TSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在大山腦隧道施工中的應(yīng)用

吳傳模

(中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司，河北石家莊 050000)

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)公路、鐵路需求越來(lái)越大，但隨著隧道施工逐漸向超長(zhǎng)、復(fù)雜地質(zhì)、地形條件下發(fā)展，增加了很多不確定的地質(zhì)情況，如裂隙水發(fā)育、松散地層、巖溶地質(zhì)等，地質(zhì)問(wèn)題嚴(yán)重影響了隧道的施工安全與進(jìn)度，如何運(yùn)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確提供隧道前方地質(zhì)異常體的產(chǎn)狀，更好、更快、更安全地對(duì)地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行處治在工程施工中顯得尤為重要。因此，如何準(zhǔn)確、有效地預(yù)報(bào)隧道在施工過(guò)程中遇到的各種地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，已經(jīng)成為當(dāng)前隧道建設(shè)中有待解決的關(guān)鍵難題之一。TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作為目前適用范圍最廣、預(yù)報(bào)效果最好的方法，并在大量的隧道實(shí)踐和施工過(guò)程中得到了充分的驗(yàn)證，其能夠準(zhǔn)確的判定巖溶及地下水發(fā)育情況、斷層破碎帶等不良地質(zhì)體的產(chǎn)狀。

1 TSP原理

TSP超前預(yù)報(bào)方法是由瑞士安伯格測(cè)量技術(shù)公司在20世紀(jì)90年代初研發(fā)的用于隧道超前預(yù)報(bào)的先進(jìn)技術(shù)，并在眾多大型工程中應(yīng)用并取得了一致的認(rèn)可，其采用的是地震波反射回波方法測(cè)量的原理。地震波由微量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)遇到巖石彈性性質(zhì)不同的分界面時(shí)，例如斷層、巖體破碎帶界面、溶洞等，就發(fā)生反射。再由檢波器接收信號(hào)，通過(guò)解釋獲取的信號(hào)，推斷出前方隧道構(gòu)造坡面及圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，達(dá)到超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的(見(jiàn)圖1)。

2 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)與資料獲取

2.1 工程簡(jiǎn)介

大山腦隧道位于浙江省慈溪市橫河鎮(zhèn)和余姚市丈亭鎮(zhèn)境內(nèi)，以DK113+500為兩市行政分界點(diǎn)，進(jìn)口位于慈溪市童岙村，出口位于余姚市匯頭村，洞內(nèi)縱坡為“人”字坡，分別為1 193 m的3.0‰ 上坡和5 016 m的3.2‰下坡。

圖1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)原理圖

隧道進(jìn)、出口處線路前進(jìn)方向左側(cè)有兩大水庫(kù)，分別為梅湖水庫(kù)和丈梅水庫(kù)，其中梅湖水庫(kù)為余姚市和慈溪市用水源，南臨蕭甬鐵路，橫穿東溪縣道，鄉(xiāng)間公路網(wǎng)密集，交通較便利。大山腦隧道起訖里程:DK112+207～DK118+416，全長(zhǎng)6 209 m，全長(zhǎng)位于直線上。該隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，隧址區(qū)內(nèi)發(fā)育7條斷層破碎帶，其中5條與隧道相交，地層巖性為晚侏羅系火山活動(dòng)第一、第二旋回晚期的產(chǎn)物，以淺灰色、淺灰綠色、淺灰紫色流紋質(zhì)凝灰?guī)r、角礫弱熔結(jié)凝灰?guī)r及沉積層為主。隧道內(nèi)有Ⅴ級(jí)圍巖414 m，Ⅳ級(jí)圍巖430m，Ⅲ級(jí)圍巖2 475m，Ⅱ級(jí)圍巖2 890m，是杭甬客專全線最長(zhǎng)的一座隧道。大山腦隧道工期要求2009年4月開(kāi)工，2011年4月竣工，工期異常緊張，是全線地質(zhì)條件最復(fù)雜、施工難度最大的隧道，是杭甬客專全線控制性工程。隧道設(shè)計(jì)采取的是單洞雙線無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h，線間距5 m，軌面以上有效內(nèi)凈空面積100m2，開(kāi)挖寬度14.3m，高12.1m，隧道內(nèi)設(shè)雙側(cè)救援通道及電纜槽，全隧道共設(shè)置25個(gè)綜合洞室，洞門采用帽檐斜切式洞門，設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)。主要工程數(shù)量有:開(kāi)挖土石方86.7 萬(wàn) m3(斷面方)，噴射混凝土2.6萬(wàn) m3，模筑混凝土16萬(wàn)m3，壓注水泥漿4 900 m3。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)工作布置情況

2.2.1 數(shù)據(jù)采集和測(cè)線布置

數(shù)據(jù)采集是指在施工過(guò)程中根據(jù)業(yè)主方的要求對(duì)需要預(yù)報(bào)的區(qū)域進(jìn)行合理組織施工，并為下一步的資料處理及解釋提供原始資料，采集到的原始數(shù)據(jù)對(duì)解釋成果的準(zhǔn)確性有著直接的影響。其順序一般如下，首先踏勘工地，根據(jù)工地的施工環(huán)境安排測(cè)線;選擇合理的激發(fā)條件，然后就是按操作規(guī)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在施工過(guò)程中一定注意激發(fā)和接收這兩個(gè)關(guān)鍵因素。

此次地質(zhì)超前預(yù)測(cè)，伴隨掌子面前進(jìn)，進(jìn)口共分11次探測(cè)，出口共分12次探測(cè)，斜井段共分7次探測(cè)，探測(cè)號(hào)及探測(cè)里程見(jiàn)表1。

表1 探測(cè)里程表

2.2.2 工作方法

提前在距地面約1.0 m高的一邊墻的水平線上，按間距1.5 m、孔深1.5 m、孔徑35 mm ～38 mm、下傾 15°～20°的標(biāo)準(zhǔn)鉆24個(gè)炮孔，最后一個(gè)炮孔距掌子面約2.0 m。高精度傳感器布置于距掌子面約50 m處隧道邊墻上，其孔深2.0 m、孔徑42 mm～45 mm、下傾5°～10°將已鉆好的炮孔接收孔的孔深、傾角、間距測(cè)量出來(lái)，并作好記錄，以備數(shù)據(jù)處理時(shí)用。

數(shù)據(jù)采集使用爆速3 200 m/s的乳化炸藥，零延時(shí)電雷管。各炮孔裝藥100 g，然后按順序逐個(gè)引爆，并由儀器記錄下各道信號(hào)。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，根據(jù)反射波信號(hào)能量的強(qiáng)弱，隨時(shí)對(duì)藥量進(jìn)行調(diào)整。數(shù)據(jù)采集時(shí)，為減少噪聲對(duì)采集數(shù)據(jù)的影響，工區(qū)內(nèi)應(yīng)停止其他施工作業(yè)，尤其是針對(duì)巖體的作業(yè)。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析評(píng)估

將采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)TSPwin軟件進(jìn)行處理，獲得隧道掌子面前方的 P波、SH波和SV波的速度剖面、深度偏移剖面、巖石的反射層、巖層的物理力學(xué)參數(shù)等資料。

解釋原則如下:1)S波反射弱、P波反射強(qiáng)處有裂隙存在;2)S波反射強(qiáng)、P波反射弱處有流體存在;3)泊松比高處有流體存在，縱波波速低處有裂隙存在;4)反射波為正相位時(shí)，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)，圍巖由堅(jiān)硬巖層進(jìn)入軟弱巖層;6)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;7)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;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。

本次根據(jù)TSP203探測(cè)結(jié)果，并綜合分析相關(guān)資料，預(yù)測(cè)范圍內(nèi)不存在大規(guī)模溶洞及地下水極為發(fā)育地段，但所預(yù)報(bào)地段含中等裂隙水及斷層破碎帶，應(yīng)注意對(duì)突水突泥及冒頂塌方等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防。

其中:出口DK118+204～DK118+180和出口DK118+084～DK117+970段圍巖局部節(jié)理發(fā)育，少量裂隙水，開(kāi)挖后容易掉塊，施工中要及時(shí)封閉，做好支護(hù);進(jìn)口DK112+406～DK112+500段圍巖波速更低，圍巖軟弱，可能為斷層破碎帶，裂隙水較發(fā)育，施工中要做好超前支護(hù)，及時(shí)封閉，做好排水措施;進(jìn)口DK112+500～DK112+560段圍巖波速較低，節(jié)理裂隙發(fā)育或軟弱破碎，裂隙水發(fā)育，施工中注意支護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

在大山腦隧道施工中共進(jìn)行了30次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，總長(zhǎng)度6 000多延米，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際開(kāi)挖情況基本吻合，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高。由于預(yù)報(bào)及時(shí)，采取支護(hù)措施得當(dāng)，施工中沒(méi)有發(fā)生過(guò)地質(zhì)災(zāi)害，確保了施工的安全和質(zhì)量，并且節(jié)約了工期，節(jié)省了成本。2011年2月11日大山腦隧道順利貫通，TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)發(fā)揮了不可替代的作用，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 劉志剛，趙 勇.隧道隧洞施工地質(zhì)技術(shù)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2001.

［2］ 張景科，諶文武，雷啟云.TSP203地質(zhì)超前預(yù)報(bào)原理及精度提高的途徑［J］.天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(4):25-26.

［3］ 張耀軍.對(duì)玖山隧道TSP203地質(zhì)預(yù)報(bào)方法及分析［J］.山西建筑，2010，36(3):332-333.

［4］ 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)，2001(5):1-4.