TSP203檢測(cè)儀在隧道水害預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

李紅澤

（中鐵十九局集團(tuán)有限公司計(jì)量測(cè)試中心，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

TSP203檢測(cè)儀在隧道水害預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

李紅澤

（中鐵十九局集團(tuán)有限公司計(jì)量測(cè)試中心，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

根據(jù)TSP探測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果解譯原則，結(jié)合工程檢測(cè)實(shí)例，辨析TSP203對(duì)隧道水害預(yù)報(bào)結(jié)果的判斷依據(jù)，探討該儀器探測(cè)圍巖中流體分布時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)。

橫波；縱波；泊松比

近年來(lái)隨著隧道建設(shè)快速發(fā)展，保證隧道安全、優(yōu)質(zhì)、快速施工成為隧道工程界的主攻方向。然而由于隧道工程地質(zhì)狀況的復(fù)雜多變性和難以預(yù)見性，在隧道工程勘察設(shè)計(jì)階段查明隧道周圍地質(zhì)體的準(zhǔn)確狀態(tài)顯得比較困難。隧道工程修建過程中，許多不良地質(zhì)狀況下地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生常常和隧道水害有著直接或間接的關(guān)系。TSP203 PLUS隧道地震波檢測(cè)儀是在我國(guó)使用比較早而且應(yīng)用比較廣泛的一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)儀器。該儀器在隧道水害方面的探測(cè)效果一直以來(lái)存在爭(zhēng)議，本文以預(yù)報(bào)實(shí)例探討該儀器在隧道水害探測(cè)時(shí)的判斷依據(jù)，并分析其實(shí)用性和優(yōu)缺點(diǎn)。

1 TSP203探測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果解譯原則

在TSP203用戶手冊(cè)中指出處理成果的解釋與評(píng)估，主要基于以下的地震勘探基本準(zhǔn)則：

（1）反射振幅越強(qiáng)，反射系數(shù)和波阻抗的差別越大。

（2）正反射振幅（紅色）表明正的反射系數(shù)，表明堅(jiān)硬巖層；負(fù)反射振幅（藍(lán)色）表明軟弱巖層。

（3）若橫波反射比縱波強(qiáng)，則表明巖層飽含水。

（4）縱橫波速度比有較大的增加或者泊松比突然增大，常常因流體的存在而引起。

（5）若縱波速度下降，則表明裂隙密度或孔隙度增加。

本文主要辨析解譯原則中第（4）、第（5）條內(nèi)容。

2 縱橫波速度比、泊松比及相關(guān)關(guān)系

根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，泊松比和巖體中的縱、橫波波速關(guān)系可以表達(dá)為：

其中：δ為泊松比，PV為巖體中地震波縱波速度，SV為巖體地震波橫波速度。

在已知巖體中傳播的地震波縱波(P波）和橫波（S波）速度若視為已知，其縱橫波速度比值用M來(lái)表示，即:

根據(jù)巖體力學(xué)知識(shí)，我們知道巖石不同狀態(tài)下M取值范圍如下：

（1）固結(jié)的巖石M＜2.0, δ＜0.33；

（2）當(dāng)巖石的孔隙充滿水時(shí)，M從1.4～2.0；

（3）當(dāng)巖石的孔隙充滿氣時(shí)，M從1.3～1.7；

（4）水飽和的未固結(jié)地層M＞2.0。

橫波S是剪切波，不能在液體中傳播。均勻巖體中，在不考慮圍巖應(yīng)力影響時(shí)流體的存在對(duì)縱波速度變化影響不大，而對(duì)橫波速度變化影響明顯。

3 實(shí)際檢測(cè)結(jié)果分析原則方法與判別研究

3.1 檢測(cè)實(shí)例及一般原則

橫波S是剪切波，不能在液體中傳播。均勻巖體中，在不考慮圍巖應(yīng)力影響時(shí)流體的存在對(duì)縱波速度變化影響不大，而對(duì)橫波速度變化影響明顯。

2012年4月11日在西康二線鐵路王家?guī)X2#斜井DK169+189隧道掌子面涌水時(shí)，對(duì)比3月7日與4月12日連續(xù)2次隧道超前預(yù)報(bào)對(duì)相同里程段圍巖波形分析（圖1），其中共同點(diǎn)：縱波P速度變化不大或無(wú)變化，橫波S速度下降較多（即M值上升），δ值上升，其原因通常為存在流體或巖層含水，這是TSP判斷圍巖水害的最重要原則。在多年的實(shí)際檢測(cè)中，按照這個(gè)原則準(zhǔn)確預(yù)報(bào)圍巖是否含水的成功范例較多，不再贅述。

圖1 DK169+193～187波形參數(shù)對(duì)比

3.2 對(duì)二維反射層提取圖上相似數(shù)據(jù)形狀去偽存真

M作為縱橫波速比值，如橫波下降幅度大于縱波，M值也會(huì)上升，導(dǎo)致δ上升。經(jīng)過多次檢測(cè)結(jié)果和實(shí)際圍巖對(duì)比驗(yàn)證，這種情況幾乎全部為圍巖裂隙增多、孔隙比增加或存在風(fēng)化的緣故所導(dǎo)致。

在實(shí)際檢測(cè)結(jié)果中，如縱波速度上升較多，橫波速度變化不大或稍有上升導(dǎo)致的泊松比數(shù)據(jù)的上升，這種情況常常是因?yàn)閲鷰r密度和地應(yīng)力增加引起的。

以上兩種情況都不能簡(jiǎn)單的按照泊松比上升就說(shuō)明存在水或流體。

3.3 預(yù)報(bào)結(jié)論要與對(duì)應(yīng)地形地質(zhì)圖相結(jié)合

超前預(yù)報(bào)人員應(yīng)具備一定的專業(yè)素質(zhì)，實(shí)際中常常出現(xiàn)非地質(zhì)專業(yè)人員的操作者，對(duì)地質(zhì)專業(yè)知識(shí)不甚了解，導(dǎo)致對(duì)軟件的處理結(jié)果做出違反地質(zhì)規(guī)律的錯(cuò)誤判譯。在進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)論編寫階段，地形圖和地質(zhì)圖是仍然是重要的參考資料。在檢測(cè)埋深僅幾百米的隧道時(shí)，線路山體表面地形特征和地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)往往可以提供非常重要的信息。例如上覆溝槽、溪流、懸崖、植被、節(jié)理走向、斷層產(chǎn)狀，甚至既有線的圍巖描述都能給予提示，因此應(yīng)正確解讀這些自然的標(biāo)記和符號(hào)。

2010年7月9日在西康二線鐵路王家?guī)X隧道1#斜井施工至DK166+449處時(shí)左側(cè)邊墻及掌子面出現(xiàn)裂隙涌水（圖2），水質(zhì)清澈，無(wú)異味，出水量5312m3/d。在施工前對(duì)該段里程進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)縱波P速度幾乎無(wú)變化，而橫波S速度有所降低，即M值上升，泊松比δ突然增大，判斷出該段含水。同時(shí)參考地形地質(zhì)圖，在該里程段埋深約300米，山體地形存在溝槽，溝中常年有溪流，節(jié)理面幾乎豎直，推測(cè)地表徑流可能影響隧道內(nèi)出水量，綜合判斷如下：DK166+447～466段圍巖主體為灰?guī)r，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，節(jié)理較發(fā)育，存在風(fēng)化水蝕漬跡，節(jié)理水發(fā)育，水量較大，整體性較差，為一區(qū)域富水帶，449處存在裂隙水。

可見按照上述原則，參考地形地質(zhì)資料判斷得到的結(jié)果與實(shí)際情況相符。

圖2 王家?guī)X隧道DK166+449處裂隙涌水

3.4 對(duì)預(yù)報(bào)存在偏差問題的再研究

雖然在這項(xiàng)原則基礎(chǔ)上取得了很多成功的實(shí)例，但在一些特定地質(zhì)條件下，仍存在預(yù)報(bào)偏差。

2011年3月2日西康二線新馬家坪隧道出口施工至DK194+814時(shí)掌子面出現(xiàn)溶洞（圖3），溶洞走向與線路方向接近正交，寬度為0.5-0.8m，條帶狀發(fā)育裂隙溶蝕，溶腔表面為碳酸鈣堆積物，凹凸不平，在隧道左側(cè)邊墻底腳甚至發(fā)現(xiàn)方解石晶簇，圍巖主體為灰?guī)r，淺灰～灰黃色，以薄中層為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，較破碎，存在滲水。

圖3 新馬家坪隧道DK194+814溶蝕裂隙

根據(jù)2月20日現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形分析（圖4），可看到在DK194+814-810段，P波速度基本無(wú)變化，而S波速度明顯下降，δ上升。按照上述原則得TSP超前預(yù)報(bào)結(jié)論為：該段圍巖強(qiáng)度較之前變化不大，巖質(zhì)仍較堅(jiān)硬，節(jié)理較發(fā)育，潮濕。814～810段存在滲水。

圖4 DK194+814處波形參數(shù)

根據(jù)報(bào)告結(jié)論和實(shí)際圍巖揭示情況對(duì)比可以看出：

（1）該段圍巖存在滲水的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，本文所述原則結(jié)論在此處是適用的；

（2）但未能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到裂隙溶蝕，這在超前預(yù)報(bào)工作中屬較嚴(yán)重的偏差。

在出現(xiàn)這種情況后，經(jīng)過重新分析數(shù)據(jù)，查閱資料后總結(jié)，結(jié)果存在偏差的原因可歸納為以下2點(diǎn)：

（1）溶蝕為裂隙溶蝕，沿隧道走向長(zhǎng)度短，僅0.5～0.8m，該裂隙在反射層提取圖中僅顯示為1條反射層細(xì)線，實(shí)際里程上1m在圖中僅約1mm，即儀器的顯示精度客觀上對(duì)判斷結(jié)論有影響。

（2）S波不能在液體中傳播，在空氣中傳播時(shí)速度也會(huì)明顯下降，而在裂隙很窄的情況下，P波表現(xiàn)不靈敏。導(dǎo)致這種裂隙空洞在波形上與巖層含水情況波形類似。

因此，在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)過程中，應(yīng)以更加謹(jǐn)慎的態(tài)度注意前方探測(cè)段巖性及可能存在的特殊地質(zhì)情況。當(dāng)然，更多的特殊地質(zhì)情況還需進(jìn)一步歸納和總結(jié)。

3.5 分析儀器探測(cè)數(shù)據(jù)能力的缺點(diǎn)

TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以粗略估計(jì)圍巖中的P波速度、S波速度、縱橫波速比、泊松比、拉梅系數(shù)、動(dòng)楊氏模量等各項(xiàng)參數(shù)，針對(duì)P波和S波速度比和泊松比，需要經(jīng)過我們的去偽存真，對(duì)圍巖中是否含水的情況有較為準(zhǔn)確的反應(yīng)。然而儀器探測(cè)時(shí)，前方圍巖中的水被巖體封閉靜止，儀器分析巖層含水僅限于靜態(tài)水，無(wú)法測(cè)得水體體積、壓力及水頭高度等參數(shù)，無(wú)法預(yù)估隧道開挖至含水體附近時(shí)出水量的大小，可能造成出水量描述上的不準(zhǔn)確。

但如果我們能夠根據(jù)地質(zhì)學(xué)知識(shí)和地質(zhì)、地形圖，在其他相關(guān)資料的輔助下，進(jìn)行綜合判定，也可以有效提高預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在目前應(yīng)用最廣泛的隧道超前預(yù)報(bào)手段之一，依靠該系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，檢測(cè)人員在規(guī)避隧道安全施工風(fēng)險(xiǎn)方面做出了很大的貢獻(xiàn)。但在該系統(tǒng)對(duì)隧道水害的探測(cè)效果方面，見仁見智，存在爭(zhēng)議，但只要我們秉持求真務(wù)實(shí)的工作態(tài)度，明辨慎思的職業(yè)精神，相信在經(jīng)過廣大檢測(cè)人員不斷的總結(jié)和交流后，一定會(huì)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10012-2007,鐵路工程地質(zhì)勘查規(guī)范[S]. 北京:中國(guó)鐵道出版社, 2007.

[2]鐘世航, 孫宏志, 王榮,等. 隧道施工掌子面前方地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)遵循原則的探討[C]// 中國(guó)交通土建工程學(xué)術(shù)論文集(2006). 2006.

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The Application of TSP203 Advanced Geological Prediction of Tunnel Water Interpretation Principle in Forecasting

LI Hong-ze

(China Railway 19th Bureau Group Co., LTD., Liaoyang 111000)

according to the principle of translation solutions TSP detection data, combined with the engineering test, summarizes the results based on TSP203 tunnel flood forecasting, discuss the advantages and disadvantages of instrument for detecting water distribution in the surrounding rock.

Transverse wave;Longitudinal wave;Poisson ratio

U452.1+7

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.05.001

1672–7304(2016)05–0001–03

（責(zé)任編輯：廖建勇）

李紅澤（1984-），男，河南內(nèi)鄉(xiāng)人，工程師，研究方向：橋梁與隧道工程，試驗(yàn)與檢測(cè)。