TSP203plus在巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用研究

胡志鵬，王志斌，邱 磊，張宗堂

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201)

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TSP203plus在巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用研究

胡志鵬，王志斌，邱 磊，張宗堂

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201)

巖溶地區(qū)隧道施工開挖過程中，常遇到溶洞、暗河、塌方、涌水等不良地質(zhì)情況，為確保巖溶隧道施工安全，需對其進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報.基于TSP203plus多次對貴州省在建高速公路某巖溶隧道的超前預(yù)報，結(jié)合勘察資料及現(xiàn)場實際溶洞揭露情況，總結(jié)出TSP系統(tǒng)在巖溶隧道的判識規(guī)律，并驗證了其可行性.

TSP203plus；巖溶隧道；地質(zhì)預(yù)報

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的步步展開，作為基礎(chǔ)建設(shè)中的重中之重，隧道的數(shù)量迅速增加，施工難度也越來越大[1].在巖溶地區(qū)施工，由于巖溶發(fā)育規(guī)律復(fù)雜多變，溶洞、溶蝕水的大小和規(guī)律難以把控，因此做好施工過程中的超前地質(zhì)預(yù)報工作極為關(guān)鍵[2-3].在隧道施工中，選擇一套有效的地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，則顯得至關(guān)重要.TSP203Plus地質(zhì)超前預(yù)報由于具有預(yù)測距離遠(yuǎn)，操作簡單，精度高，成果豐富，對掌子面施工干擾小等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為工程中隧道超前地質(zhì)預(yù)報的最常用方法，在我國隧道施工適用最多和最有效的也是TSP203Plus技術(shù)[4-5].

1 TSP203plus基本原理

TSP方法是在隧道左邊墻或右邊墻布設(shè)24個炮點(diǎn)，用少量炸藥激發(fā)地震波.地震波在巖體中以球面波形式傳播，當(dāng)遇到巖體物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖體破碎帶和巖性變化等)時，一部分地震信號反射回來，一部分信號折射進(jìn)入前方介質(zhì).反射回來的那部分將由高靈敏度的地震檢波器接收.接收的這部分信號就是TSP野外采集的原始數(shù)據(jù)，最后通過預(yù)處理、波場分離、增益、偏移等數(shù)據(jù)處理方法，獲取界面走向、空間位置、圍巖波速等地質(zhì)信息.預(yù)報判譯時，應(yīng)遵循以下準(zhǔn)則[6]：

(1)正反射振幅表明巖層變硬，負(fù)反射振幅表明巖層變軟，正負(fù)反射的組合表明該位置有裂隙(斷層)，如圖1所示；

圖1 TSP探測深度P波偏移剖面圖

(2)若SH波反射比P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水，如圖2所示；

(3)vp/vs增加或泊松比δ突然增大，常常因流體的存在而引起(通常vp/vs值大于1.8，則地下水發(fā)育)；

(4)若vp下降，則表明裂隙密度或空隙度增加.

圖2 TSP探測深度SH波偏移剖面圖

2 TSP203plus在巖溶隧道解譯準(zhǔn)則

為了做好超前地質(zhì)預(yù)報工作，提升對巖溶地區(qū)隧道的預(yù)報準(zhǔn)確率，確保施工安全、有序進(jìn)行，筆者結(jié)合自身預(yù)報工作的經(jīng)驗積累，總結(jié)出TSP203plus對巖溶隧道的判識準(zhǔn)則如下：

反射層剖面圖判識準(zhǔn)則：

(1)藍(lán)色部分(L)表示負(fù)反射，紅色部分(H)為正反射，出現(xiàn)強(qiáng)的反射表示這個地方的物理性質(zhì)發(fā)生了變化，從弱介質(zhì)進(jìn)入強(qiáng)介質(zhì)(巖層由壞進(jìn)入好)，一般是正反射，負(fù)反射相反(如圖3所示).

(2)正負(fù)反射層交錯明顯，說明圍巖情況有變化，存在節(jié)理裂隙帶，或者地下水比較發(fā)育，無正負(fù)反射層，或者顯示顏色較弱，說明圍巖變化情況不大，如圖3所示.

圖3 TSP探測反射層剖面圖

(3)如果在超前的末尾出現(xiàn)了強(qiáng)反射，尤其要引起注意，因為能量衰減以后還出現(xiàn)強(qiáng)反射，證明這個地方異常明顯.

(4)反射波如果形狀較好且連續(xù)，一般表示為層間反射，或有層狀水等.

溶洞判識準(zhǔn)則：

(1)P波深度偏移圖中，以強(qiáng)烈的負(fù)反射開始，以強(qiáng)烈的正反射結(jié)束，反射帶內(nèi)正負(fù)反射層雜亂，以負(fù)反射為主.

(2)2D成果圖中縱波波速下降，動態(tài)楊氏模量增大.

(3)2D成果圖中縱波波速保持大致不變，泊松比及動態(tài)楊氏模量起伏較大，波動異常.

3 工程實例

貴州省某巖溶隧道區(qū)地處貴州高原西部高原山地區(qū)，受侵蝕-溶蝕影響，地形條件較為復(fù)雜.隧道進(jìn)口段位于六盤水市水城縣雙嘎鄉(xiāng)境內(nèi)、出口段位于威寧縣候場鄉(xiāng)境內(nèi)，進(jìn)出口均有鄉(xiāng)村公路可至，交通便利.隧道橫穿一長高山體，進(jìn)口位于坡體溝谷側(cè)(地形較陡，溝谷側(cè)為居民住地)、出口位于斜坡地帶(地形緩，為旱地及居民住地)，基巖裸露良好，坡體植被不發(fā)育，場區(qū)屬侵蝕—剝蝕—溶蝕低中山地貌.

本次預(yù)報范圍是掌子面(YK31+191)前方129 m的圍巖情況，經(jīng)對TSP數(shù)據(jù)的分析、判釋，結(jié)合地質(zhì)觀察，綜合分析，成果如圖4所示.

解譯:

(1)YK31+191～YK31+295區(qū)段104 m范圍內(nèi)，縱波波速大體相近，H波深度偏移圖顯示正負(fù)反射均較強(qiáng)且交錯明顯，以負(fù)反射為主，反射界面密集，存在明顯的負(fù)反射，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，此區(qū)段隧道淺埋，受地表降水影響，地下水局部較發(fā)育，其中YK31+232～YK31+242、YK31+260～YK31+282區(qū)段存在明顯的負(fù)反射，推測有溶蝕裂隙發(fā)育或夾泥，綜合分析自穩(wěn)能力較差.

(2)YK31+295～YK31+320區(qū)段25米范圍內(nèi)，深度偏移圖顯示正負(fù)反射均較弱，正負(fù)反射交錯.推測該區(qū)段圍巖完整性較前段稍強(qiáng)，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體較完整，地下水稍發(fā)育，YK31+300～YK31+315區(qū)段縱波速度起伏不大，動態(tài)楊氏模量增大，推測有溶蝕裂隙發(fā)育或夾泥，綜合分析自穩(wěn)能力一般.

圖4 TSP探測成果圖

4 結(jié)語

(1)TSP203plus系統(tǒng)是一種從國外引進(jìn)，并正在發(fā)展中的儀器設(shè)備，判譯準(zhǔn)則目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，需要預(yù)報人員不斷嘗試，借鑒前人成果，不斷總結(jié)經(jīng)驗，與其它超前預(yù)報技術(shù)手段相互印證，相互借鑒，以提高預(yù)報水平.

(2)TSP203plus系統(tǒng)屬于中長距離預(yù)報，其對較大溶洞的探測還是比較精準(zhǔn)的，然而對小型溶洞的探測效果并不是十分理想，還是會出現(xiàn)遺漏的情況.

(3)在對采集數(shù)據(jù)處理過程中，要多次進(jìn)行帶通濾波，對比分析，獲得最佳的波形圖.

(4)筆者長時間對巖溶隧道進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報，結(jié)合勘察資料及現(xiàn)場開挖情況，反復(fù)摸索，對比分析，總結(jié)出自己的判識準(zhǔn)則，并數(shù)次驗證該準(zhǔn)則的可行性.

[1] 孫克國，李術(shù)才，張慶松，等.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，2008,38(1)：74-79.

[2] 陳炳祥.巖溶隧道施工技術(shù)研究與應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2004(8)：47-49.

[3] 王振卿，何振起.TSP203地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)在巖溶地區(qū)的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報，2006,3(1)：60-63.

[4] 楊 峰，李志華，史建林，等.TSP超前預(yù)報在隧道工程中的應(yīng)用研究[J].鐵道工程學(xué)報，2013(2)：76-80.

[5] Guido，周永勝，韓 亮，等.對隧道反射地震學(xué)的再認(rèn)識[J].工程地球物理學(xué)報，2007(44)：267-274.

[6] 陳 豪，劉 立，袁 坤，等.TSP超前地質(zhì)預(yù)報及其在隧道施工中的應(yīng)用[J].西華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012(1)：106-108.

Application of TSP203plus in Advanced Geological Prediction of Karst Tunnel

HU Zhi-peng，WANG Zhi-bin，QIU Lei，ZHANG Zong-tang

(School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

The process of karst tunnel excavation often encounters bad geological phenomenon suchas karst cave, underground river, landslide and water gushing.To ensure the safe construction of karst tunnel, geological prediction is necessary. Many of the TSP203plus forecast in the construction of highway tunnel in a karst zone in Guizhou province, have been done. based on the combination of investigation data and actual cave ,the TSP system in karst tunnel identification rules is summarized, and its feasibility isverified.

TSP203plus; karst tunnel; geological prediction

2016-12-13

國家自然科學(xué)基金項目(51408216)；湖南省自然科學(xué)基金資助項目(14JJ4046)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2016B561).

胡志鵬(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：巖土工程、隧道與地下工程、房屋建筑.

P631.4

A

1671-119X(2017)02-0092-03