中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
在隧道施工中，塌方易造成工期延誤、人生傷害和財產(chǎn)損失，是隧道運營的一個重要安全隱患隧道埋深越小，越容易發(fā)生塌方，圍巖強(qiáng)度越低，塌方程度越嚴(yán)重,所以隧道V型淺埋段的超前預(yù)報工作顯得尤為重要.然而該工作一直以來是一個難題，因為深埋隧道中主要考慮的是巖性變化、斷層構(gòu)造、水、巖溶等危險地質(zhì)問題，而隧道淺埋段除上述問題之外，還要考慮覆蓋層邊界、松散程度等問題.
在隧道淺埋段預(yù)報中，首先需了解隧道圍巖、地形、地貌等重要地質(zhì)信息.在應(yīng)用過程中，我們往往將縱、橫波速度作為圍巖工程性質(zhì)判定的唯一標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為預(yù)報波速越高，掌子面前方圍巖工程性質(zhì)越好，反之則越差.大部分人甚至直接將預(yù)報結(jié)論中的縱、橫波速度直接套用各種規(guī)范來劃分圍巖等級，忽略了掌子面巖性、洞外地形、地貌等重要地質(zhì)信息，忽視了TSP其他參數(shù)的意義，導(dǎo)致預(yù)報準(zhǔn)確率不高.
本文主要介紹在拉日鐵路某隧道V型淺埋段TSP超前地質(zhì)預(yù)報的應(yīng)用，通過綜合分析后得出較為準(zhǔn)確的預(yù)報結(jié)論，為隧道開挖工作提供了重要的參考依據(jù).
1 隧道V型淺埋段地質(zhì)及彈性波特征
在實際地下介質(zhì)中，震源激發(fā)的地震波入射到介質(zhì)中主要以散射、繞射和反射等形式傳播;散射波的傳播符合惠更斯原理，反射波、繞射波、回轉(zhuǎn)波等都是散射波的特例.而在Tsp超前預(yù)報中我們重點研究的是反射波，反射波是由緩傾角，大尺寸非均勻性引起的走時和振幅變化，是散射波在定向排列的干涉疊加結(jié)果
.當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ谕坏貙又袀鞑r，其能量損失主要是由于波前擴(kuò)散和吸收造成，巖石中彈性波能量衰減值隨著壓力的增大而減小，隨著飽和度的增大而增大，隨著巖石的致密程度的增加而減小.由于覆蓋層較松散、且埋深較小，所以其對波的吸收遠(yuǎn)大于基巖.當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^地下不同地層界面時，一部分發(fā)生反射，另一部分發(fā)生透射，根據(jù)能量守恒定律，入射波總能量等于反射波能量和透射波能量之和，兩個地層之間波阻抗差值越大，則界面發(fā)生反射波能量越強(qiáng).由此可知在基巖與覆蓋層接觸面和地表與空氣接觸面二者之間，前者反射能量強(qiáng)度小于后者.
根據(jù)隧道洞身和V型淺埋段地質(zhì)特征關(guān)系，將其簡單分為如下三種類型：
A類：覆蓋層較薄，隧道通身在基巖中，如圖1；
B類：覆蓋層較厚，隧道某段洞身部分在覆蓋層中，如圖 2；
C類：覆蓋層較厚，隧道某段洞身通身在覆蓋層中，如圖 3.
下面分別討論以上三種V型淺埋段模型下TSP激發(fā)的地震波能量的衰減，以及反射、吸收等方面的彈性波特征.
1.1 A類隧道V型淺埋段
從圖 1可以看出，淺埋段覆蓋層較薄，隧道通身在基巖中通過.該情況下，地震波能量衰減主要是基巖地層的吸收造成，由于覆蓋層較薄，地震波穿過時能量損失相對較??；相對于基巖面和覆蓋層分界面來說地表與空氣界面的波阻抗差值更大，所以反射能量最強(qiáng)的界面應(yīng)該是地表和空氣的界面，該界面以負(fù)反射為主.
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圖 1 A類隧道V型淺埋段Fig. 1 V-shaped shallow-buried section of the A class tunnel |
從圖 2可以看出，覆蓋層較厚，隧道某段洞身部分在覆蓋層中.該情況下，地震波傳播到強(qiáng)反射界面1時部分發(fā)生反射，部分透射到覆蓋層中，由于覆蓋層較厚且較松散，對透射波的吸收強(qiáng)烈，所以圖中強(qiáng)反射界面1的反射波能量強(qiáng)于反射界面2及地表界面.
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圖 2 B類隧道V型淺埋段Fig. 2 V-shaped shallow-buried section of the B class tunnel |
從圖 3可以看出，覆蓋層較厚，隧道某段洞身通身在覆蓋層中.在該情況下，地震波傳播到強(qiáng)反射界面1時一部分發(fā)生反射，另一部分透射到覆蓋層中，透射波在隧道洞身及下方覆蓋層中傳播的距離要小于其在隧道上方覆蓋層中傳播距離，因此強(qiáng)反射界面2在隧道上方的部分能量較弱；但是由于地震波到達(dá)強(qiáng)反射界面2須通過覆蓋層，所以圖中強(qiáng)反射界面1的反射波能量強(qiáng)于反射界面2.
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圖 3 C類隧道V型淺埋段Fig. 3 V-shaped shallow-buried section of the C class tunnel |
拉日鐵路某隧道全長710 m，最大埋深162 m，淺埋段最小埋深37 m，洞身通過地層主要為第四系風(fēng)積細(xì)砂(稍濕-潮濕，松散，Ⅱ級普通土，Ⅵ級圍巖)、粗角礫土(潮濕，稍密，Ⅲ級硬土，Ⅵ級圍巖)、塊石土(飽和，中密，Ⅳ級軟石，Ⅴ級圍巖)、燕山期閃長巖(巖體節(jié)理發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化層，Ⅳ級軟石，Ⅳ～Ⅴ級圍巖、弱風(fēng)化層，Ⅵ級堅石，Ⅲ～Ⅳ級圍巖).進(jìn)、出口端山體頂部及坡面發(fā)育危巖、落石、風(fēng)積沙，出口端較為嚴(yán)重.
TSP超前預(yù)報系統(tǒng)布置段：接收器位置(DK16+202)埋深為77 m，掌子面位置(DK16+260)埋深為49 m，從DK16+202向DK16+260埋深逐步減?。辉摱蔚乇頌轱L(fēng)積砂，基巖為閃長巖，節(jié)理較發(fā)育，巖體較完整.在DK16+258位置隧道拱頂發(fā)生塌方，塌方體以風(fēng)積砂夾塊石為主(如圖 4).
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圖 4 掌子面塌方照片Fig. 4 Photos of Tunnel face collapse |
掌子面前方為V型淺埋段位置，埋深先減小，后增大，從DK16+260到DK16+290埋深由49 m減小到37 m，從DK16+290到DK16+330埋深由37 m逐漸增大到48 m.具體地形及設(shè)計地質(zhì)情況見圖 5.
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圖 5 隧道設(shè)計縱斷面Fig. 5 Vertical section of tunnel design |
2.2 TSP數(shù)據(jù)處理
將采集得到的TSP數(shù)據(jù)通過TSPwin PLUS的反演，具體反演流程如圖 6.
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圖 6 TSP數(shù)據(jù)處理流程圖Fig. 6 Flowchart of TSP data processing |
在上述處理過程中，通過對帶通濾波、直達(dá)波速度、Vp/Vs值、Q因子等參數(shù)的多次修改反演后得出了解釋性較好的結(jié)果.最后對該結(jié)果進(jìn)行能量篩選，保留能量較強(qiáng)的主要反射界面后得出了最終TSP超前地質(zhì)預(yù)報成果圖，下面對該成果圖進(jìn)行詳細(xì)的分析與解釋.
2.3 TSP成果分析2.3.1 定性分析
對TSP預(yù)報成果進(jìn)行能量篩選，保留能量≥0.001的反射界面，得到如下圖 7結(jié)果.
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圖 7 隧道前方反射界面分布圖Fig. 7 Distribution figure of the reflecting interfaces in front of the tunnel |
該成果圖中顯示反射能量主要集中在圖 7中強(qiáng)能量反射界面1～3位置.其中能量最強(qiáng)的是強(qiáng)反射界面1，里程為DK16+258；次之為強(qiáng)反射界面2，里程為DK16+273；能量較弱的是強(qiáng)反射界面3，里程為DK16+308； 除了以上3處外，在隧道洞身及下方未發(fā)現(xiàn)其他強(qiáng)能量反射界面.強(qiáng)能量反射界面1位置：反射界面密集，以負(fù)反射為主，且北傾，推斷該界面為基巖與覆蓋層的分界面(該位置已出現(xiàn)塌方，圖 4可以看到基巖與覆蓋層的界面)，是V型谷的前邊界；強(qiáng)能量反射界面2位置：反射界面較多，以正反射為主，南傾，規(guī)模及長度較小，推斷該界面為覆蓋層與基巖的分界面；強(qiáng)能量反射界面3位置：反射界面少，以正反射為主，北傾，推斷該界面為覆蓋層與基巖的分界面，雖然是北傾，但是以正反射為主，所以推斷是V型谷的后邊界.
通過以上分析，并對照本文第二節(jié)中提到的三種隧道V型淺埋段地質(zhì)模型，推測出了覆蓋層界面(圖 7中虛線)，該成果符合B類隧道V型模型，即圖 2所示地質(zhì)特征，覆蓋層較厚，隧道某段洞身部分在覆蓋層中.2.3.2 定量分析及解釋
下面根據(jù)成果中其他參數(shù)的變化情況(如圖 8)，并結(jié)合B模型地質(zhì)特征，來分析解釋隧道前方圍巖地質(zhì)情況.
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圖 8 TSP反演成果圖Fig. 8 The inversion results figure of TSP |
從成果圖來看：雖然DK16+260～DK16+308段縱波速度在4760～5090 m/s之間，波速相對較高，對異常表現(xiàn)不突出，但其他參數(shù)對異常表現(xiàn)較明顯，下面就波速、泊松比、楊氏彈性模量、反射界面等信息進(jìn)行詳細(xì)的分析與解釋：
預(yù)報觀測系統(tǒng)布置段：DK16+202～DK16+256(54 m)，Vp=5070 m/s，Vs=2920 m/s.
段落1： DK16+258～DK16+273(15 m)，波速：Vp=5020 m/s，Vs=2820 m/s；泊松比：0.27～0.28，動態(tài)楊氏模量：53～55 GPa.相對測試段：縱、橫波速度降低，說明圍巖變破碎，或有巖性變化；泊松比明顯升高，說明該段地層孔隙度較大，較松散；動態(tài)楊氏模量明顯降低，圍巖強(qiáng)度明顯變差；且在DK16+258位置反射界面密集(強(qiáng)能量反射界面1)，說明地層間的波阻抗差異較大；加之已開挖段在DK16+258位置拱頂已出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，塌方體為風(fēng)積砂夾塊石.所以綜合推斷該段洞身上斷面為風(fēng)積砂夾塊石，下斷面為閃長巖，且上下地層界線逐漸緩慢加深，圍巖工程性質(zhì)較掌子面變差，易塌方.
段落2： DK16+273～DK16+277(4 m)，波速Vp=4760 m/s，Vs=2660 m/s；泊松比為0.28，動態(tài)楊氏模量為46 GPa.相對前段：縱波、橫波速度降低幅度較大，該段地層發(fā)生變化，地層破碎；泊松比變化不大，說明地層依然孔隙度較大，較松散；動態(tài)楊氏模量突然大幅度降低，說明該段地層強(qiáng)度變差；反射界面較多(強(qiáng)能量反射界面2)，且界面南傾，說明該段依然存在巖性分界線.綜合推斷該段上斷面風(fēng)積砂夾塊石的范圍變大，下斷面閃長巖范圍減小，在DK16+277之前上下地層界線下移幅度較大，圍巖工程性質(zhì)較上段變差，易塌方.
段落3： DK16+277～DK16+287(10 m)，波速Vp=5090m/s，Vs=2890 m/s；泊松比為0.27，動態(tài)楊氏模量為57 GPa.相對前段：縱、橫波速度升高，說明地層略變好；泊松比減小，說明地層孔隙度較大，較松散；動態(tài)楊氏模量增大，說明地層強(qiáng)度變好；反射界面較少，說明該段沒有明顯巖性界面，或巖性界面較水平.綜合推斷該段上斷面風(fēng)積砂夾塊石和下斷面閃長巖范圍變化較小，且在DK16+277之后上下地層界線稍上移，然后下移，圍巖工程性質(zhì)與上段相當(dāng)，易塌方.
段落4： DK16+287～DK16+295(8m)，波速Vp=5070 m/s，Vs=2680 m/s；泊松比為0.28～0.31，動態(tài)楊氏模量為50 GPa.相對前段：縱波、橫波速度略降低，說明地層變破碎、松散；泊松比明顯增大，說明該段地層明顯變松散；動態(tài)楊氏模量降低，說明強(qiáng)度變差；反射界面較多，說明地層有變化.綜合推斷該段全斷面以風(fēng)積砂夾塊石為主，地層松散，圍巖工程性質(zhì)變差，是本次預(yù)報中最差的一段，極易塌方.
段落5： DK16+295～DK16+308(13m)，波速Vp=5020 m/s，Vs=2840 m/s；泊松比為0.27，動態(tài)楊氏模量為55 GPa.相對前段：縱波速度略降低、橫波速度升高，說明該段地層逐漸變好；泊松比減小，說明該段地層孔隙度變小，松散程度降低；楊氏模量增大，說明該段地層強(qiáng)度增大，反射界面較少，且在DK16+300～DK16+308有能量反射界面3，說明地層之間波阻抗較大.綜合推斷洞身逐步以閃長巖為主，松散地層范圍逐步變小，圍巖工程性質(zhì)變好，易塌方.
2.3.3 成果驗證
我們首先通過強(qiáng)能量界面的篩選分析，確定了該隧道淺埋段的類型，然后通過反演成果中的縱波速度，橫波速度，泊松比，動態(tài)楊氏模量等重要參數(shù)的變化情況來推斷前方圍巖地質(zhì)情況，進(jìn)而得出較為準(zhǔn)確預(yù)報結(jié)論，將上述推斷結(jié)論繪制成簡單的地層縱斷面圖(圖 9).
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圖 9 推斷隧道前方地層縱斷面圖Fig. 9 The inferred stratigraphic profile figure in front of the tunnel |
經(jīng)過3個月的施工開挖后揭示，DK16+260～DK16+283段掌子面上斷面為風(fēng)積砂夾塊石，下斷面為閃長巖，分界面整體下移，在DK16+277位置界面出現(xiàn)上移；DK16+283～DK16+295段全斷面為風(fēng)積砂夾塊石；K16+295～DK16+305段掌子面上斷面為風(fēng)積砂夾塊石，下斷面為閃長巖，分界面整體上移，在DK16+305以后全斷面為閃長巖.將施工開挖揭示的地層繪制成地層縱斷面圖(圖 10).
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圖 10 隧道開挖揭示地層縱斷面Fig. 10 The inferred stratigraphic profile figure of the actual excavation |
將圖 9和圖 10進(jìn)行對照得出：
(1)反射界面分布圖(圖 7)中的3個強(qiáng)能量反射界面中1和2在實際開挖中得到了較好的驗證.
(2)Tsp超前地質(zhì)預(yù)報推斷地層分界面整體變化趨勢與開挖驗證相符，分界面上下位置與開挖驗證略有出入.
(3)推斷在DK16+308的位置掌子面全斷面進(jìn)入閃長巖，實際開挖揭示在DK16+305的位置掌子面全斷面進(jìn)入閃長巖，誤差3 m.
3 結(jié) 論3.1 經(jīng)過以上的研究分析，總結(jié)出隧道V型淺埋段的Tsp預(yù)報分析方法.具體步驟如下：
(1)首先要收集大量該隧道淺埋段地質(zhì)資料和埋深等信息，如覆蓋層的成分及大致厚度、基巖的巖性、隧道的埋深等.
(2)其次需采集質(zhì)量較好的Tsp數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次反演分析，在眾多反演成果中選擇最符合實際情況的反演成果.
(3)然后對Tsp成果進(jìn)行能量篩選，找出強(qiáng)能量反射界面，根據(jù)強(qiáng)能量反射界面的分布及彈性波特征來定性判斷淺埋段的地質(zhì)類型.
(4)最后在確定淺埋段地質(zhì)類型的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析Tsp成果中其他參數(shù)(如縱波、橫波、泊松比、動態(tài)楊氏模量等)的變化關(guān)系來推測前方覆蓋層和基巖接觸面的變化情況.
3.2 隧道淺埋段的預(yù)報是一個長期困擾大家的難題，本次預(yù)報工作由于在較完整閃長巖中，炮孔和接收孔的質(zhì)量均較高，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，分析人員也有把握大膽推測，且預(yù)報結(jié)果較為準(zhǔn)確. 3.3 迄今為止，隧道V型淺埋段的準(zhǔn)確預(yù)報仍然是物探界的難題，希望以后能有更好的方法來加以解決. 致 謝 在完成本文的過程中，得到了中鐵一院甘肅鐵道綜合工程勘察院物探研究所總工程師韓永琦和副總工程師李來喜的大力支持和幫助，在此表示感謝.最后衷心感謝審稿專家及編輯對本文的幫助.
