超前地质预报在烟墩山隧道中的应用
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摘要：隧道施工中常常遇到不良的地质因素。为了减少工程隐患并避免灾情的发生，可通过超前地质预报及时、详细地了解开挖掌子面前方的地质情况，为施工方法的合理调整提供依据。本文主要介绍了TRT地震波反射法的工作原理、工作方法，并结合烟墩山隧道工程实例，说明采用TRT地震波反射法探测掌子面前方的地质情况是确保隧道施工安全的重要措施。
关键词：超前地质预报；TRT；隧道
中图分类号： U45 文献标识码： A
1．工程概况
烟墩山隧道位于威海市境内双岛港东岸，后双岛村西烟墩山中，属于丘陵区，地形起伏不大，基岩大部，山体植被茂密。隧道进口里程为改DⅡK253+050，隧道出口里程为DⅡK253+800，隧道全长750m，最大埋深102.7m。
隧道范围内地层岩性主要为晚元古代晋宁期片麻状花岗岩。另外隧道进口地段上覆第四系人工填土主要成分为黏性土，及第四系冲洪积层粉质黏土、细沙，出口地段上覆第四系风积层细沙。晚元古代晋宁期侵入岩片麻状构造，全风化~弱风化，节理裂隙发育。
隧道范围内，有少量基岩裂隙水，隧道进口附近赋存第四系孔隙潜水，地下水受地势控制，地下水位埋深3.0～5.0m，水量不大，洞身估计正常涌水量Q=0.5m3/d・m。
2.超前预报目的
烟墩山隧道围岩复杂多变,软弱围岩范围大（V级围岩170m，IV级围岩280m），围岩节理裂隙发育，如何准确探测不良地质体及对其进行有效处理，是保证隧道安全如期建成的关键，通过隧道超前地质预报工作以达到下列目的：
(1)进一步查清隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件，指导工程施工的顺利进行；
(2)降低地质灾害发生的几率和危害程度；
(3)为正确选择施工方法，支护措施，优化工程设计及施工方案提供地质依据；
3.超前地质预报包括主要内容
(1)地层岩性预测预报，特别是对软弱夹层、破碎地层及特殊岩土的预测预报；
(2)地质构造预测预报，特别是对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况的预测预报；
(3)不良地质预测预报，特别是对岩溶、人为坑洞、瓦斯等发育情况的预测预报；
(4)地下水预测预报，特别是对岩溶管道水及富水断层、富水褶皱轴、富水地层中的裂隙水等发育情况的预测预报。
4．采用的超前地质预报方法
根据隧道的工程地质与水文地质条件、地质因素对隧道施工影响程度及诱发环境问题的程度，本工程采用地震波反射法、地质雷达法进行超前地质预报，本文主要介绍TRT地震波反射法。
TRT地震波反射法为隧道长距离超前预报方法，可测出前方100～200m范围内的岩层分界面、岩层的物理性质、断层等。地质雷达法超前地质预报，预报前方20～30m范围，主要针对当长距离探测到有溶洞、暗河等不良地质时需要了解规模形态，本工程中该方法主要用于隧道洞口段。
当地质资料或TRT系统预报显示前方有断层、空洞、岩层层理明显时，采用MGY-80和MGY-100A锚固钻机进行超前探孔、XY-2岩芯钻机取芯。
5．TRT法超前地质预报实施
（1） TRT超前地质预报探测原理
本隧道采用TRT6000系统进行地震波超前预报，这种技术的原理在于当地震波遇到声学阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，通过分析，被用来了解隧道工作面前方地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等），位置及规模。正常入射到边界的反射系数计算公式如下：
假设R 为反射系数，ρ1、ρ2为岩层的密度，V 等于地震波在岩层中的传播速度。地震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。因此，当地震波从软岩传播到硬的围岩时，回波的偏转极性和波源是一致的。当岩体内部有破裂带时，回波的极性会反转。反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，回波就越明显，越容易探测到。TRT采用层析扫描成像技术，形成立体、直观的三维立体图，立体图中的反射边界每一点离散图像是由空间叠加所有地震波形计算得来。
（2）TRT隧道超前预报系统硬件组成
①传感器
多个传感器固定在隧道拱顶及边墙，呈三维空间分布，用以接收震源激发的弹性波信号。传感器与隧道洞壁之间用耦合剂粘连，必须等待耦合剂完全凝固，粘合紧密后才能进行超前预报地震波数据采集工作。
②无线传输模块
无线传输模块与传感器相连，负责存储采集到的地震波数据及将数据传输回主计算机的功能。无线模块与传感器之间有数据线连接，与主计算机之间为无线传输。
③触发装置
TRT采用锤击震源触发，在激发锤上安装触发器，触发器与主计算机采用数据电缆连接。
④中心控制系统
包括：地震仪（主计算机）、基站、触发器源、触发器导线主计算机连接无线基站与触发器，采用计算机控制数据的采集与处理工作。
图1 TRT预报系统硬件组成图
（3）TRT法超前地质预报系统工艺流程
①选择震源点及传感器位置
震源点与传感器点原则上按照以下布置方法分布传感器与震源点，所以需要进洞至少30米洞身空间，最高与最低位置传感器的差值必须大于2.5m，这样才能有效的接收三维地震波数据。
震源与传感器点代号分布如下图2、图3所示。
②无线传输模块安装与坐标测量
操作人员安装传感器及无线传输模块；测量人员测量震源点与传感器点绝对坐标（大地坐标）或者相对坐标。
③安装传感器原则：
a）传感器必须布置在完全凝固的初期支护上，支护与围岩间不得存在空隙；
b)传感器之间的高差最小值为2.5m，按照图2、图3操作方法布置，具体方法：首先在选定的传感器点钻5cm的小孔，然后在传感器上涂抹搅拌好的耦合剂，将传感器上的连接棒插入小孔中，使得传感器与隧道侧壁紧密结合。安装好所有的传感器，等待耦合剂完全凝固，得到最佳耦合效果；
c)选择震源原则：震源点靠近工作面，布置在左右边墙上；震源点必须选择初期支护完全凝固成型的位置，或者直接布置在稳定围岩上；震源点不得少于12个。
④ 测量坐标原则
所有布置的传感器点及震源点的坐标均要测量，采用全站仪测量大地坐标，选择激光测距仪测量相对坐标，所有坐标测量误差少于5cm。
图4 TRT超前地质预报实例
（4）资料处理
将现场采集的资料输至计算机，利用TRRTM软件进行处理，该软件主要由数据库、处理、计算机反射界面及二维三维绘图三部分组成。
图5 TRT探测成果图（立体图）
6、TRT地震波反射法预报成果
本隧道暗洞开挖期间采用TRT地震波反射法检测4次，取得了较好的超前预报效果。为隧道安全施工做了很好的指导作用。
（1）改DIIK253+160～313段探测长度153m，该段地震波反射界面不明显，围岩稍破碎，隧道围岩裂隙稍发育，含裂隙水，从反射系数及图形结构形态可推断该段隧道围岩完整性及稳定性一般。建议开挖过程中注意局部掉块，及时进行支护。
（2）改DIIK253+307～457段探测长度150m，其中改DIIK253+307～317、改DIIK253+417～457该段地震波反射截面不明显，隧道节理裂隙稍发育，岩体结构面较完整，围岩稳定性及完整性一般。改DIIK253+317～417段围岩破碎，地震波反射界面较为明显，节理裂隙发育，结构面杂乱，围岩完整性及稳定性较差。建议开挖过程中注意局部掉块，加强支护。
（3）改DIIK253+741～580段161m，该段围岩不破碎，地震反射波不明显，隧道节理裂隙不发育，结构面整齐，围岩完整性及稳定性好。
（4）改DIIK253+598～457段141m，该段围岩稍破碎，地震反射界面不明显，隧道围岩节理裂隙稍发育，结构面整齐，围岩完整性及稳定性好。
本工程根据超前地质预报提供的探测结果及时加强或调整支护体系，确保了烟墩山隧道顺利贯通。
参考文献：
[1] 《铁路隧道超前地质预报技术指南》（铁建设[2008]105号）
[2]《铁路工程物理勘探规范》(TB10013-2010)
[3]《铁路工程地质勘察规程》（TB10012-2007)
[4]《铁路工程水文地质勘察规程》（TB10049-2004)
[5]《铁路工程地质钻探规程》(TB10014-98)
[6]《新建青岛至荣成城际铁路工程双岛港特大桥孔跨调整Ⅰ类变更设计烟墩山隧道设计图》（图号：青荣城际初隧变28-01～07）