海底隧道高陡倾角断层超前地质预报

海底隧道高陡倾角断层超前地质预报

薛翊国　李术才　李树忱　张庆松　张　霄　赵　岩

（山东大学岩土与结构工程研究中心　济南　250061）

摘　要　海底隧道具有较高的施工风险，尤其是高陡倾角断层直接连接上覆海水体，对海底隧道的施工安全危害极大。为了保证海底隧道施工安全，对断层进行准确及时的超前预报，具有重要的理论意义和重大的工程实用价值。TSP超前地质预报系统在准确性和预报距离以及操作可行性等方面都具有一定的优势。本文基于TSP系统对青岛胶州湾海底隧道出口右洞海域段进行了预报。从实际开挖的地质编录对比看，该系统的实用性和可信性以及在指导施工方面具有一定的作用，对同类工程具有一定的指导意义。

关键词　海底隧道　断层　超前地质预报　TSP203系统

1　引　言

近年来，海底隧道技术发展很快，世界上已有英国、法国、日本、挪威、丹麦、美国、澳大利亚等许多国家都修建了海底隧道工程，著名的有连接英法的海峡隧道和日本的青函隧道等。我国的海底隧道还处于起步阶段，厦门翔安海底隧道和青岛胶州湾海底隧道刚开工建设^［1］。由于海底隧道的特殊性，地质条件的复杂性，物探中上覆海水体对探测的干扰使得解译的结果比其他隧道具有更大的不确定性。隧道施工中，断层破碎带的危害极大，尤其是高陡倾角断层直接连接上覆海水体，在施工过程中如果不能提前预报其准确位置，采取有效处理措施，一旦由于施工不当造成突水事故，后果是灾难性的，将造成巨大的经济损失，甚至较多施工人员的生命损失。如日本青函隧道，施工中曾发生4次较大的突水事故，其中1976年5月，在北海道一侧的辅助隧道内发生的突水是整个施工期间最为严重的一次涌水事故，耽误工期237 d。挪威奥斯陆海湾开挖一条7．2 km长的海底公路隧道时，因在深深的海湾底部遇到一条松散冰债沉积带，预测到涌水而被迫停工，后通过冻结法才艰难通过此段^［2］。丹麦斯多贝尔特大海峡隧道在穿越冰积层和泥灰岩等含水层地层时，渗透水量大，因而比英法海峡隧道的掘进施工更困难。工程中曾发生涌水险情，最后采用了海底井管降水、冻结、气压等辅助施工法解决了困难。

鉴于海底隧道突水、塌方等地质灾害的极大危害，对断层、破碎带、风化槽等不良地质体的预报显得十分重要，以便对各种不同的突发施工灾害采取合理可靠的方法进行预防和处理，以最大程度地减少由于海底隧道施工期突发地质灾害给民众生命和财产所造成的巨大损失和破坏。

2　TSP预报断层基本原理

TSP（tunnel seismic prediction）203 plus系统是基于地震波反射原理的一种物探方法，采用的是多点激发，单点接受的激振方式，属多波多分量高分辨率地震反射波探测技术。与其他反射波探测技术不同之处在于该技术专门为长距离隧道施工超前地质预报而设计。采用微量炸药在边墙产生多个微震源，并以球面波的形式在岩体中传播，其中一部分沿掌子面轴向传播，当地震波遇到断层破碎带等不良地质界面时，将产生反射波，反射波的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质和产状相关，并通过不同数据表现出来，然后被高灵敏度的特制地震检波器接收，并被转换成电信号加以放大。

图1　TSP系统探测断层原理图

图1为TSP系统探测隧道掌子面前方断层原理图。

地震波在岩层中的传播类似于几何光学中光的传播，仿照几何光学研究地震波运动学，可以把光学中的惠更斯原理（波前原理）、费马原理（射线原理）和斯奈尔定律（反射—折射定律）引入到地震勘探领域，主要以P波和S波数据对地质现象进行解译。

纵波波速计算公式：

式中，L₁为震源到传感器的距离；T₁为首到波到达传感器的时间。

从起爆到反射信号被接受，这段时间与距反射界面的距离成比例，由反射时间和地震波的速度进行换算，得出反射面的位置和与隧道轴线的夹角，从而确定出距掌子面的距离和大体的形状，同时还可以通过对波速的计算将岩性变化显示出来。

反射波传播时间计算公式：

式中，T₁为反射波传播时间（s）；L₂为爆破孔到反射面的距离（m）；L₃为传感器到反射面的距离（m）。

接受到的地震信号包括入射波遇到的反射界面返回传感器的时间信息和反射系数等振幅信息。通过对每个反射界面的入射波、反射波和透射波的分析，可以得出产生事件的地质体的性质和规模，其中最主要的参数为反射事件和透射系数，如下：

式中，A_d为入射波振幅；A_r为反射波振幅；A_t为透射波振幅；R为反射系数；T为透射系数。

3　工程实例

3．1　隧道工程概况

在建的青岛胶州湾海底隧道是环胶州湾青岛市区范围交通系统中骨干网络的重要组成部分。胶州湾隧道位于团岛和薛家岛之间，隧址地理位置如图2所示。主隧道长度约6 170 m，跨越海域总长度约3 950 m，线路等级为城市快速路，设计车速为80 km/h，设两条三车道主隧道和一条服务隧道，主隧道中轴线间距55 m。隧道断面为椭圆形，主隧道开挖断面高11．2～12．0 m、宽约15．23～16．03 m，隧道纵断面呈V形，最大纵坡3．5%，右线路面最低点高程－83．28 m、左线为－83．15 m，海域段主隧道埋深一般为25～35 m，采用矿山法施工。

图2　青岛胶州湾海底隧道地理位置图

场区地质构造主要表现为断裂构造。据区域地质资料及场区工程物探成果，隧道场区海域主要断裂有6条，其中NE向3条，分别为F1，F2和F6；NW向断裂有3条，分别为F3，F4，F5。除F6外，其他5条断裂均穿过隧道轴线。在穿过隧道轴线5条断裂中又以F3规模最大。场区新构造运动以长期间歇性抬升运动为特征，处于稳定、缓慢的整体上升之中，区内无强地震的发震条件，场区地震基本烈度为6度。

3．2　预报成果解译

对采集的TSP数据用TSPwin软件处理后获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面和反射层提取以及岩石物性参数等一系列成果。在成果解释中，以P波资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释。本解释遵循以下准则：

①正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。

②若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。

③V _P/V _S增加或泊松比突然增大，常常由于流体的存在而引起。

④若V _P下降，则表明裂隙或孔隙度增加。

⑤成果分析要综合考虑深度偏移图、反射层提取图、2D视图、3D视图以及各反射层的参数数据。

本次TSP超前地质预报的范围是ZK326＋140～ZK326＋280。经过对TSP系统所采集到的数据分析，得出深度偏移（如图3所示）、反射层提取图（如图4所示）、预报结果2D视图显示与岩体物性图（如图5所示）和预报结果3D视图等成果图（如图6所示）。

图3　深度偏移图

图4　反射层提取图

图5　预报结果2D视图

图6　预报结果3D视图

根据有关资料及上述评价准则，通过对图3～图6的解译，解释成果见表1。

表1　TSP系统预报成果表

由图3～图6可以看出，在YK7＋290～YK7＋280内，纵波、横波波速均大幅降低（Vp由4 300 m/s降为3 700 m/s，VS由2 500 m/s降为2 100 m/s），泊松比明显增加（μ由0．23增大到0．27），密度显著降低（由2．45 g/cm³降为2．30 g/cm³）和弹模显著降低（由21 GPa降为11 GPa），该段出现较明显异常，结合地质情况分析，推断该段有断层出现。

3．3　超前预报与实际开挖情况对比

在隧道右线出口实际开挖过程中，YK7＋355～YK7＋290的岩体与预报的结果基本一致，其中在YK7＋288附近开始围岩变差，变得较破碎，岩体及结构面风化强烈，断层开始出露。

4　结　论

海底隧道施工具有较高的风险，尤其是高陡倾角断层直接连接上覆海水体，对海底隧道的施工安全危害极大。本文用TSP203超前地质预报系统对青岛胶州湾海底隧道掌子面前方断层进行了预报，从预报提取的成果和实际开挖的地质情况对比发现，预报的效果是比较理想的，主要得出以下结论：

①TSP隧道地震预报技术是目前先进的物探方法之一，预报距离长，可以对隧道掌子面前方围岩的工程地质情况有比较准确的预报和探测，具体包括：

a．软弱岩层的分布；

b．断层及其影响带；

c．破碎、裂隙发育带；

d．含水情况；

e．围岩类别及岩性变化等。

②在数据解译过程中，预报成果需从深度偏移、反射层以及2D、3D视图综合判定，主要以P波和S波数据，结合泊松比、密度和杨氏模量对地质现象进行解译。

参考文献

［1］王梦恕．厦门海底隧道设计、施工、运营安全风险分析［J］．施工技术，2005，增刊：1-4．

［2］WALLIS Shane．Freezing under the sea rescues oslofjord highway tunnel［J］．Tunne1，1999，8：19-26．

［3］李术才，李树忱，张庆松，等．岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究［J］．岩石力学与工程学报，2007，26（2）：217-225．

［4］肖书安，吴世林．复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术［J］．工程地球物理学报，2004，1（2）：159-165．

［5］赵永贵，刘浩，孙宇，等．隧道地质超前预报研究进展［J］．地球物理学进展，2003，18（3）：460-464．