TSP隧道地質(zhì)超前探測中反射波主頻的探討

周柏林

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

近年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展,鐵路、公路和水利工程建設(shè)中的隧道工程越來越多。由于隧道洞身地質(zhì)的復(fù)雜性、隧道地質(zhì)勘察工作的艱巨性,地面勘察難以準(zhǔn)確查明隧道洞身的具體地質(zhì)情況,存在隧道施工發(fā)生坍塌、涌水突泥等危害。因此，隧道地質(zhì)超前探測工作成為了隧道施工中的重要一環(huán)。針對隧道施工狹窄的場地條件和施工機械振動干擾的超前探測工作環(huán)境,提高TSP隧道地質(zhì)超前探測法外業(yè)采集數(shù)據(jù)的可靠性,這是需要解決的問題。下面結(jié)合被稱為巖溶發(fā)育、地下水豐富、暗河系統(tǒng)發(fā)育、突水突泥的風(fēng)險程度和工程處理難度為國內(nèi)外罕見的宜萬鐵路復(fù)雜巖溶隧道工程地質(zhì)超前探測實例,對TSP地質(zhì)超前探測外業(yè)采集的反射波主頻與隧道圍巖級別、隧道地質(zhì)超前探測效果進行試驗研究和探討。

1 TSP超前探測法簡介

TSP203超前探測采用彈性波反射原理,通過對檢波器接收的彈性波反射信號進行處理分析,推斷工作面前方斷層破碎帶等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、巖石力學(xué)參數(shù)。TSP203超前探測工作原理見圖1。

圖1 TSP203超前探測工作示意

2 TSP超前探測反射波主頻(頻譜)研究

在隧道進行彈性波超前探測,如TSP203超前探測,有多次反射波、施工機械的彈性波等相互干涉,再加之隧道的特珠場地環(huán)境的影響,有必要對TSP超前探測采集數(shù)據(jù)質(zhì)量影響因素進行研究。

在對采集數(shù)據(jù)進行處理中,發(fā)現(xiàn)在框取反射波主頻時,主頻范圍與圍巖級別及探測效果存在一定的聯(lián)系,因此對宜萬鐵路齊岳山隧道、馬鹿箐隧道等復(fù)雜巖溶隧道的不同圍巖級別進行TSP203超前探測數(shù)據(jù)采集、處理后，與施工資料進行綜合對比分析，以及TSP203超前探測的反射波頻譜范圍與圍巖級別的對比分析。

2.1 反射波主頻形態(tài)

TSP203超前探測效果較好的(正確),TSP203反射波頻譜分析圖中反射波主頻應(yīng)為單峰明顯(如圖2),否則為干擾較大,TSP203超前探測效果較差(如圖3)。

圖2 正確的TSP203反射波頻譜分析

圖3 干擾較大的TSP203反射波頻譜分析

2.2 反射波主頻與圍巖級別的關(guān)系

對宜萬鐵路齊岳山隧道、馬鹿箐隧道、云霧山隧道等復(fù)雜巖溶隧道工作面為二級圍巖、三級圍巖、四～五級圍巖的前方不良地質(zhì)體(溶腔、斷層、巖溶管道)分別進行了24次、23次和17次的超前探測,根據(jù)探測資料作二級圍巖、三級圍巖、四～五級圍巖的TSP203超前探測反射波主頻范圍頻次如圖4～圖6。

圖4 Ⅱ級圍巖反射波主頻范圍頻次關(guān)系

圖5 Ⅲ級圍巖反射波主頻范圍頻次關(guān)系

圖6 Ⅳ～Ⅴ級圍巖反射波主頻范圍頻次關(guān)系

圖4～圖6中,實線表示TSP超前探測基本正確或正確的反射波主頻范圍的頻次,虛線表示TSP超前探測大部分不正確或探測不準(zhǔn)的反射波主頻范圍的頻次。從圖中看出,合格的反射波主頻范圍：二級圍巖50～3 000 Hz,三級圍巖50～2 000 Hz,四～五級圍巖50～1 200 Hz。超過此范圍說明反射波干擾較大,探測效果較差。

3 研究結(jié)果

對TSP地質(zhì)超前探測外業(yè)采集的反射波主頻與隧道地質(zhì)超前探測效果進行試驗研究的結(jié)果：

(1)得到了隧道TSP地質(zhì)超前探測反射波正確的主頻圖和干擾較大(不合格) 主頻圖。

(2)得到了隧道Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ～Ⅴ級圍巖級別的合格(干擾較小)TSP地質(zhì)超前探測反射波主頻范圍。

(3)從外業(yè)采集的反射波形態(tài)、主頻范圍可對TSP隧道地質(zhì)超前探測外業(yè)采集數(shù)據(jù)質(zhì)量進行判別。

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