淺析地震波反射法—TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道施工中的運(yùn)用

陳迪兵

【摘 要】 以本人參與施工管理的新建渝懷鐵路、宜萬(wàn)鐵路個(gè)別典型、長(zhǎng)大隧道為例，介紹目前在隧道施工中廣泛采用的地震波反射法—TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，希望對(duì)建設(shè)中長(zhǎng)大隧道及地下工程施工中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作提供參考或有所借鑒和啟發(fā)。

【關(guān)鍵詞】 地震波反射法 地質(zhì)超前預(yù)報(bào) 隧道施工

地震波反射法—TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)是物探法的一種，它具有快速、探測(cè)距離大、與施工干擾相對(duì)小。但也存在一些較為明顯缺點(diǎn)。主要有：需要結(jié)合多種預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，且與與地質(zhì)分析資料深入結(jié)合，有一定技術(shù)難度。

1 地震波反射法—TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作原理

在隧道隧洞內(nèi)，人工制造一系列有規(guī)則排列的輕微震源；震源發(fā)出的地震波遇到地層界面、節(jié)理面、特別是斷層破碎帶、溶洞、暗河、巖溶陷落柱、巖溶淤泥帶等不良地質(zhì)界面時(shí)，將產(chǎn)生反射波，它的傳播速度、延遲時(shí)間、波形、強(qiáng)度和方向等均與相關(guān)界面的性質(zhì)以及產(chǎn)狀密切相關(guān)，并通過(guò)不同數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來(lái)；通過(guò)設(shè)備設(shè)置的震源反射波的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（傳感器和記錄儀），將這遞增數(shù)據(jù)經(jīng)微機(jī)處理后儲(chǔ)存起來(lái)。然后，將數(shù)據(jù)輸入帶有特制軟件的電腦，經(jīng)過(guò)電腦進(jìn)行復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算后，最后形成反射波（縱波）波形圖、反映相關(guān)界面或地質(zhì)體反射能量的影像圖和隧道平面、剖面圖，供工程技術(shù)人員解譯。

2 特點(diǎn)

①適用范圍廣：適用于極軟巖至極硬巖的任何地質(zhì)情況。

②預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)：能預(yù)報(bào)掌子面前方100～350 m范圍內(nèi)的地質(zhì)狀況，圍巖越硬越完整預(yù)報(bào)長(zhǎng)度就越大。

③對(duì)隧道施工干擾小：它可在隧道施工間隙進(jìn)行，即使專門安排此項(xiàng)工作，也不過(guò)30 min左右（圖1）。

④提交資料及時(shí)：在現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的第二天即可提交正式成果報(bào)告。它設(shè)計(jì)了一套專用處理軟件，將復(fù)雜多解的波形分析轉(zhuǎn)換為直觀的單一解的波形能量分析圖。將隧道頂部和底部的波形能量分析圖分析確定之后，就可得出斷層破碎帶、軟弱夾層或其它不良地質(zhì)體相對(duì)于隧道的空問(wèn)位置，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)繪出彈性波速度有差異的地質(zhì)界面相對(duì)于隧道軸線的地質(zhì)平面圖和縱斷面圖。

3 工程實(shí)例

宜萬(wàn)鐵路W6標(biāo)紅瓦屋隧道

（一）TSP探測(cè)的主要技術(shù)參數(shù)

1、傳感器里程： DK094+252；

2、掌子面里程： DK094+208；

3、隧道右壁（面向掌子面方向—下同）布置炮眼21個(gè)，左右壁各布置傳感器1個(gè)；

4、探測(cè)區(qū)段平均縱波波速VP=2893米/S；

5、有效預(yù)報(bào)距離：掌子面前方151米，即里程DK094+208～057；

可供參考預(yù)報(bào)距離：57米，即里程DK094+057～000；

6、最高分辨率≥1米3的地質(zhì)體；

7、隧道走向：80°—260°

8、隧道主干斷層破碎帶走向0°和310°。

（二）有效的TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)效果

1、DK094+208～180（28米）

有多條中小斷層破碎帶和影響帶分布的、以泥質(zhì)灰?guī)r為主的圍巖區(qū)段?？梢?條中小斷層破碎帶、影響帶，集中連續(xù)分布；且多以80°的大角度與隧道相交，始于右壁終于左壁。

總體圍巖較破碎，但少水。穩(wěn)定性較差～差，易坍塌～塌方，估計(jì)總體為Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖。

2、DK094+180～161（19米）

屬于斷層上盤節(jié)理發(fā)育帶與多水夾泥～富水多泥的、以泥質(zhì)灰?guī)r為主的圍巖區(qū)段。可見3個(gè)多水～富水帶，同樣以80°的大角度與隧道相交，始于右壁，終于左壁。具體位置為：

179～177；帶寬2米，多水夾泥。

174～172；帶寬2米，多水夾泥。

（3）171～166；壁寬5米，規(guī)模大，為富水多泥的中型斷層破碎帶?；蛞灿锌赡芤源笮r溶洞穴出現(xiàn)。

總體圍巖較破碎，多水夾泥～富水多泥，甚至可能出現(xiàn)大小巖溶洞穴。易坍塌～塌方，估計(jì)總體也為Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖。

3、DK094+161～146（15米）

少水無(wú)泥，無(wú)斷層，較完整的泥質(zhì)灰?guī)r分布的圍巖區(qū)段?？傮w圍巖完整，少水無(wú)泥，穩(wěn)定性好，估計(jì)總體為Ⅱ～Ⅲ級(jí)圍巖。

4、DK094+146～108（38米）

有小斷層破碎帶及其影響帶分布期間的、多水夾泥～富水多泥的泥質(zhì)灰?guī)r為主的圍巖區(qū)段。其中，主要多水～富水帶有6個(gè)，同樣以80°的大角度與隧道相交，始于右壁，終于左壁。具體位置是：

（1）146～142；帶寬4米，規(guī)模較大，為富水多泥的小斷層破碎帶?；蛞灿锌赡芤源笮r溶洞穴出現(xiàn)。

（2）138～136；帶寬2米，多水夾泥。

（3）130～128；帶寬2米，為多水夾泥的小斷層破碎帶。

（4）129～127；帶寬2米，多水夾泥。

（5）123～121；帶寬2米，多水夾泥。

（6）111～108；帶寬3米，多水夾泥。

總體圍巖較完整～較破碎，多水多泥，穩(wěn)定性較差，可出現(xiàn)坍塌～塌方，估計(jì)總體也為Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖。

5、DK094+108～057（51米）

為局部地段節(jié)理發(fā)育，并伴隨多水夾泥帶分布的泥質(zhì)灰?guī)r圍巖區(qū)段?？梢?個(gè)多水夾泥帶，以80°的大角度與隧道相交，始于右壁，終于左壁。具體位置是：

（1）105～103；帶寬2米，多水夾泥。

（2）099～093；帶寬6米，規(guī)模大，為富水多泥帶?；蛞灿锌赡芤源笮r溶洞穴出現(xiàn)。（3）081～079；帶寬2米，多水夾泥。

（4）071～069；帶寬2米，多水夾泥。

總體圍巖稍完整，僅局部節(jié)理發(fā)育并伴有少量多水夾泥帶；可出現(xiàn)掉塊～坍塌，圍巖穩(wěn)定性稍好～較差，估計(jì)總體也為Ⅲ～Ⅳ級(jí)圍巖。

（三）供參考的TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

1、DK094+057～016（41米）

為規(guī)模較大的富水多泥斷層破碎帶及其影響帶和少水?dāng)鄬悠扑閹Ъ蟹植嫉模阅噘|(zhì)灰?guī)r為主的圍巖區(qū)段?？梢?個(gè)規(guī)模大小不等的斷層破碎帶，同樣以80°的大角度與隧道相交，始于右壁，終于左壁。其中，富水多泥斷層破碎帶2條，其具體位置是：

（1）057～051；帶寬6米，規(guī)模大，為富水多泥帶；也有可能發(fā)育大小巖溶洞穴。

（2）030～026；帶寬4米，多水夾泥。

估計(jì)總體圍巖破碎，且多水夾泥～富水多泥，甚至可能出現(xiàn)大小巖溶洞穴；圍巖穩(wěn)定性差，易塌方，估計(jì)總體為Ⅴ級(jí)圍巖。

2、DK094+016～000（16米）

少水無(wú)泥，無(wú)斷層，較完整的泥質(zhì)灰?guī)r分布的圍巖區(qū)段。總體圍巖較完整，少水無(wú)泥，穩(wěn)定性較好，估計(jì)總體為Ⅱ～Ⅲ級(jí)圍巖。

小結(jié)

在整個(gè)隧道施工過(guò)程中，按照超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方案，采用了以地震波反射法—TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)為主要手段，并結(jié)合地質(zhì)條件輔助其它預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)手段，對(duì)隧道全程實(shí)施預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。對(duì)照預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)成果，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工揭示，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)里程、范圍及存在不良地質(zhì)體的種類基本與成果相符或相近。為該隧道的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)管理和順利實(shí)施施工奠定了很好的基礎(chǔ)。