TSP超前地質(zhì)預(yù)報在東塘溝隧道中的應(yīng)用

贠永峰，張存亮

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054)

隧道施工中，由于前方地質(zhì)情況不明，常常出現(xiàn)各種險情，例如斷層，巖溶及涌水等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害。所以預(yù)知未來開挖地段的地質(zhì)情況對施工安全，施工組織設(shè)計顯得尤為重要。國內(nèi)外隧道勘測部門、設(shè)計部門以及施工技術(shù)部門都做了很大的努力，希望尋找一種簡單可行的方法來探明隧道掌子面前方的地質(zhì)情況。其中水平鉆孔預(yù)報法是通過巖芯試驗獲得巖石強度的，是有效的地質(zhì)預(yù)報方法，但是一次鉆探深度淺，價格高且影響正常的施工時間長。而TSP超前預(yù)報技術(shù)應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報取得了較為理想的效果。本文簡要介紹TSP超前預(yù)報技術(shù)在東塘溝隧道施工中的應(yīng)用。

1 基本原理

1.1 TSP測量原理

TSP測量系統(tǒng)是通過在掌子面后方一定距離內(nèi)的鉆孔中施行微型爆破來發(fā)射信號的，爆破產(chǎn)生的地震波在圍巖中以球面波的形式向四周傳播，其中一部分波向隧道前方傳播，經(jīng)隧道前方的界面發(fā)射回來，反射信號經(jīng)接受傳感器轉(zhuǎn)換成電信號并放大，從起爆到反射信號被接受的這段時間是與反射面的距離成比例的。通過反射時間與地震波傳播速度的換算就可將反射面的位置，與隧道軸線的夾角，及與隧道掘進面的位置確定下來，同時還可以將隧道中存在的巖性變化帶的位置方便地探測出來(圖1為 TSP203的探測原理)。

圖1 TSP203探測原理

1.2 TSP測量方法的理論基礎(chǔ)

在確定了反射波波速的情況下，再根據(jù)探測數(shù)據(jù)確定反射波的旅行時間，就能確定反射波的空間位置和距離。

由微型爆破引發(fā)的微型信號分別沿不同的路徑以直達波和反射波的形式到達傳感器，與直達波相比反射波傳播需要的時間較長。TSP地震數(shù)據(jù)處理的第一步由測得的從震源直接到達傳感器的縱波傳播時間換算地震波的傳播速度VP

式中，X1為炮孔與傳感器的距離(m);T1為直達縱波的傳播時間(s)。

要想確定反射界面的位置，就必須要知道地震波的傳播速度Vp和反射波的傳播時間T2，即

當(dāng)反射界面與隧道軸線的夾角很大(接近90°)時，可以近似寫作

式中，X2為爆破孔與反射界面的距離;X3為傳感器與反射界面的距離;T2為反射波的傳播時間;VP為地震波的傳播速度。

1)地震波傳播速度Vp的確定

由于微型爆破引發(fā)的地震信號分別沿不同的路徑以直達波和反射波的形式到達傳感器，而與反射波相比直達波需要的傳播時間明顯偏小，因此很容易根據(jù)直達波換算出地震波的傳播速度Vp(見式(1))。

地震波的傳播速度因地質(zhì)條件不同而異，因此在采用直達波的傳播速度來代替反射波的傳播速度只是一種近似。

2)反射波傳播時間T2的確定

確定反射界面位置的關(guān)鍵，是在準(zhǔn)確判定反射界面的基礎(chǔ)上給出反射波的傳播時間，而準(zhǔn)確判定反射界面的前提是通過某種方式將反射波從含有直達波和其他的干擾信號的總體混合信號中清楚地分離出來。與直達波相比，反射波的振幅非常小，它一方面取決于反射界面與傳感器的距離，其球面波振幅隨傳播距離的增加而呈反比衰減，另一方面取決于地震波在反射面上的反射系數(shù)。即

式中，Ar為反射波振幅;Ad為直達波振幅;R為反射系數(shù);ρ1，ρ2為反射界面內(nèi)外側(cè)的巖體密度;VP1，VP2為反射界面內(nèi)外側(cè)的地震波傳播速度。

通過分析地震波發(fā)射信息能夠?qū)λ淼勒谱用媲胺絿鷰r工程地質(zhì)情況的性質(zhì)、位置和規(guī)模進行比較準(zhǔn)確的探測和預(yù)報。

1.3 巖體物理力學(xué)參數(shù)的估計

巖體中彈性波速度的大小綜合反映了巖體的物理力學(xué)性質(zhì)。均質(zhì)彈性介質(zhì)中，彈性波波速與彈性模量及泊松比的關(guān)系為

式中，Ed為動彈性模量;μd為動泊松比;ρ為巖體密度，vp為巖體縱波波速，vs為巖體橫波波速。

2 TSP超前預(yù)報在東塘溝隧道中的應(yīng)用

2.1 概況

2.1.1 工程概況

桓仁至永陵高速公路建設(shè)項目是遼寧省規(guī)劃實施的高速公路項目之一，起點連接桓仁新開嶺至丹東古城子高速公路，終點接于規(guī)劃2009年開工的新賓東江沿至南雜木高速公路，公路全長63 km。呈南東—北西向展布，全線采用四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基寬度26 m，設(shè)計行車速度100 km/h，橋梁設(shè)計荷載為公路1級。

2.1.2 地形、地貌及水文地質(zhì)條件

該區(qū)域地貌為沖洪積河谷平原區(qū)，微地貌單元為一級階地，場地地形平緩，地勢起伏較小。隧道巖性主要為灰色灰?guī)r，受構(gòu)造影響嚴(yán)重，中薄層 ～中厚層，弱風(fēng)化，強度一般，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖呈塊狀 ～碎塊狀結(jié)構(gòu)，局部較破碎且含有裂隙水，圍巖整體穩(wěn)定性較差。地下水類型為第四系松散巖土類孔隙潛水。大氣降水入滲補給為主要補給方式，其次為河流入滲及鄰區(qū)徑流補給，受季節(jié)和氣候的影響，水位隨季節(jié)變化較大。

2.2 TSP超前預(yù)報的數(shù)據(jù)采集

2.2.1 預(yù)報方案

此隧道采用上下臺階鉆爆法施工，當(dāng)隧道掘進到掌子面里程為YK22+605時，此時距離洞孔端60 m。在預(yù)報設(shè)計時接收器里程樁號為YK22+540，設(shè)計24炮，接收器布置于隧道左邊墻接收。

2.2.2 超前預(yù)報的步驟

TSP的硬件部分主要由三分量檢波器、記錄儀以及起爆裝置三部分組成。三分量檢波器主要用來接收地震信號;記錄儀是將檢波器接收到的信號進行放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄，同時還進行測量過程控制;起爆裝置主要用于引爆電雷管和炸藥，激發(fā)地震波。其數(shù)據(jù)采集步驟為:

1)鉆孔

由隧道地質(zhì)勘查報告及已開挖的巖體地質(zhì)情況和主要結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，選擇在隧道左邊墻鉆孔，其鉆孔鉆頭直徑為φ50 mm，爆破孔深度1.5 m，接收器孔深度2.0 m，鉆孔方向垂直于隧道邊墻，下傾 10°～20°，炮孔高度距離隧道隧洞底板0.8～1.0 m。鉆孔位置要求:接收器孔距離掌子面55～65 m，從接收器算起第一個炮孔距離接收器的距離為18～20 m，且炮間距為1.5～2.0 m。共鉆孔24個，根據(jù)實際情況至少不能少于18個。且炮孔的布置方向應(yīng)與隧道的走向一致。

2)檢波器安裝

為保證采集信號的質(zhì)量，檢波器與圍巖必須很好地耦合，在采集信號前至少12 h將檢波器套管插入接收孔內(nèi)，并用環(huán)氧樹脂或不收縮的錨固劑將套管與孔壁圍巖粘結(jié)起來，探測時將三分量檢波器插入到套管中，并用電纜連接到TSP數(shù)據(jù)記錄設(shè)備。另外TSP系統(tǒng)的檢波器安裝有一定的方向性，所以在安裝接收套管的過程中，必須在套管正確插入接收點鉆孔中的同時，對準(zhǔn)套管內(nèi)側(cè)的V字形凹槽。

3)埋設(shè)炸藥

根據(jù)炮點布置點的圍巖特性，合理確定炮點裝藥量。一般情況下選擇防水性強、爆速高、密度大的炸藥。此次預(yù)報采用的乳化炸藥質(zhì)量如表1所示。

表1 爆破孔孔位與炸藥藥量的關(guān)系

裝藥作業(yè)時，首先將瞬發(fā)電雷管安裝在乳化炸藥一端用木質(zhì)炮棍將炮藥和電雷管輕輕送至炮孔底部，避免炮藥與雷管分離，電雷管兩根引線連接到起爆線。其次藥包裝入炮孔后，往炮孔內(nèi)注水，使裝藥與炮孔孔壁處于水耦合狀態(tài)，最后用炮泥對炮孔進行封堵，并保證足夠的填充長度，以抑制爆破噪聲對地震波信號的干擾。

4)起爆器、觸發(fā)盒、記錄儀、電雷管的連接

觸發(fā)器一方面通過兩根電纜與電雷管相連，另一方面通過引爆電纜線與記錄單元連接，同時觸發(fā)器還與傳統(tǒng)起爆器用兩根電纜相連。起爆網(wǎng)絡(luò)連線時，放炮母線與起爆器必須斷開。電雷管與放炮母線連接后，起爆連線人員遠離爆破區(qū)，并做好爆破安全警戒。

5)啟動記錄單元

當(dāng)接收到安全警戒以后，主機操作人員按控制面板上標(biāo)有“電源”的黑色按鈕啟動記錄單元，小型橙色燈“Busy”會亮一會，這表示整個裝置運行狀態(tài)良好(切斷電源后，紅色控制燈“Idle”會閃亮?？刂泼姘迳想妷褐抵辽贋?0 V，當(dāng)電壓降到55 V以下時，記錄單元就會很快停止工作。

6)激發(fā)放炮

激發(fā)孔放炮后開始接收信號，此時隧道內(nèi)應(yīng)停止一切施工干擾。當(dāng)?shù)谝粋€激發(fā)孔激發(fā)地震波后，記錄儀會同時啟動并記錄地震波信號，這時屏幕上將出現(xiàn)3道地震波波形，是左邊墻的三個分量傳感器接收的信號;依次起爆其余23個激發(fā)孔內(nèi)的炸藥，形成地震波，直到最后一炮記錄完畢。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理及成果

采集到的地震波數(shù)據(jù)，利用TSPwin 1.1專用軟件進行處理。其基本流程為:設(shè)置野外采集參數(shù)→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q估計→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。由此獲得P波、S波和SV波的時間剝面、深度偏移剝面、提取的反射層、巖石物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等成果，以及反射層在探測范圍內(nèi)的空間分布等相關(guān)參數(shù)，為判斷隧道掌子面前方地質(zhì)體的性質(zhì)、位置和規(guī)模等提供可靠依據(jù)。

在預(yù)報范圍 YK22+605—YK22+745，由 TSP力學(xué)參數(shù)可知，預(yù)報范圍內(nèi)反射面較稀疏，縱、橫波速度變化不大。結(jié)合TSP的其他參數(shù)及隧道的圍巖情況可得:

1)YK22+605—YK22+680段圍巖反射面稀疏，縱、橫波速度略有變化，推測該段圍巖裂隙發(fā)育，圍巖不完整，縱波速度為3.6～4.0 km/s，橫波速度為3.1～3.4 km/s。綜合地質(zhì)條件，判斷圍巖級別為Ⅲ級。

2)YK22+680—YK22+745段圍巖主要為白云質(zhì)灰?guī)r，強度較低，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖整體穩(wěn)定性差。縱波速度為3.8～4.2 km/s，該段圍巖縱橫波速度時高時低，推斷該段圍巖裂隙發(fā)育，圍巖較破碎。綜合判斷為Ⅳ級圍巖。

3 結(jié)論

1)隨后的隧道施工開挖與TSP203超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果基本吻合。

2)準(zhǔn)確確定隧道施工掌子面前方圍巖縱橫波速度分布、反射地質(zhì)構(gòu)造的準(zhǔn)確位置和界面兩側(cè)圍巖力學(xué)性狀的差異，大大地提高了超前預(yù)報的準(zhǔn)確性和可靠性，降低預(yù)報的風(fēng)險。

3)從地震波信號激發(fā)、接收、處理和解譯的角度，討論了提高TSP超前地質(zhì)預(yù)報的精度及深度應(yīng)該注意的事項。

總的來說，TSP超前預(yù)報減小了施工中的盲目性和不安全性，縮短了隧道施工工期，降低了隧道事故發(fā)生率，為隧道順利施工提供了強有力的保障。

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