TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在客運(yùn)專線高風(fēng)險(xiǎn)隧道中的應(yīng)用*

鄒 偉，雪飛勝，沈進(jìn)喜

(湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410075)

TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在客運(yùn)專線高風(fēng)險(xiǎn)隧道中的應(yīng)用*

鄒 偉，雪飛勝，沈進(jìn)喜

(湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410075)

客運(yùn)專線中存在較多的長(zhǎng)大隧道，其隧道斷面大、埋深大，在地質(zhì)情況復(fù)雜的地區(qū)給隧道施工帶來(lái)安全隱患，因此，在隧道施工中開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作十分有必要。本文基于TSP203技術(shù)在滬昆客專某隧道進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況作出了較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，為指導(dǎo)隧道施工提供了可靠的依據(jù)，保證了隧道施工的安全。

隧道超前預(yù)報(bào);TSP203;隧道施工;巖溶

根據(jù)國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》以及京津城際、武廣、京滬等高速鐵路的開(kāi)通，標(biāo)志著我國(guó)已全面進(jìn)入高鐵時(shí)代，擁有世界上最龐大的高鐵網(wǎng)絡(luò)。客運(yùn)專線設(shè)計(jì)時(shí)速一般為250～350km/h，對(duì)勘察、設(shè)計(jì)、施工以及管理帶來(lái)了空前的挑戰(zhàn)。就目前已開(kāi)通和在建的線路來(lái)看，其中橋梁和隧道的比重占整個(gè)線路里程較大，尤其是地質(zhì)條件十分復(fù)雜的長(zhǎng)大隧道往往成為關(guān)鍵控制性工程。由于隧道施工速度越來(lái)越快，隧道埋深也越來(lái)越大，因此有效的探明掌子面前方的地質(zhì)情況，關(guān)系到施工安全、質(zhì)量以及進(jìn)度的保證。目前利用物探進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法較多，有地質(zhì)雷達(dá)法、瑞雷面波法、聲波法、TSP法等，大量的實(shí)踐證明［1－4］，TSP法是一種預(yù)報(bào)精度較高、技術(shù)成熟使用的物探方法，在目前客運(yùn)專線建設(shè)中被廣泛采用。

一、TSP203預(yù)報(bào)系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)

TSP－203系統(tǒng)就是專門為隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)所設(shè)計(jì)，它能長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)隧道施工前方的地質(zhì)變化:如斷層破碎帶、軟弱巖層及其他不良地質(zhì)地段，其準(zhǔn)確預(yù)報(bào)范圍為掌子面前方100～150m。TSP是一種用微量炸藥爆破產(chǎn)生地震波進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的技術(shù)，工作原理示意圖如圖1所示。其基本工作方法是沿平行隧道軸線方向在隧道側(cè)壁布置觀測(cè)系統(tǒng)，在炮孔中用炸藥人工激發(fā)地震波，地震波向隧道掌子面前方傳播，當(dāng)遇到巖石彈性不同的分界面時(shí)，例如巖層分界面、斷層和巖溶等，就發(fā)生反射。再由專門的傳感器記錄地震信號(hào)，通過(guò)軟件分析地震信息，從而推斷和解釋掌子面前方地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)及圍巖的力學(xué)物理參數(shù)。TSP203技術(shù)相比其他物探技術(shù)而言，具有使用范圍廣、預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)、準(zhǔn)確率高、對(duì)隧道工地干擾小以及提交成果及時(shí)等特點(diǎn)［5］。

二、工程地質(zhì)概況

本隧道為一特長(zhǎng)隧道，位于在建滬昆客運(yùn)專線云南段，全長(zhǎng)14800m，最大埋深為750m。該段隧道洞身差主要穿越可溶巖地段，構(gòu)造發(fā)育，主要穿過(guò)楊梅山－小達(dá)村斷層、發(fā)伍多－東鋪斷層、迤后所－羊洞斷層，大落沖斷層(F1)、(F2)和(F3)斷層，巖體破碎，富水或存水，施工中易產(chǎn)生坍方、掉塊及涌水涌泥等情況，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。本次采用TSP203方法對(duì)本隧道中地質(zhì)勘探巖性變化急劇，存在可溶巖以及夾煤層等不良地質(zhì)段的地質(zhì)情況進(jìn)一步的探明，以便及時(shí)掌握和反饋隧道掌子面前方的地質(zhì)情況，調(diào)整防護(hù)措施，為優(yōu)化隧道施工組織、制定施工安全應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)?？碧降刭|(zhì)情況如圖2所示，圖中P1q為灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化層，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，屬Ⅳ級(jí)軟石;P1l為砂巖、泥頁(yè)巖夾煤層，薄至中厚層狀，質(zhì)軟易風(fēng)化，煤線厚度一般小于0.4m;C3mp為灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r、泥巖，中厚層狀，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，屬Ⅳ級(jí)軟石;C2hn為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，中厚層狀，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，致密質(zhì)堅(jiān)性脆。

圖1 TSP法工作原理示意圖

圖2 勘探地質(zhì)情況

三、數(shù)據(jù)采集與分析處理

本次TSP203預(yù)報(bào)的地震波接收器里程位置在PDK979+120，掌子面里程位置為PDK979+187，設(shè)計(jì)為24炮，2個(gè)接收器接收。通過(guò)試驗(yàn)，確定采用藥量為75ɡ乳化炸藥。數(shù)據(jù)采集時(shí)采用X－Y－Z三分量接收，采樣間隔62.5μs，記錄長(zhǎng)度451.125ms。實(shí)際激發(fā)24炮，所記錄的23炮合格，可用于數(shù)據(jù)處理和解釋。

現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)采用TSPwim專用軟件進(jìn)行處理，TSPwin軟件主要由數(shù)據(jù)庫(kù)、處理、計(jì)算反射界面三部分組成。① 數(shù)據(jù)庫(kù):編輯現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)和定義觀測(cè)系統(tǒng)。② 處理:對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、能量均衡、濾波等流程的處理。③ 計(jì)算反射界面:在波形處理后，從地震波形記錄中拾取縱波波至和橫波波至，根據(jù)爆炸點(diǎn)與檢波器的距離可分別計(jì)算各段圍巖的縱波速度vp和橫波速度vs。vp和vs值的大小綜合反映了圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)vp和vs值可直接計(jì)算動(dòng)力學(xué)參數(shù)，即計(jì)算動(dòng)彈性模量Ed、動(dòng)剪切模量Gd和泊松比μd，計(jì)算式如下:

其中，ρ為圍巖的密度。

根據(jù)繞射重疊法原理(與常規(guī)地震反射資料處理中偏移流程的原理類似)計(jì)算反射界面與隧道的相對(duì)位置，即與隧道軸線的交角或至掌子面的距離。最后根據(jù)TSP法的原理和工作經(jīng)驗(yàn)，把距離隧道軸線近、能量大的反射波組判釋為圍巖異常區(qū)，并綜合地震波速、反射波相位、泊松比和動(dòng)態(tài)楊氏模量等參數(shù)對(duì)圍巖異常區(qū)的類別進(jìn)行劃分。

四、預(yù)報(bào)成果與實(shí)際開(kāi)挖情況對(duì)比

(一)預(yù)報(bào)成果解譯

TSP203系列的主要成果包括:三波速度剖面圖、三波速度偏移剖面圖、三波反射層提取剖面圖、物理力學(xué)參數(shù)與二維、三維推斷分析圖［6］。解釋原則如下所述:① 泊松比高說(shuō)明有流體存在，縱波波速低說(shuō)明有裂隙存在;②S波反射能量強(qiáng)，P波反射能量弱，說(shuō)明有流體存在;③ S波反射能量弱，P波反射能量強(qiáng)，說(shuō)明有裂隙存在;④反射波為正相位時(shí)，說(shuō)明圍巖由軟弱巖層進(jìn)入堅(jiān)硬巖層;⑤ 反射波為負(fù)相位時(shí)，說(shuō)明圍巖由堅(jiān)硬巖層進(jìn)入軟弱巖層;⑥當(dāng)泊松比大于0.28或VP/VS突然增大時(shí)，前方地質(zhì)情況為有水或圍巖較破碎;⑦ 當(dāng)靜態(tài)楊氏模量大于30時(shí)，石質(zhì)堅(jiān)硬，反之，石質(zhì)較軟;⑧ 當(dāng)反射界面較多且靜態(tài)楊氏模量和泊松比變化頻繁，幅度較大時(shí)，圍巖為破碎帶，若為負(fù)反射振幅時(shí)，圍巖為軟弱破碎帶。圖3為預(yù)報(bào)結(jié)果的二維視圖。

圖3 預(yù)報(bào)成果2D圖

TSP資料的解釋應(yīng)該緊密結(jié)合施工設(shè)計(jì)資料及現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)記錄，以現(xiàn)有的地質(zhì)資料指導(dǎo)資料的解釋，再根據(jù)TSP203的解譯原則以及對(duì)TSP203原理的理解的基礎(chǔ)上對(duì)預(yù)報(bào)進(jìn)行解釋。其思路如下:首先利用P波速度對(duì)圍巖破碎的敏感性，預(yù)報(bào)構(gòu)造破碎帶。斷層破碎帶、斷層群或密集節(jié)理帶，由于結(jié)果面發(fā)育，巖土松散、破碎而具有較差的力學(xué)性質(zhì)，P波波速較之兩側(cè)圍巖要低得多。其次利用SH波和SV波速度對(duì)充水地質(zhì)體的敏感性，預(yù)報(bào)充水地質(zhì)體。當(dāng)巖石空隙空間充滿水時(shí)，含水巖石更容易壓縮，因此，P波可以通過(guò)巖石基質(zhì)和空隙中的流體來(lái)傳播，但速度一般要降低，而橫波只通過(guò)巖石基質(zhì)而很難通過(guò)空隙間的流體而傳播(橫波速度趨近于零)，故，相對(duì)于P波波速降低量來(lái)說(shuō)，SH波和SV波波速降低得更多。第三綜合考慮三波反射層剖面圖以及三波能量參數(shù)對(duì)劃分結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證。本次預(yù)報(bào)的結(jié)果如下:①PDK979+187～PDK979+220段:圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶中等發(fā)育，存在溶蝕裂隙、軟弱夾層，中等富水，存在突泥、突水的可能，特別注意PDK979+198～PDK979+212，防止涌水，坍塌等情況發(fā)生;②PDK979+220～PDK979+265段:圍巖較破碎～破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在軟弱夾層、弱富水;③PDK979+265～PDK979+297段:圍巖破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖溶中等發(fā)育，其中PDK979+270～PDK979+280段存在溶洞、軟弱夾層或溶蝕裂隙、富水。由于本段地質(zhì)條件復(fù)雜，提高預(yù)報(bào)精度，此次預(yù)報(bào)距離為掌子面前方110m。

(二)實(shí)際開(kāi)挖情況

①PDK979+187～PDK979+200段，圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，在開(kāi)挖過(guò)程中掌子面有滲水現(xiàn)象;PDK979+200～PDK979+220段，圍巖極破碎，存在大量溶蝕裂隙，且裂隙水十分發(fā)育，隧頂及掌子面有大量出水現(xiàn)象，施工單位提前做好了防排水措施，但未見(jiàn)較大的溶洞出現(xiàn)，與預(yù)報(bào)結(jié)果相符。

②PDK979+220～PDK979+265段，圍巖相對(duì)轉(zhuǎn)好，但存在軟弱夾層，巖體局部破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，有少量裂隙水，但未見(jiàn)與地質(zhì)勘探結(jié)果中的煤線。由于TSP不能對(duì)煤層有較好的判別，因此本段TSP預(yù)測(cè)結(jié)果吻合較好。

③PDK979+265～PDK979+297段，圍巖破碎程度較高，存在大量的軟弱夾層，弱富水，由于提前做好了防排水措施，對(duì)施工影響不大;其中在PDK979+278附近，發(fā)現(xiàn)一寬度約為0.5m溶蝕裂隙，由于隨著掌子面的開(kāi)挖裂隙水大量排出，對(duì)施工影響較小。與預(yù)測(cè)結(jié)果吻合，但與前期地質(zhì)勘探的巖性判斷有所出入。這是因?yàn)榈刭|(zhì)勘探由于其精度所致，難免有所出入，而TSP203對(duì)于掌子面前方100～150m的圍巖破碎情況、斷層以及是否有水等預(yù)報(bào)較為精準(zhǔn)。

五、結(jié)論

(1)此次運(yùn)用TSP203技術(shù)成功的對(duì)地質(zhì)條件比較復(fù)雜的地段進(jìn)行了預(yù)報(bào)，施工單位根據(jù)預(yù)報(bào)的結(jié)果，提前做好了防止措施，減少了施工時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，保證了施工人員以及隧道的安全。

(2)由于前提地質(zhì)勘探工作的精度限制，對(duì)于一些比較復(fù)雜的地質(zhì)無(wú)法做出比較詳細(xì)的判定，而TSP203技術(shù)作為中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)手段，其預(yù)報(bào)成果可以直接指導(dǎo)隧道的施工，對(duì)隧道的施工方案和施工措施的選擇，能夠提供積極的指導(dǎo)性建議。

(3)TSP技術(shù)作為一種物探方法，其預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及預(yù)報(bào)人員的工作經(jīng)驗(yàn)息息相關(guān)，只有根據(jù)不同的地質(zhì)條件不斷積累經(jīng)驗(yàn)，才能使預(yù)報(bào)更接近事實(shí)。同時(shí)，由于地下工程的隱蔽性以及物探的間接性與多解性，采用多種物探手段綜合預(yù)報(bào)是以后客運(yùn)專線隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的發(fā)展趨勢(shì)。

［1］李堅(jiān).TSP法在鐵路客專專線隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中的應(yīng)用前景［J］.鐵道勘察，2005，31(6):45－49.

［2］劉新榮，祝云華，陳金華，等，高壓富水區(qū)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用研究［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2008，23(4):1304 －1309.

［3］宋先海，顧漢明.我國(guó)隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)評(píng)述［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2006，21(2):598 －604.

［4］Dickmann T，Sander B K.Drivage concurrent tunnel seisimic prediction(TSP) ［J］.Felsbau，1996，14(6):406 －411.

［5］胡輝榮，于貴.TSP203plus超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在高竹頂隧道斷層中的應(yīng)用［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2011，(5):1 －4.

［6］劉志剛，凌宏億，俞文生.隧道隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)［M］.北京:人民交通出版社，2011.

2012－02－28

鄒偉(1986－)，男，湖南益陽(yáng)人，碩士。