TSP技術(shù)在公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

劉建平，李少斌

(洛陽市公路規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司)

橋梁工程

TSP技術(shù)在公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

劉建平，李少斌

(洛陽市公路規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司)

介紹了TSP24系統(tǒng)的應(yīng)用原理及現(xiàn)場的施工布置，并結(jié)合實例分析，結(jié)果證明TSP24系統(tǒng)可以對施工隧道圍巖前方的地質(zhì)屬性進(jìn)行比較準(zhǔn)確的探測和預(yù)報，能確保隧道施工的安全，有效地防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

TSP;地質(zhì)預(yù)報;公路隧道;隧道圍巖

1 TSP技術(shù)及其工作原理

1.1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)

TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)由隧道內(nèi)數(shù)據(jù)信息采集和室內(nèi)計算機(jī)分析兩部分組成。

隧道內(nèi)數(shù)據(jù)信息采集主要由傳感器、數(shù)據(jù)記錄儀和引爆設(shè)備構(gòu)成。其中TSP系統(tǒng)傳感器主要是為了接收地震波反射回來的信號，數(shù)據(jù)記錄儀是將傳感器接收到的反射信號進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、測量過程控制以及信號數(shù)據(jù)處理，引爆設(shè)備主要是引爆電雷管和炸藥。

室內(nèi)計算機(jī)分析就是將洞內(nèi)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上，由專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件對地震波返回信號進(jìn)行分析處理，依次經(jīng)過數(shù)據(jù)庫部分(功能是負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)采集有關(guān)參數(shù)地輸入、編輯和管理)、震動數(shù)據(jù)處理部分(功能是提煉出含有直達(dá)波的原始數(shù)據(jù)，然后對其進(jìn)行進(jìn)一步的放大、濾波等有關(guān)處理，以便下一步分析處理時使用)、確定反射界面部分(作用是經(jīng)過前兩個過程的分析，確定出反射界面在隧道掌子面前方的相對位置、與軸線的交角以及繪制出巖石的力學(xué)參數(shù)曲線)三個程序塊。

1.2 工作原理

TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的工作原理是利用地震波的反射特性來預(yù)報隧道掌子面前方及周圍的地質(zhì)狀況，該反射特性是由地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的。該系統(tǒng)的工作流程是:(1)在掌子面后方左側(cè)邊墻上按照設(shè)計位置布置一排爆破孔;(2)進(jìn)行爆破，由爆破產(chǎn)生的地震波信號在隧道前方周圍巖體內(nèi)進(jìn)行傳播，當(dāng)巖石狀態(tài)或者強(qiáng)度發(fā)生改變時，一部分的地震波信號就會被返回(地震波界面兩側(cè)的巖石狀態(tài)或者強(qiáng)度相差越大，反射到接收器的信號就會越強(qiáng)); (3)返回來的信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，并進(jìn)一步的放大，系統(tǒng)根據(jù)信號的返回時間和返回方向，經(jīng)過內(nèi)置的專用數(shù)據(jù)軟件進(jìn)一步的進(jìn)行處理，最終可以分析出巖體狀態(tài)或者強(qiáng)度變化界面所處的位置。

1.3 TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)布置

在對隧道進(jìn)行TSP地質(zhì)預(yù)報是，主要做的工作是傳感器鉆孔和炮孔的布置、系統(tǒng)設(shè)備安裝、系統(tǒng)測試前準(zhǔn)備以及地質(zhì)預(yù)報操作。

(1)炮孔布置

在布置炮孔位置時，一般要根據(jù)施工隧道所處的地質(zhì)條件以及巖石狀況來安排爆破鉆孔所在位置。經(jīng)過大量的工程實踐證明，往往布置在隧道的左側(cè)。

爆破炮孔:一次預(yù)報要炮孔24個，呈直線布置。第一個炮孔要距離前方掌子面40 m左右，距離TSP傳感感應(yīng)器20 m左右。其他各個爆破孔間隔1.5 m左右;炮孔直徑約40 mm，鉆孔深度約1.5 m，炮孔朝向為垂直于隧道軸線方向而且朝下10°～15°;炮孔豎向位置布置在隧道底部以上1.0 m左右。

(2)TSP傳感器鉆孔布置

完成一次TSP預(yù)報需要傳感器鉆孔1個。傳感器鉆孔位置設(shè)計:隧道軸線方向距離第一個炮孔約20 m，距離前方掌子面60 m左右;鉆孔直徑和孔深分別為50 mm和2.0 m;鉆孔的朝向垂直于隧道軸線方向。鉆孔豎向位置布置在隧道底部以上1.0 m左右。

TSP系統(tǒng)各鉆孔平面布置示意圖如圖1。

2 工程實例

工程實例來自于重慶市雙碑隧道，該隧道隸屬于重慶市沙坪壩區(qū)，設(shè)計長度為4 373 m，全線穿越中梁山脈，工程地質(zhì)鉆探報告顯示洞身段圍巖主要為Ⅳ級和Ⅴ級圍巖，沿線經(jīng)過西永鎮(zhèn)，歌樂山鎮(zhèn)和雙碑街道。隧道設(shè)計左右線采用分離式雙洞單向三車道，隧道進(jìn)口位于沙坪壩區(qū)西永鎮(zhèn)香蕉園村，地形坡角15°～20°，左右線洞口樁號關(guān)系為:K2+303= K2+300.65，洞口地形平緩。隧道出口位于重慶二鋼廠耐火分廠十二車間附近，地形坡角20°～25°，左右線洞口樁號關(guān)系為K6+676=K6+673.65，且出口緊鄰長春溝大橋。

圖1 TSP系統(tǒng)各鉆孔平面布置示意圖

兩隧道線路測設(shè)計中線間間距為20 m，為小凈距隧道，隧道平面線型為直線。隧道縱斷面設(shè)計采用0.3%/1 630 m及－2.794%/3 500 m的人字坡，隧道主洞(單洞)限界凈寬為13 m(檢修道0.75 m+路緣帶0.5 m+行車道10.5 m+路緣帶0.5 m+檢修道0.75 m)，限界凈高5 m。

3 左線預(yù)報成果

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

(1)設(shè)備類型:TSP24;(2)左線掌子面樁號:Kz3+265; (3)左線傳感器樁號:Kz3+205;(4)炮孔和傳感器布置:左線在隧洞左壁布置24個炮孔及1個傳感器。

3.2 探測預(yù)報區(qū)域

本次地質(zhì)預(yù)報的探測方法采用TSP法，進(jìn)行了長距離超前探測，與此同時，還進(jìn)行了開挖工作面的地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)綜合判定工作，完成的主要工作量如表1。

表1 TSP預(yù)報里程一覽表

3.3 成果解釋

經(jīng)過室內(nèi)計算機(jī)分析，生成的效果圖，見圖2、圖3、圖4。

圖2 速度分布圖

圖3 SV波深度偏移剖面

圖4 傳感器2D成果圖

經(jīng)過對上圖的分析，解譯成果如下。

(1)K3+265～K3+307(42 m):巖體完整性差，節(jié)理發(fā)育，層理發(fā)育。建議圍巖級別為Ⅴ級。

(2)K3+307～K3+342(35 m):巖體完整性較差，節(jié)理發(fā)育，層間結(jié)合較差。建議圍巖級別為Ⅴ級。

(3)K3+342～K3+365(23 m):巖體完整性較差。巖體強(qiáng)度較差。建議圍巖級別為Ⅴ級。

4 右線預(yù)報成果

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

(1)設(shè)備類型:TSP24;(2)右線掌子面樁號:K3+265; (3)右線傳感器樁號:K3+205;(4)炮孔和傳感器布置:右線在隧洞左壁布置24個炮孔及1個傳感器。

4.2 探測預(yù)報區(qū)域

本次地質(zhì)預(yù)報的探測方法采用TSP法，進(jìn)行了長距離超前探測，與此同時，還進(jìn)行了開挖工作面的地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)綜合判定工作，完成的主要工作量如表2。

表2 TSP預(yù)報里程一覽表

4.3 成果解釋

經(jīng)過室內(nèi)計算機(jī)分析，生成的效果圖，見圖5、圖6、圖7。

經(jīng)過對上圖的分析，解譯成果見表2。

(1)K3+265～K3+307(42 m):巖體完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，層間結(jié)合力差。建議圍巖級別為Ⅴ級。

圖5 縱波、橫波繞射偏移

圖6 反射界面俯視圖

圖7 比速度及反射符號分布

(2)K3+307～K3+342(35 m):巖體完整性較差，節(jié)理發(fā)育，層間結(jié)合較差，個別處有軟弱夾層。建議圍巖級別為Ⅴ級。

(3)K3+342～K3+365(23 m):巖體完整性較差，巖體強(qiáng)度、穩(wěn)定性差、地下水以裂隙水為主。建議圍巖級別為Ⅴ級。

5 結(jié)語

(1)使用范圍廣。不僅可以應(yīng)用于完整的巖石圍巖，而且還可以用于軟巖以及軟弱地質(zhì)，還可以探測出前方的破碎帶和溶洞等。

(2)預(yù)報距離長。相較于超前鉆探的短距離預(yù)測，TSP技術(shù)能準(zhǔn)確地預(yù)報到隧道掌子面前方100～350 m范圍內(nèi)的地質(zhì)狀況。如果隧道的地質(zhì)狀況好且圍巖完整，那么TSP能預(yù)報出的距離就越長。

(3)施工干擾小。TSP預(yù)報可以在隧道施工過程中或者施工班組交接班時進(jìn)行，整個預(yù)報過程下來大約只需要一個小時。TSP系統(tǒng)的接收器和炮孔不在掌子面上是它的又一個優(yōu)點，因此它對隧道掌子面的開挖沒有干擾。

(4)效率高。TSP系統(tǒng)由試驗人員在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)完成后，在室內(nèi)可以用很短的時間完成對數(shù)據(jù)的分析。因此，可以快速的向委托人提交正式的預(yù)報成果報告。

TSP24系統(tǒng)雖然在系統(tǒng)和使用上得到了比較完善的改進(jìn)，但是，TSP24系統(tǒng)也存在一些缺點。

(1)炮點激發(fā)的誤差分析、側(cè)線排序和信號接受的關(guān)系等相關(guān)問題還需要進(jìn)一步的解決。

(2)地震波波速與圍巖的關(guān)系還需要進(jìn)一步的探索。

(3)在TSP探測實際的實施過程中，現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜多變，無法完全按照理論的設(shè)計位置來進(jìn)行布置和操作。

［1］ 閆小兵，周永勝，申飛.TSP203在溶洞探測中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報，2007，(12).

［2］ 孫克國，李術(shù)才，張慶松.TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)在龍?zhí)端淼乐械膽?yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2006，27.

［3］ 徐超，李哲.TSP技術(shù)在隧道探測中的應(yīng)用［J］.低溫建筑技術(shù)，2012，(11).

［4］ 孫克國，李術(shù)才，張慶松，薛翊國，李樹忱，許振浩.TSP在巖溶區(qū)山嶺隧道預(yù)報中的應(yīng)用研究［J］.山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2008，(2).

［5］ 周文峰.地震反射波法(TSP)在隧道地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用研究［D］.成都:成都理工大學(xué)，2009.

TSP Technology's Application In Highway Tunnel Advance Geological Forecast

LIU Jian－ping，LI Shao－bin
(Luoyang City Highway Planning Survey and Design Institute Co.，Ltd.)

The paper describes the application of the principle TSP24 system and on－site construction layout，combined with case analysis，the results prove that TSP24 system can be more accurate detection and prediction of the geological properties of the surrounding rock in front of the tunnel construction，to ensure the safety of the tunnel construction，effectively prevent the occurrence of geological disasters.

TSP;Geologic forecast;Highway tunnel;Tunnel rock

U442

C

1008－3383(2015)10－0071－02

2015－01－13

劉建平(1987－)，男，河南洛陽人，研究生，研究方向:道路、橋梁與隧道工程設(shè)計。