TSP203plus系統(tǒng)在茶林頂隧道開挖施工中的應(yīng)用①

石志龍

(中鐵二院重慶勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，重慶 400023)

0 引言

在高速公路的修建過程中，不可避免的要穿越山嶺隧道，經(jīng)濟的發(fā)展和公路等級的提高，對施工過程和質(zhì)量提出了更高的要求.由于隧道自身具有的隱蔽特性，盡管開挖之前會進行詳細的地質(zhì)勘察，但由于自然條件的復(fù)雜性以及勘察手段的局限性等，仍然難以完全認識隧道圍巖的工程地質(zhì)特征，使得隧道施工具有一定的盲目性和危險性，比如，重慶陸家?guī)X隧道自從施工開始，先后在隧道的拱頂和邊墻發(fā)生了93次巖爆[1]，這就需要在施工前采取更為先進的手段來查明圍巖的地質(zhì)特性.

地質(zhì)超前預(yù)報可以預(yù)測掌子面前方一定范圍內(nèi)巖體的工程特性，比如破碎帶、瓦斯、天然氣、采空區(qū)、巖溶、裂隙、地下水賦存狀況以及巖體的級別.TSP203plus超前預(yù)報系統(tǒng)作為一種非破壞性的預(yù)測手段，可以方便準(zhǔn)確地探明掌子面前方100～200m范圍內(nèi)隧道圍巖的的地質(zhì)特性，提供安全預(yù)警，確保施工順利.

本文以廣梧高速公路茶林頂隧道為工程背景，對TSP203plus超前預(yù)報系統(tǒng)的原理、數(shù)據(jù)采集、結(jié)果分析等作較為詳盡的分析，并對該預(yù)報技術(shù)存在的主要問題做一定的討論，為類似的工程提供借鑒.

1 TSP203plus工作原理

TSP203plus采用了回聲測量原理，在現(xiàn)場測試時，一般是在隧道兩側(cè)的邊墻，將24個炮點沿直線布設(shè)，采用小劑量炸藥激發(fā)這些震源以在巖石中產(chǎn)生球面形式的地震波.當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(通常指波阻抗差異界面，比如斷層、碎石破碎帶和巖性突變等)時，一部分地震波信號反射回來，被高靈敏度的地震檢波器接收，另一部分信號折射進入前方介質(zhì).反射信號的運行時間和反射界面的距離成正比，因而能提供一種直接的測量.

TSP203plus地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)的現(xiàn)場布設(shè)及測試過程由一系列的炮點、兩個三維接收傳感器(X、Y、Z方向)接收機以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，示意圖如圖1所示.

圖1 TSP203plus系統(tǒng)示意圖

在進行成果解譯時，主要以P波為主對巖層進行劃分，結(jié)合橫波資料對地質(zhì)現(xiàn)象進行解釋，以此判斷巖層的軟硬程度、是否破碎以及含水狀況等.

2 工程應(yīng)用

2.1 工程背景

廣梧高速公路河口至平臺段的茶林頂隧道位于郁南縣東壩北面約5km，分為左右線，左線隧道里程LK71+566～LK74+261，長2695m;右線隧道里程RK71+632～RK74+246，長2614m，設(shè)計標(biāo)高為90.2～105.5m.隧道穿過茶林頂丘陵，地質(zhì)復(fù)雜.隧道區(qū)間存在一北西傾向背斜褶皺構(gòu)造，其軸部為中泥盆系東崗嶺組白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，兩翼為上泥盆系榴江組砂巖、頁巖、石英砂巖.

從現(xiàn)場來看，茶林頂隧道掌子面平整度一般，掌子面寬度為12m，高度為6m，本文中以掌子面里程樁號為LK73+137的預(yù)測結(jié)果進行分析.

2.2 現(xiàn)場設(shè)計參數(shù)

探測采用的儀器是由瑞士安伯格測量技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TSP203plus超前預(yù)報系統(tǒng).現(xiàn)場測試時，檢波器孔和炮孔的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示.

表1 現(xiàn)場測試主要設(shè)計參數(shù)

2.3 原始數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集時，采用X－Y－Z三個分量同時接收，采樣間隔62.5μs，記錄長度為901.125ms.采用無爆炸延時遲的瞬時激發(fā)電雷管來產(chǎn)生地震波，炸藥采用小劑量的防水乳化炸藥，每孔的劑量控制在70～100g.

實際激發(fā)和記錄的地震波組數(shù)為24組，有一個炮孔沒有發(fā)生爆炸，故現(xiàn)場有效地震波數(shù)據(jù)為23組.圖2(a～c)～圖3(a～c)給出了兩個檢波器采集到的X，Y，Z三個分量的原始數(shù)據(jù).

圖2 檢波器1采集到的原始波形圖

圖3 檢波器2采集到的原始波形圖

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理采用配套的TSPwin專用軟件進行，處理前，需正確輸入炮點、接收點等幾何參數(shù)，剔除質(zhì)量差的記錄道，確保分析數(shù)據(jù)的正確有效.

根據(jù)軟件處理得到的二維成果圖(圖4所示)，參照數(shù)據(jù)解譯的幾條規(guī)律，并結(jié)合詳細的地勘資料，可以對該預(yù)報范圍內(nèi)的巖體作如下分析:

圖4 二維成果圖

LK73+137～107范圍內(nèi)，除了LK73+107里程處巖體的密度和動態(tài)楊氏模量突然減小外，整個里程范圍內(nèi)巖體的波動比、密度和動態(tài)楊氏模量變化不大，與掌子面巖性基本相同，主要為強～弱風(fēng)化灰?guī)r，該段反射面較多，表明巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，完整性自穩(wěn)性相對較差，巖體總體強度偏低;

LK73+107～077范圍內(nèi)，反射面有所減少，巖體的泊松比明顯減小，密度和動態(tài)楊氏模量明顯增加，巖體強度比前一段有一定程度的增加，自穩(wěn)性有所加強;

LK73+077～LK73+059范圍內(nèi)，反射面比較密集，較前段有所增加，巖體的密度和動態(tài)楊氏模量明顯減少，泊松比有所增加，表現(xiàn)出巖體比較破碎，強度和自穩(wěn)性都有所降低;

LK73+059～LK73+023范圍內(nèi)，反射面明顯減少，巖體的密度和動態(tài)楊氏模量都明顯增加，可以推測巖體的整體性較好，強度有所增加，注意巖體的泊松比和縱波與橫波速度比都有所增大，表明巖體局部破碎含水;

LK73+023～LK72+975范圍內(nèi)，除了在里程LK72+994處巖體密度和動態(tài)楊氏模量突然增加，整體上該段內(nèi)的強度比掌子面處的巖體稍顯軟弱，反射面較為密集，巖體較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，自穩(wěn)性相對較差.

綜合上述的分析成果，并結(jié)合該工程的地質(zhì)勘查報告，可以得出掌子面前方162m范圍內(nèi)，巖體的整體強度偏低，自穩(wěn)性相對較差，局部破碎含水，推測圍巖級別為IV級，施工時易發(fā)生掉塊、局部坍塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，在開挖過程中要加強支護，確保安全.

3 討論

以上對TSP203plus系統(tǒng)在隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用作了分析，結(jié)合筆者的實際現(xiàn)場經(jīng)驗來看，該系統(tǒng)在巖體破碎帶、節(jié)理裂隙、巖體強度以及圍巖級別等方面的預(yù)測相對準(zhǔn)確，這方面眾學(xué)者也有著較為一致的認識[2～7]，同時，由于 TSP探測手段具有操作時間短、對施工干擾較小、適用范圍廣等特點，在隧道地質(zhì)超前預(yù)報中得到了廣泛應(yīng)用.

然而，該預(yù)測方法也具有一定的局限性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)TSP203plus系統(tǒng)在復(fù)雜條件下的探測精度將大大降低[8]，一般情況下，對于與隧道呈大角度相交的面狀軟弱帶，如斷層、軟弱夾層、地層分界等的探測效果較好，對于不規(guī)則的地質(zhì)形態(tài)比如溶洞、暗河等，探測結(jié)果則不太理想;(2)巖層含水狀況是開挖施工中需要考慮的重要因素之一，而從目前TSP技術(shù)的發(fā)展來看，還難以達到理想的探測精度，這時就不能只采用單一的手段，而是盡量和其它探測手段相結(jié)合，比如地質(zhì)雷達技術(shù)，就可以很好的認識巖層的含水狀況[9]，但地質(zhì)雷達的明顯缺點在于探測距離較短，實際上，筆者所在的監(jiān)測小組在進行地質(zhì)預(yù)報時，就采用的是TSP203plus和地質(zhì)雷達兩種手段相結(jié)合的措施;(3)可能是處于商業(yè)保密的原因，TSP203plus系統(tǒng)的生產(chǎn)公司并未向用戶提供具體的數(shù)據(jù)存儲格式，使得用戶只能被動的采用其配套的軟件TSPwin進行數(shù)據(jù)處理，限制了用戶對采集數(shù)據(jù)的開發(fā)處理，楊天春等對該系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲格式進行了一定的研究[10];(4)對收到的探測信號進行地質(zhì)解譯時，工程人員需要一定的理論基礎(chǔ)及豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗，這就使得儀器的操作人員有所限制.

4 結(jié)論

以廣梧高速茶林頂隧道為工程背景，對超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)TSP203plus在實際工程中的應(yīng)用作了較為詳盡的分析，并對該探測手段的優(yōu)缺點進行了討論，可以得到以下結(jié)論:

(1)基于回聲測量原理，TSP203plus系統(tǒng)具有適用范圍廣、探測時間短以及對施工擾動小等優(yōu)點，在巖體破碎帶、節(jié)理裂隙、巖體強度以及圍巖類別的判斷中有著較高的可靠性.

(2)對隧道掌子面里程LK73+137前方162m范圍內(nèi)巖體探測結(jié)果表明，該段圍巖整體強度較低，局部破碎含水，巖體自穩(wěn)性相對較差，在隧道施工中要加強支護.

(3)地質(zhì)條件復(fù)雜性增加時，TSP203plus探測技術(shù)的精度也相對降低，需要輔助的探測手段(如地質(zhì)雷達等)加以驗證，在分析時最好結(jié)合詳細勘察地質(zhì)報告，以確保對隧道圍巖的工程特性有準(zhǔn)確而全面的認識.

(4)工程操作人員需要具備一定的理論知識及豐富的現(xiàn)場工作經(jīng)驗，才能對采集的信號進行地質(zhì)解譯;采集的原始數(shù)據(jù)一般只能用配套的TSP-win軟件進行分析，想要更為靈活的處理數(shù)據(jù)，需要進一步的研究開發(fā).

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