zhì)結(jié)構(gòu)的組合圖像和地層性質(zhì)的變化。從偏移圖像中可以較為清晰地看到斷裂破碎帶的構(gòu)造、巖性界面的組合關(guān)系和地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖像。

  對預(yù)報結(jié)果偏移圖像及圍巖波速分布進(jìn)行綜合分析,洞頭上隧道出口右線本次預(yù)報段(YK95+282~YK82+132)巖體,總體上為中風(fēng)化灰?guī)r類,巖體完整性較好。局部因存在溶蝕、節(jié)理裂隙等發(fā)育的情況,巖體破碎。本段建議圍巖級別為III級。其中:YK95+282~YK95+206段范圍內(nèi),其中YK95+269~YK95+254段掌子面中部及YK95+220附近掌子面左側(cè)發(fā)育溶蝕或節(jié)理破碎帶的可能性較大,施工中應(yīng)重點關(guān)注; YK95+206~YK95+164段范圍內(nèi),巖體完整性較好,無明顯不良地質(zhì)體特征; YK95+164~YK95+132段范圍內(nèi),巖體整體完整性較好,重點關(guān)注YK95+150附近不良地質(zhì)體發(fā)育的可能性。

  4 結(jié)語

  TST隧道地震預(yù)報技術(shù)在國內(nèi)外率先采用方向濾波技術(shù)、波速掃描技術(shù)和逆散射偏移成像技術(shù),彌補了以往超前預(yù)報技術(shù)的缺陷,保證了超前預(yù)報的可靠性與準(zhǔn)確性,具有預(yù)測距離遠(yuǎn),操作簡單,成果豐富等特點。通過本次TST超前地質(zhì)預(yù)報,基本查明了預(yù)報區(qū)域的地質(zhì)情況,探明了前方發(fā)育溶蝕或節(jié)理破碎帶的位置,開挖結(jié)果與預(yù)報結(jié)果基本一致,使施工方能夠及時地預(yù)知了解掌子面前方的地質(zhì)情況,為隧道施工和及時地調(diào)整支護(hù)參數(shù)提供依據(jù),有效地控制了地質(zhì)事故的發(fā)生,提高了施工安全性和施工進(jìn)度。

  參考文獻(xiàn):

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