TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及其在地鐵施工中的應(yīng)用

周可璋 周浩 盧寧 何中聯(lián) 王偉

【摘要】結(jié)合某地鐵施工工程實(shí)際具體闡述了TSP的具體應(yīng)用步驟，優(yōu)缺點(diǎn)，以及在施工過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)。通過對TSP和地質(zhì)雷達(dá)的具體勘測特點(diǎn)和實(shí)際得到的結(jié)果做出對比，得到了二者結(jié)合運(yùn)用可以增加勘測準(zhǔn)確性的結(jié)論。對以后TSP在實(shí)際工程中的應(yīng)用以及與其它勘測設(shè)備的綜合應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】超前地質(zhì)預(yù)報(bào);?TSP;地鐵施工;工作原理;技術(shù)應(yīng)用

TSP?Geological?Prediction?and?Application?in?the?Subway?Construction

Zhou?Kezhang，Zhou?Hao，Lu?Ning，He?Zhonglian，Wang?Wei

（The?Fourth?Company?of?China?Eighth?Engineeing?Burrau?Ltd??Qingdao?266071?）

Abstract：?This?paper?simply?introduces?TSP?tunnel?geological?prediction?system?development?course，and?the?present?situation?of?the?application?of?this?technology?and?the?technical?principle?in?our?country.?Expounded?TSPs?application?steps?and?relative?merits?Combined?with?engineering?practice?and?which?shoud?notices?In?the?construction?engineering.?Based?on?the?TSP?and?geological?radar?specific?surveys?character?and?actual?results?obtained?make?contrast，got?the?conclusion?that?a?combination?using?can?increase?the?accuracy?of?Survey.?For?TSPs?application?in?engineering?as?well?as?with?other?survey?equipment?comprehensive?application?in?the?future?has?important?guiding?significance.

Key?words：?tunnel?geological?prediction;?TSP;?subway?construction;?principle;?technology

0??引言

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)的中后期，是工程地質(zhì)學(xué)的一個(gè)分支，我國在這個(gè)方面的研究始于20世紀(jì)70年代以后，幾十年來地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在我國也有了很大的發(fā)展。然而隨著近些年來鐵路、公路、城市軌道交通等的迅速發(fā)展，隧道的長度和埋深的不斷增大，隧道施工中出現(xiàn)的問題也越來越多。如果對這些問題處理不當(dāng)，將有可能造成嚴(yán)重的工程問題和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了避免因地質(zhì)問題而引起工程事故，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在工程施工中就顯得越來越重要?，F(xiàn)在在我國應(yīng)用的主要的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)有負(fù)視角速度法、HSP、TSP、TGP、TST等[1]，其中TSP作為一種進(jìn)入中國較晚的勘測技術(shù)，代表了中國地質(zhì)預(yù)報(bào)領(lǐng)域的先進(jìn)水平。文本通過將TSP技術(shù)應(yīng)用在地鐵工程中，驗(yàn)證了TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的效果。并提出了一些增強(qiáng)TSP勘測效果準(zhǔn)確性綜合性勘測方法。

1??TSP的簡介及其工作原理

1.1??TSP簡介

二十世紀(jì)六十年代，美國國家安全局網(wǎng)羅了眾多資深地球物理學(xué)家應(yīng)用地震波勘測技術(shù)來研究地層應(yīng)力釋放現(xiàn)象及地層結(jié)構(gòu)掃描成像。在此過程中形成了隧道反射層析掃描成像超前預(yù)報(bào)技術(shù)（Tunnel?Reflection?Tomography），簡稱TSP技術(shù)。TSP系統(tǒng)是一種新穎、快速、有效、無損的反射地震預(yù)報(bào)技術(shù)，以其簡單的操作，準(zhǔn)確、全面、直觀的勘測結(jié)果，在國內(nèi)迅速發(fā)展起來。

1.2??TSP系統(tǒng)的工作原理

TSP隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)是利用地震波的反射原理進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)的。預(yù)報(bào)時(shí)，通過錘擊或激震器產(chǎn)生的地震波，地震波在隧道中的巖體內(nèi)傳播，當(dāng)遇到一個(gè)地震界面時(shí)，如斷層、破碎帶、溶洞、大的節(jié)理面等，一部分地震波就被反射回來，反射波經(jīng)過一個(gè)短暫時(shí)間到達(dá)傳感器后被接收并被記錄主機(jī)記錄下來，然后經(jīng)專門的3D軟件進(jìn)行分析處理，對地震波進(jìn)行疊加，就得到清晰的異常體的層析掃描三維圖像。再通過對異常體的里程、形狀、大小、走向，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料、跟蹤觀測地質(zhì)資料就可以確定隧道前方及周圍區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的位置和特性。入射到邊界的反射系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中R為反射系數(shù)，r為巖層的密度，V等于地震波在巖層中的傳播速度。地震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到一個(gè)高阻抗物質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)是正的;反之，反射系數(shù)是負(fù)的。因此，當(dāng)?shù)卣鸩◤能浶缘刭|(zhì)體傳播到硬質(zhì)地質(zhì)體時(shí)，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時(shí)，回波的極性會(huì)反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學(xué)阻抗差別越大，反射波就越明顯，越容易被探測到[2]。

2??應(yīng)用實(shí)例

2.1??預(yù)報(bào)地段

對某地鐵車站小導(dǎo)洞進(jìn)行超前預(yù)報(bào)檢測，以對掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行分析評估。預(yù)報(bào)內(nèi)容為地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)構(gòu)造及地下水含量。預(yù)報(bào)長度110m。

2.2??地質(zhì)狀況

根據(jù)勘察資料，場地地層從上至下依次為：

（1）?第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml），主要由粘性土、灰?guī)r碎石、石英巖碎石、板巖碎塊及少量的生活建筑垃圾等組成的素填土;

（2）?第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）主要由稍濕的粉質(zhì)粘土，卵石組成;

（3）?震旦系長嶺子組板巖（Zwhc），長嶺子組上部為板巖夾黃色薄層泥灰?guī)r，局部夾薄層粘土質(zhì)粉晶灰?guī)r;

（4）?燕山期輝綠巖（βμ）。

2.3??數(shù)據(jù)采集與處理

本次測試安裝8個(gè)傳感器，左、右邊墻各4個(gè);錘擊震源點(diǎn)共計(jì)12個(gè)，靠近掌子面的兩邊墻上各6個(gè)?？睖y范圍：豎向?yàn)樗淼乐行木€上下各20m，橫向?yàn)樗淼乐行木€左右各20m?，縱向?yàn)?10m。圖1為數(shù)據(jù)采集軟件工作界面。圖2是軟件操作界面示意。

圖1??數(shù)據(jù)采集界面

Fig.1??Data?Acquisition?Interface

圖2??軟件操作界面

Fig.2??Software?interface

2.4??分析結(jié)果

地震波波速圖，地震波層析掃描成像三維圖，圖中最上部分的條狀線顏色值從低到高，代表反射系數(shù)，地震波從高密度巖層向軟層傳播，反射系數(shù)為負(fù)，反之為正。

圖3??地震波波速圖

Fig.3??Seismic?wave?velocity

圖4??層析反射成像圖

Fig.2??Reflection?tomography?Image

2.5??預(yù)報(bào)結(jié)論與建議

通過對地震波波速，地震波反射掃描成像三維圖及掌子面資料分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）?DK7+255.88～DK7+312.88段：該段巖層巖體較破碎，節(jié)理裂隙很發(fā)育，圍巖變化很小。

（2）?DK7+312.88～DK7+365.88段：該段巖層巖體極破碎，節(jié)理裂隙很發(fā)育，可能會(huì)產(chǎn)生細(xì)小斷層，含有少量的地下水，施工時(shí)容易產(chǎn)生掉塊，加強(qiáng)初期支護(hù)和排水工作。

（3）?由于車站為兩端對向開挖，進(jìn)行TSP探測時(shí)，另一端DK7+312.88～DK7+365.88里程段已經(jīng)進(jìn)行了導(dǎo)洞施工，完成了初期支護(hù)。相當(dāng)于人為提高了該段的反射系數(shù)，測試結(jié)果顯示該段破碎程度明顯增大，但不是巖層的破碎，而是反射波作用到初支上的結(jié)果。