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    騰沖至隴川高速公路某隧道三維超前預報

    發布時間:2022-09-22 09:32:42

    北京程鵬科技有限責任公司

    1  工程概況

    騰沖至隴川高速公路是云南省高速公路S47騰沖至瑞麗高速公路的重要組成部分,是建設“沿邊特區、開放前沿、美麗德宏”的需要,是德宏芒市-瑞麗-隴川-盈江-梁河-芒市高等公路環線中的一段,是連接保山至騰沖高速與瑞麗至隴川高速公路的快速通道。

    XX隧道為分離式隧道,隧道右幅進口里程K0+150,出口里程為K5+015,隧道長4865m,埋深415.4m;隧道左幅進口里程為ZK0+135,出口里程為ZK5+100,隧道長4965m,埋深420.3m。右幅進出口設計高程1227.232m~1319.222m,軸線方位約111o;左幅進出口設計高程1227.232~1318.873m,軸線方位約111o。

    2018年12月10日,我公司XX隧道進口左幅運用TSP 305Plus法進行三維超前預報,本次預報起訖里程段為ZK1+154ZK1+274,預報距離為120m,并提交成果報告。

    2  檢測目的

    通過三維超前地質預報,預測工作面前方工程地質、水文地質情況,為隧道動態設計與施工提供可靠有效的地質資料,以進一步修正、完善設計,優化原設計方案。通過超前地質預報、預測,預報可能引發隧道地質災害的不良地質體的位置、規模和性質,并據此提出相應的技術措施與可行性建議,降低地質災害發生的幾率,確保隧道工程施工人員和設備的安全,進而提高經濟效益。

    3  探測依據

    (1) 《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004);

    (2) 《公路隧道設計細則》(JTG/T D70-2010;

    3 《公路隧道施工技術規范》(JTG F60-2009);

    4 《公路工程物探規程》(JTG/T C22-2009);

    5 《工程巖體分級標準》(GB 50218-2014);

    6 《公路工程地質勘察規范》(JTG C20-2011);

    7 《公路隧道施工技術細則》(JTG/T F60-2009);

    8  云南騰隴高速公路XX隧道設計資料、合同文件。

    4  工程地質概況

    ZK1+154掌子面巖體為灰色片麻巖,弱風化,為較堅硬巖,巖體呈中厚層狀構造,節理裂隙較發育,結構面間結合力一般,巖體較破碎,含基巖裂隙水,呈點滴狀出水,圍巖自穩能力較差。掌子面地質素描見圖1,掌子面圍巖照片見2。

     

    1  ZK1+154掌子面素描圖

     

    2  ZK1+154掌子面照片

    5  TSP 305Plus法設備儀器及工作原理簡介

    5.1 設備儀器(TSP 305Plus

    TSP 305Plus儀器主要由三分量檢波器、記錄單元及起爆裝置組成。三分量檢波器用來接收地震波信號;記錄單元將接收到的地震波信號進行放大、模數轉換和數據記錄,同時還進行測量過程控制;起爆裝置則用于引爆電雷管和人工激發地震波。見表1。

    1  主要儀器設備一覽表

    序號

    設備名稱

    設備型號

    出廠編號

    1

    隧道三維超前地質預報系統

    TSP 305Plus

    20801-1255

    5.2 TSP 305Plus工作原理

    TSP(Tunnel Seismic Prediction ahead)305 Plus法,即隧道前方地震預報或超前地質預報,它的基本原理如下:

    如圖3所示,在隧道掌子面附近邊墻一定范圍內布置激發孔,通過在孔中人工激發地震波,所產生的地震波以球面波的形式在隧道圍巖中傳播,當圍巖波阻抗發生變化時(例如遇巖溶、斷層或巖層的分界面),一部分地震波將會被反射回來,另一部分地震波將會繼續向前傳播。反射的地震波由高精度的接收器所接收并傳遞到主機形成地震波記錄見圖4。

     

    3  TSP 305Plus法工作原理示意圖

     

    4  TSP 305Plus法波形記錄

    TSP 305Plus儀器采集的數據利用TSP 305plus處理軟件進行處理,可以獲得隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的時間剖面、深度偏移剖面、巖石的反射層位、物理力學參數、各反射層能量大小等中間成果資料,同時還可得到反射層的二維和三維空間分布,根據上述資料預報隧道掌子面前方的地質情況,如溶洞、軟弱巖層、斷層、裂隙及富水情況等不良地質體。

    5.3 資料處理與解釋

    1)資料處理

    將現場采集的資料傳輸至計算機,利用TSP 305plus處理軟件對其進行處理,TSP 305plus軟件主要由數據庫、處理、計算反射界面三部分組成。

    1)數據庫

    編輯現場采集的數據和定義觀測系統。

    2)處理

    對原始數據進行放大、能量均衡、濾波等流程的處理。

    3)計算反射界面

    在波形處理后,從地震波形記錄中拾取縱波至和橫波至,根據爆破點與檢波器的距離可分別計算各段圍巖的縱波速度vp和橫波速度vs。

    vpvs值的大小綜合反映了圍巖的物理力學性質,根據vpvs值可直接計算動力學參數,即計算動彈性模量EZ、動剪切模量GZ和泊松比μZ,計算式如下:

    EZ=ρvs23vp2-4vs2/(vp2-vs2  GZ=ρvs2 μZ=(vp2-2vs2/2(vp2-vs2)其中,ρ為圍巖的密度。

    根據繞射重疊法原理(與常規地震反射資料處理中偏移流程的原理類似)計算反射界面與隧道的相對位置,即與隧道軸線的交角或至掌子面的距離。

    2)資料解釋

    根據TSP法的原理和工作經驗,把距離隧道軸線近、能量大的反射波組判釋為圍巖異常區,并綜合頻譜分析資料、地震波速、反射波相位、泊松比和楊氏模量等參數對圍巖異常區的類別進行劃分。

    6  工作布置

    在隧道ZK1+100的右邊墻位置布置一個地震波信息接收孔,孔徑約50mm,孔深1.9m。在隧道右邊墻位置,按約1.5m的間距布置24個激發孔,激發地震波,激發孔孔深約1.5m,孔徑約45mm,孔向下傾斜約10o,每個激發孔裝填的藥量為100g,圖5為TSP 305Plus系統模擬隧道3D模型。

     

    5 TSP 305Plus系統模擬隧道3D模型


    7  檢測成果

    7.1 TSP 305Plus法反射層位、物理力學參數成果圖、速度分析及深度偏移圖

     

    6   TSP 305Plus法反射層位及物理力學參數成果圖

     

    7 TSP 305Plus反射層3D模型

     

    8 TSP 305Plus系統速度分析3D及2D圖

     

    9 TSP 305Plus系統深度偏移3D及2D圖

    7.2 圍巖參數

    通過數據分析得出圍巖的物理力學參數成果,下圖所示。

     

    10 圍巖的物理力學參數

     

    11 圍巖的物理力學參數

    7.3 設計與預報圍巖分級對照

    2為圍巖分級對照表,綜合TSP 305Plus法探測和地質調查結果,對隧道里程為ZK1+154ZK1+274段,分段進行解釋,并與設計資料相對比。

     

    8  結論及建議

    本次預報時掌子面里程為:ZK1+154,預報里程范圍為ZK1+154ZK1+274(即預報隧道掌子面前方120m)。

    1)ZK1+154~ZK1+193段:長約39m,圍巖為片麻巖,弱風化,為較堅硬巖,中厚層狀構造,節理、裂隙較發育,結構面間結合力一般,巖體較破碎;地下水較發育,預測開挖后呈點滴狀~淋雨狀出水,圍巖自穩能力較差。提請本段施工時須及時施作初期支護,盡早成環,以保證隧道圍巖和支護結構的整體穩定,并做好防排水措施。圍巖級別推測為級。

    2)ZK1+193~ZK1+230段:長約37m,圍巖為片麻巖,弱風化,為較堅硬巖,巖體呈塊石、碎石狀結構,層間結合力較差,巖體較破碎~破碎;地下水較發育~發育,預測開挖后呈淋雨狀~小股狀出水,圍巖自穩能力較差。其中ZK1+210~ZK1+230段,反射波速相對較低,存在多處反射界面,為物探異常區段,推測該段巖體破碎,地下水發育,呈小股狀,圍巖自穩能力差。提請本段施工時須及時施作初期支護,盡早成環,以保證隧道圍巖和支護結構的整體穩定,并做好防排水措施。圍巖級別推測為級。

    3ZK1+230~ZK1+274段:長約44m,圍巖為片麻巖,弱風化,為較堅硬巖,中厚層狀構造,節理、裂隙較發育,結構面間結合力一般,巖體較破碎;地下水較發育,預測開挖后呈點滴狀~淋雨狀出水,圍巖自穩能力較差。提請本段施工時須及時施作初期支護,盡早成環,以保證隧道圍巖和支護結構的整體穩定,并做好防排水措施。圍巖級別推測為。

    施工建議:

    1)建議采取與隧道圍巖級別一致的開挖方式,嚴格執行設計文件和現行相關標準、規范、規程的相關規定,短進尺、弱爆破、早封閉,確保施工安全,同時做好洞內防排水工作。

    2)其中ZK1+210~ZK1+230物探異常區段,該段巖體破碎,地下水發育,呈小股狀,圍巖自穩能力差。建議臨近異常區段加強地質跟蹤及現場地質資料的收集,重點關注構造痕跡、風化程度及地下水的變化,及時反饋分析。


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