超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP法在西成客專褔仁山隧道施工中的應(yīng)用

林 亮， 段 景 朝

(中國(guó)水利水電第五工程有限公司 第二分局，四川 成都 610225)

1 概 述

西成客專褔仁山隧道全長(zhǎng)13 101.55 m。根據(jù)勘察設(shè)計(jì)文件，該隧道存在斷層、涌水、巖爆等一系列不良地質(zhì)情況，隧道施工存在重大安全隱患，屬西成客專5標(biāo)段指定的高風(fēng)險(xiǎn)隧道之一。為此，特采用TSP、GPR等一系列超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法對(duì)未開挖的圍巖進(jìn)行探測(cè)，在充分了解圍巖性質(zhì)的基礎(chǔ)上，安排合理的施工方法及應(yīng)對(duì)措施。

筆者依托西成客專褔仁山隧道1#斜井的施工，詳細(xì)論述了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP法的工作原理、施作方法、數(shù)據(jù)分析以及圍巖開挖后的情況對(duì)比，有效地揭示了隧道圍巖的不良地質(zhì)情況，為隧道的安全施工提供了技術(shù)保障。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的項(xiàng)目與流程

褔仁山隧道1#斜井超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的項(xiàng)目與內(nèi)容見表1。

表1 褔仁山隧道1#斜井超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的項(xiàng)目與內(nèi)容表

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)各項(xiàng)目的原理及特點(diǎn)，褔仁山1#斜井采用了多種預(yù)報(bào)方法相結(jié)合的形式對(duì)隧道圍巖進(jìn)行探測(cè)，其工作流程見圖1。

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP的工作原理及特點(diǎn)

褔仁山隧道1#斜井所采用的探測(cè)儀器為瑞士安伯格公司生產(chǎn)的TSP203Plus隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，用于預(yù)報(bào)隧道掌子面前方0～100 m范圍內(nèi)的地層狀況、軟弱層的位置；超前探測(cè)斷層破碎帶的位置、寬度；超前探測(cè)巖溶洞穴的位置、大小、充填情況；預(yù)報(bào)富水帶的具體位置等。

TSP探測(cè)是根據(jù)地震波的反射和繞射原理，人工制造一系列有規(guī)則排列的輕微震源。 由三分量地震檢波器在計(jì)算機(jī)的監(jiān)控下采集這些震源所發(fā)出的地震波沿隧道前方及四周區(qū)域傳播遭遇不良地質(zhì)體(如地層層面、節(jié)理面、巖溶面，特別是斷層破碎帶界面等)而被反射返回的地震波數(shù)據(jù)。這些回波信號(hào)的傳播速度、延遲時(shí)間、波形是與相應(yīng)的不良地質(zhì)體的性質(zhì)和分布狀況緊密相關(guān)的，通過(guò)分析，可以得到前方地層的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)。

圖1 褔仁山隧道1#斜井超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作流程圖

TSP203作為一種專門為隧道超前預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)而被普遍采用，但在應(yīng)用中，要充分考慮其邊界條件，即：被探測(cè)物有足以使地震波反射的界面，而且這個(gè)界面的法線與隧道軸線的夾角越小效果越好；探測(cè)巖溶時(shí)，巖溶應(yīng)有一定的延伸，形成界面，否則探測(cè)效果不好；另外，探測(cè)效果還與溶槽洞穴的發(fā)育狀態(tài)有關(guān)；探測(cè)的分辨率與探測(cè)深度成反比，與探測(cè)目的物的體積成正比，物探將其稱之為洞徑比，即探測(cè)深度與被探測(cè)物的直徑之比，一般洞徑比大于20時(shí)分辨率嚴(yán)重降低。

4 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP的工作方法

在實(shí)際施工中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP的工作流程為：鉆孔——裝少量炸藥——引爆制造地震波——接收器采集數(shù)據(jù)——數(shù)據(jù)分析處理——得出預(yù)報(bào)結(jié)果。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP的鉆孔分為接收器孔與爆破孔，爆破孔中裝少量炸藥并逐孔引爆，所產(chǎn)生的地震波依次返回至接收器(孔)，其鉆孔裝藥等技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 褔仁山隧道1#斜井超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP鉆孔裝藥技術(shù)參數(shù)表

接收器孔、爆破孔與隧道的斷面位置關(guān)系如圖2、3所示。

圖2 褔仁山隧道1#斜井超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP接收器孔布置斷面圖

圖3 褔仁山隧道1#斜井超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP爆破孔布置斷面圖

接收器孔、爆破孔與隧道的平面位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 褔仁山隧道1#斜井超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP布孔平面圖

5 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP的數(shù)據(jù)分析

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)采集的地震波數(shù)據(jù)，需要運(yùn)用TSP203Plus配套的計(jì)算機(jī)軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。以褔仁山隧道1#斜井里程斜01+35～斜02+35為例， P波深度偏移剖面及提取的反射層如圖5、6所示。

通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析處理得出以下結(jié)論：

圖5 P波深度偏移剖面圖

圖6 提取的反射層圖

表3 褔仁山隧道1#斜井里程斜01+35～斜02+35 TSP分析結(jié)果表

6 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP的結(jié)果對(duì)比

在對(duì)褔仁山隧道1#斜井里程斜01+35～斜02+35開挖后，我們對(duì)開挖后的圍巖情況與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP給出的推論進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)預(yù)報(bào)的結(jié)果與實(shí)際情況符合率達(dá)到90%以上，可以滿足施工需要。

表4 褔仁山隧道1#斜井里程斜01+35～斜02+35段預(yù)報(bào)與實(shí)際結(jié)果對(duì)比表

7 結(jié) 語(yǔ)

在西成客專褔仁山隧道1#斜井的施工中，運(yùn)用TSP法成功地對(duì)隧道圍巖情況實(shí)施了預(yù)報(bào)，發(fā)現(xiàn)多處不良地質(zhì)情況并及時(shí)采取了處理措施，為隧道的正常施工提供了技術(shù)保障。

但是，在TSP法實(shí)施過(guò)程中，噪聲(如通風(fēng)機(jī)、空壓機(jī))、機(jī)械振動(dòng)(如挖掘機(jī)、自卸車)等環(huán)境因素都會(huì)對(duì)地震波造成影響，從而使數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生誤差。對(duì)此，一方面要結(jié)合勘察設(shè)計(jì)文件，采用多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)項(xiàng)目相結(jié)合的方法比照進(jìn)行(如GPR法、紅外探測(cè)、超前鉆探)；另一方面，要盡最大努力減小震動(dòng)干擾，才能使超前地質(zhì)預(yù)報(bào)TSP法的結(jié)果得到保證。