TSP203超前地質(zhì)預報系統(tǒng)在花油山隧道中的應用

楊 聰

（南寧鐵路局工程管理所，工程師，廣西 南寧 530029）

TSP203 超前地質(zhì)預報系統(tǒng)是國外專門為隧道及地下工程施工超前地質(zhì)預報而研發(fā)的，是該領域目前國內(nèi)外最先進的科研成果。它能準確預報隧道掌子面前方及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)變化情況，對確保隧道安全施工、加快進度、避免事故、節(jié)約投資等具有重大的社會和經(jīng)濟效益。因此，該系統(tǒng)在我國鐵路隧道及地鐵施工中被廣泛應用。

根據(jù)隧道設計原勘測的地質(zhì)資料可知，南寧鐵路樞紐工程花油山隧道整體埋藏較淺，工程地質(zhì)條件差，局部易發(fā)生涌水、突泥、塌方、冒頂?shù)葹暮Γ┕るy度大。為確保施工安全和提前貫通的工期目標，決定采用TSP203超前地質(zhì)預報系統(tǒng)對該隧道的不良地質(zhì)體進行探測預報。

1 系統(tǒng)應用的必要性

1.1 隧道建設規(guī)模大 花油山隧道位于廣西南寧市江南區(qū)，隧道起訖里程為DK25+630～DK31+030，全長5 400 m，為雙線長大隧道，斷面開挖面積達116 m2，大部分埋深在20～70 m。隧道設計有進、出口和5個斜井，施工組織安排12個工作面同時展開施工，建設規(guī)模大，技術標準高。而且，隧道進口端下穿城市主要干道（銀海大道），該段屬淺埋地段施工，而施工期間又不能影響城市交通，施工難度高。因此，需要應用先進的科技來指導施工。

1.2 隧道地層巖性與地質(zhì)構造復雜 根據(jù)隧道設計原勘測資料判斷，該隧道所處山體屬剝蝕構造低山丘陵地貌，地形連綿起伏，地表上覆第四系全新統(tǒng)坡洪積層（Q4dl+pl）軟土、粉質(zhì)黏土、坡殘積層（Q4dl+el）粉質(zhì)黏土；隧道洞身穿越的地層為下第三系（E）含礫砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖夾砂礫巖，成巖性差，巖質(zhì)較軟，自穩(wěn)性差，圍巖以V 級圍巖為主；石炭系上統(tǒng)（C3）灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r，巖質(zhì)較堅硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育。該2 套地層接觸關系為角度不整合，不整合面起伏較大。不良地質(zhì)為巖溶、順層偏壓，軟土及膨脹（巖）土等。隧道地質(zhì)復雜，不良地質(zhì)地段較多。因此，需采用該系統(tǒng)進行超前預報，及時發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)體的分布位置、性質(zhì)和異常情況，為有效指導隧道施工提供安全技術保障。

1.3 水文地質(zhì)特征突出 山體地表水雖然不發(fā)育，但地下水類型豐富。主要以孔隙水、裂隙水和巖溶水為主。巖溶水主要賦存于可溶巖的溶孔、溶蝕裂隙中，處于垂直水平交替帶。洞身穿越的石炭系上統(tǒng)（C3）的可溶巖，可能會遇到較大巖溶水，在隧道施工期間發(fā)生水害的可能性大。因此，需要采用預報系統(tǒng)進行詳細探明，并提前采取有效措施應對和加強監(jiān)測。

2 系統(tǒng)應用的準備工作

2.1 系統(tǒng)原理及作用 TSP203系統(tǒng)是根據(jù)地震波的回波原理制成，是利用地震波在不良地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射特性來預報隧道掌子面前方100～150 m及周圍臨近區(qū)域的地質(zhì)（如斷層破碎帶、軟弱巖層及其它不良地質(zhì)地段）變化情況，為正確選擇開挖斷面、支護設計參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，能有效預防隧道涌水、突泥、坍塌、巖爆和有害氣體等災害性事故的發(fā)生。若在一定間隔距離內(nèi)連續(xù)多次采用該系統(tǒng)，現(xiàn)場技術人員結合原勘察的相關地質(zhì)資料，就可以準確地預知掌子面前方及周圍地質(zhì)變化狀況，掌握地質(zhì)力學參數(shù)，從而有效地提前制定各種復雜地質(zhì)條件下的施工方案和應對措施。

2.2 系統(tǒng)的準備與安裝 根據(jù)原隧道設計勘察的地質(zhì)資料，首先，在花油山隧道中選擇一段地質(zhì)比較復雜的地段，在距隧道底部約1 m 高的左或右側邊墻上用孔徑為Φ42 mm的鉆頭鉆24（s1～s24）個炮孔作為激發(fā)孔激發(fā)地震波，按孔距1.5 m，孔深1.5 m，孔向下傾斜10°～15°進行布置；其次，在距最后一個激發(fā)孔16～18 m的兩側邊墻等高處用Φ50 mm的鉆頭各鉆1個深2 m，傾角向上5°～10°的地震波接收孔，將預報系統(tǒng)的2個接收器用環(huán)氧樹脂錨固在邊墻上；第三，逐個向激發(fā)孔裝填100 g 炸藥量；第四，引爆激發(fā)孔的炸藥，使地震波在巖體內(nèi)傳播。系統(tǒng)具體安裝布置見圖1。

圖1 TS P203安裝布孔示意圖

3 對典型不良地質(zhì)體的解譯和預報

TSP203 系統(tǒng)在花油山隧道的正洞洞身和斜井開挖過程中先后被采用了23次，探測預報累計長度約2 500 m。系統(tǒng)探明和預報了20 處規(guī)模不一、類型不同的不良地質(zhì)體，所預報的不良地質(zhì)體中與實際工程地質(zhì)對比基本吻合。其中，系統(tǒng)探測預報的幾種典型不良地質(zhì)體的深度偏移、反射層、二維成果（2D）圖等探測成果資料表明，該地段存在斷層破碎帶、巖溶和軟弱巖層。

3.1 探明存在斷層破碎帶 結合原設計勘探的地質(zhì)資料，對隧道進口端DK26+700～DK27+800 應用預報系統(tǒng)探測。經(jīng)系統(tǒng)軟件處理過的花油山隧道深度偏移剖面圖（見圖2），圖中X 代表隧道軸線方向上距檢波器的距離，R 代表在測線水平面上偏離隧道軸線的距離，圖中紅色（深色）部分代表相對強反射界面，藍色（淺色）代表相對弱反射界面。由深度偏移圖可以判斷該地段存在5 處（段）斷層破碎帶和，破碎帶累計長度達90 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，富含裂隙水，且含水量大，圍巖條件較差，易發(fā)生大的坍塌和失穩(wěn)。如果施工組織不當，在施工過程中就有可能會發(fā)生涌水、突泥等現(xiàn)象，甚至會造成人員傷亡和財產(chǎn)損失等事故。

圖2 花油山隧道深度偏移圖

施工建議及措施：應短進尺、弱爆破開挖，加強超前支護，開挖后及時初支，及時施作仰拱和二襯，使結構受力均衡；及時排出掌子面積水；加強監(jiān)控量測，實時調(diào)整支護參數(shù)，確保安全。

3.2 探明存在巖溶 針對原隧道設計勘探的地質(zhì)資料，對隧道DK28+200～DK29+600 以及2 號斜井與正洞相接處進行系統(tǒng)探測預報，花油山隧道該段測點所提取的反射層圖（見圖3）是由深度偏移圖通過地震波在傳播中能量擴散損失、吸收作用及對波形軌跡掃描等一系列處理后提取及計算相對強、軟反射界面位置所得。探明溶洞有6 處，分布在洞身穿越的下部、邊墻及洞頂?shù)炔煌课?，其中對施工影響較大的是DK28+355 處的空腔（巖溶），該空腔處在洞身下方，腔穴東北走向展布，長約8 m，深約14 m，洞底部地下河由北折向東南。如果不及時探明和采取加強控制措施，則在施工過程中會引發(fā)巖溶充填物圍巖變形失穩(wěn)塌方、地表塌陷及水源流失和枯竭、地表生態(tài)破壞等災害。

圖3 花油山隧道提取的反射層圖

施工建議及措施：及時探明巖溶發(fā)育程度、分布、形狀及規(guī)模等情況；選擇合適的填充物（片石、塊石土、混凝土等）分層回填；對接近溶洞頂部進行鉆孔、注漿加固；對超挖邊墻進行嵌補；加強回填后的沉降觀測。

3.3 探明存在軟弱巖層 在對隧道出口端DK29+900～DK30+900 范圍進行探測時，從地震波記錄情況及結合原設計勘探地質(zhì)資料上分析的得出隧道巖性參數(shù)圖及二維成果圖（見圖4）。

圖4 花油山隧道預報的2D 圖

該圖上部的巖性參數(shù)圖自上而下分別表示縱波、橫波波速比（Vp/Vs）、泊松比δ及巖石密度；下部的二維成果圖由俯視圖和側視圖組成，圖中X 和R的含義和深度偏移圖中一致，三角符號代表的是通過縱波提取的，紅色（深色）、藍色（淺色）分別代表相對強、弱反射界面，灰色粗線部分為掌子面至檢波器段的隧道示意圖?？v波初至在5～10 ms間，計算可得巖體縱波速度約為4 083 m/s，波形清晰，同相軸易于識別，有明顯的從右至左呈“負速度”的異常反射信號。由此可綜合判斷：該范圍內(nèi)的圍巖為Ⅴ級，屬軟弱巖層。軟弱巖層走向與洞身走向基本接近，累計長度約360 m。如果施工支護措施不當，則容易發(fā)生流砂、突泥、塌方等現(xiàn)象。

施工建議及措施：該不良地段按Ⅴ級圍巖加強施工，在開挖該軟弱地質(zhì)體前，應采取超前小導管支護；三級臺階法開挖，且上臺階預留核心土；預留足夠開挖變形量，加強觀測，加大監(jiān)控量測頻次。

4 結束語

TSP203 超前地質(zhì)預報系統(tǒng)在花油山隧道的應用效果表明，該系統(tǒng)能有效探測掌子面前方約100 m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，預報準確率達87%～96%。由于預報準確率較高，所以在整個隧道施工期間，沒有發(fā)生一起因地質(zhì)情況探測不明而引起的施工安全和工程質(zhì)量事故；并且加快了施工進度，縮短了30%的工期，為該隧道順利開挖和貫通提供了可靠技術參數(shù)。

在廣西許多隧道工程招標文件中明確要求將TSP203 超前地質(zhì)預報作為隧道施工工序的重要組成部分以及施工安全和工程質(zhì)量的重要科技手段。據(jù)了解和統(tǒng)計，該系統(tǒng)在廣西境內(nèi)隧道的施工應用中效果良好，能大大減少施工的盲目性，既防止了安全事故的發(fā)生，也加快了施工進度，縮短了工期，節(jié)約了投資成本，在隧道工程界得到廣泛的認同和應用。