TSP203超前預(yù)報在懷邵衡鐵路巖鷹鞍隧道排水洞施工中的應(yīng)用

肖諄，萬方良，張真，張楊

（1．湖南省有色地質(zhì)勘查研究院, 湖南長沙 410015； 2．中南大學土木工程學院, 湖南長沙 410015）

1 TSP203 簡介

TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)是一種廣泛應(yīng)用于隧道及地下工程的先進物理探測設(shè)備。其探測距離最低為250m，最大可達到500m，精確有效解譯距離為150m，最高分辨率可達l.0m，能準確確定施工隧道前進方向內(nèi)的斷層破碎帶、軟弱巖石帶、巖溶、含水層等地質(zhì)性質(zhì)及空間位置，并可獲得地層變化的二維和三維圖像，軟件解譯快速方便，可靠度高［1-8］。其工作原理是利用地震反射波和衍射波原理，在施工隧道工作面（掌子面）前一定范圍內(nèi)探測巖體的工程地質(zhì)條件。該設(shè)備用于收集隧道圍巖界面的地震回波，并通過專業(yè)處理系統(tǒng)提取回波的界面位置，空間分布，回波極性和回波能量等信息，并進行組合。綜合分析隧道地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，實現(xiàn)隧道地質(zhì)超前預(yù)報目的。

2 工程應(yīng)用實例及成果分析

2.1 工程概況

巖鷹鞍隧道位于湖南省洞口縣西部雪峰山山脈下，是懷邵衡鐵路的重點控制性工程，隧道全長5302m，最大埋深720m，是一條雙線單洞隧道，平面上總體呈北西走向，北西起點位置在洞口縣長塘鄉(xiāng)長塘村，南東終點位置位于洞口縣回龍庵鄉(xiāng)，隧道進口里程為DK84+526m，出口里程為DK89+828m。

2.2 工程地質(zhì)特征

懷邵衡鐵路巖鷹鞍隧道地處湖南西部雪峰山區(qū)，地形復(fù)雜，地勢陡峭且多變。由于受區(qū)域構(gòu)造的影響，隧道穿越區(qū)山脈總體呈北東走向，屬中等切割構(gòu)造侵蝕的中—低山區(qū)，地形起伏不平，山體海拔在400至1100m之間，一般多為500m～600m，相對高差大約為700m，總體地勢（沿隧道的中心線）為前、中段高，后段低，由前往后逐漸低落。

巖鷹鞍隧道大地構(gòu)造位置位于湘中印支一燕山多旋回褶皺帶西部，與雪峰復(fù)合山鏈緊鄰的長塘構(gòu)造變形區(qū)和洞口一竹市構(gòu)造變形區(qū)的交界部位。隧道區(qū)內(nèi)有大灣倒轉(zhuǎn)背斜和木瓜一管竹山向斜兩個大的褶皺；規(guī)模較大和對隧道有影響的的區(qū)域性大斷層有2條，即洞口塘一巖鷹鞍正斷層和張家莊一橫坡逆斷層。隧道區(qū)廣泛分布志留系粉砂質(zhì)板巖及條帶狀粉砂質(zhì)板巖，泥盆系石英砂巖、石英細砂巖、石英粉砂巖、粉砂質(zhì)鈣質(zhì)泥巖、泥巖，泥質(zhì)灰?guī)r等地層。

隧道區(qū)巖石節(jié)理、裂隙較發(fā)育見圖1，其主要走向共有三組，分別為230°（共11條/m2）、276°（12條/m2)和233°（共35條/m2）；節(jié)理裂隙延伸長度不等，最大為5.0m，最小為0.1m，一般以0.5m～3.0m居多；節(jié)理裂隙間間距0.1m～0.5m，節(jié)理裂隙多呈線性延伸，裂隙面大多平直、光滑，局部呈弧形彎曲（波浪狀），以閉合—微張型為主，少部分為張開型并伴有鐵質(zhì)（褐鐵礦）、泥質(zhì)物充填。

圖1 節(jié)理裂隙走向玫瑰圖

2.3 主要地質(zhì)問題

①巖鷹鞍隧道排水洞PSDK0+039m掌子面揭露巖性為泥盆系佘田橋組泥巖，弱風化，中厚層塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。②測區(qū)隧道埋深高，地殼的溫度在一定深度會隨深度的增大而增大，深度愈大，溫度越高。③對深埋隧道，上覆巖體厚，圍巖的自重應(yīng)力一般偏高，如果巖體一帶構(gòu)造運動頻繁強烈，則構(gòu)造應(yīng)力也高。④斷層破碎帶，隧道洞身發(fā)育多條斷層，斷層兩側(cè)圍巖破碎，易形成裂隙水富集，施工中易塌方；硬質(zhì)巖地段易掉塊、軟質(zhì)巖地段易變形、開裂。

2.4 TSP203探測

本次隧道地震超前地質(zhì)預(yù)報工作，采用TSP203隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)進行。項目組于2016年07月12日進場開展工作，當日完成數(shù)據(jù)采集工作見表1，其探測結(jié)果經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的示意圖2-圖6。

表1 TSP203現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄表 /m

圖2 P波深度偏移成像

圖3 SH波深度偏移成像圖

圖4 SV波深度偏移成像圖

圖5 地震超前預(yù)報反射層位圖

2.5 超前預(yù)報結(jié)果和施工建議

本次超前預(yù)報時掌子面里程位置：PSDK0+039m，預(yù)報里程范圍為PSDK0+039m～PSDK0+200m，預(yù)報方向由小里程至大里程方向。炮孔段縱波速度為3400m/s，橫波速度為2100m/s。

圖6 縱、橫波速度分布圖

預(yù)報里程范圍內(nèi)縱波速度在3300m/s～3500m/s范圍內(nèi)變化，具體情況如下：PSDK0+039m～PSDK0+200m段，長度160m，泊松比、波速波動劇烈，推測預(yù)報范圍內(nèi)巖石完整性較差，巖石很破碎。特別是在PSDK0+080m～PSDK0+170m里程內(nèi)，該段反射面非常密集，推測巖石中節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石非常破碎，裂隙水較為發(fā)育，建議圍巖級別為IV級，在施工過程中極可能發(fā)生坍塌、掉塊等事故，建議在隧道開挖施工過程中，采用錨噴或超前小導(dǎo)管注漿支護，加固圍巖。在圍巖穩(wěn)定性相對較低（圍巖軟弱帶），節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)或斷層斷裂帶區(qū)段增加支護強度，同時加快施工速度，避免了隧道拱頂?shù)奶貏e要加強隧道側(cè)壁的支撐。

3 結(jié)論

采用TSP203超前預(yù)報可以有效減少隧道施工工程中坍塌、掉塊、突水等安全事故的發(fā)生。結(jié)合懷邵衡鐵路巖鷹鞍隧道排水洞工程，綜合TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)野外測量資料和隧道施工掌子面地質(zhì)原始編錄資料，成功地預(yù)報了掌子面前方的巖體破碎及裂隙發(fā)育、圍巖級別和地下水情況，建議在隧道開挖過程中要注意隧道巖體對施工安全的影響，采用錨噴或超前小導(dǎo)管注漿支護，加固圍巖。在圍巖穩(wěn)定性相對較低（圍巖軟弱帶），節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)或斷層斷裂帶區(qū)段增加支護強度，同時加快施工速度，特別要加強隧道側(cè)壁的支撐，避免了隧道拱頂?shù)奶?。在懷邵衡鐵路部分隧道超前地質(zhì)預(yù)報中證實了TSP203作為一種隧道地質(zhì)預(yù)報手段的合理性和有效性。