TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道中的研究與應(yīng)用

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 湖北 武漢 430070)

TSP地震反射波法是以地震波反射理論為基礎(chǔ)，由人工激發(fā)震源產(chǎn)生地震波，其產(chǎn)生的反射波等的性質(zhì)與圍巖產(chǎn)狀密切相關(guān)，由此產(chǎn)生的不同數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，后經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后形成反射波波形圖、反射能量的影像圖、隧道平面圖剖面圖等，以供工程技術(shù)人員解譯[1]-[2]。該方法探測(cè)精度高且距離遠(yuǎn)，能夠探測(cè)掌子面前方約100m-200m范圍內(nèi)的不良地質(zhì)情況[3]。

本次以TSP超前預(yù)報(bào)為主導(dǎo)，對(duì)掌子面前方100～200m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況作出預(yù)報(bào)并分析，

一、工程概況

隧道所在區(qū)域位于湖北省西北部，市域內(nèi)地形總體上呈心形，平均海拔高度400m。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)沿路線(xiàn)地層主要分為第四系沖洪積物和殘坡積物，武當(dāng)山群擋魚(yú)河組絹云母石英片巖、變粒巖等。路線(xiàn)所經(jīng)區(qū)域地表水系較發(fā)育，受水補(bǔ)給為主，季節(jié)性強(qiáng)，富水性弱，屬東亞副熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水量集中， 5～10月降水占全年的70～80%；冬季嚴(yán)寒，少雨雪。

該隧道為一座中隧道，設(shè)計(jì)里程為：K0+417～K1+055，采用一級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，單洞雙向兩車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速60km/h，設(shè)計(jì)進(jìn)出口標(biāo)高分別為175.034m和193.257m，最大埋深72.55m，隧道內(nèi)輪廓為13.5m×5m。

二、TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

本次預(yù)報(bào)采用TSP203超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)隧道進(jìn)口端K0+633～+810段進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。掌子面為發(fā)育二組結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀為：18°∠74°、195°∠70°。呈塊狀～鑲嵌狀結(jié)構(gòu)，主節(jié)理間距5～30cm，延伸長(zhǎng)度0.5～1米。掌子面干燥。接收器在K0+577，掌子面在K0+633。

以下圖1為本次預(yù)報(bào)的部分?jǐn)?shù)據(jù)處理和分析：

圖1 2D及巖石力學(xué)參數(shù)成果圖

通過(guò)對(duì)TSP測(cè)試圖分析，關(guān)鍵路段預(yù)報(bào)地質(zhì)情況如下：

(1) K0+694～+756段，反射面密集，且以負(fù)反射為主，Vp不變，Vs時(shí)高時(shí)低，μ、E均降低，推測(cè)該段節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖石強(qiáng)度降低，有少量裂隙水，Vp為4.2km/s。

(2) K0+756～+782段，反射面較密集，Vp明顯降低，μ、E均降低明顯，節(jié)理、裂隙發(fā)育，輕微裂隙水，Vp為3.9km/s。

重點(diǎn)里程路段及異常段：K0+756～K0+782段，圍巖穩(wěn)定性差，易發(fā)生拱頂?shù)魤K或小坍塌。

對(duì)隧道進(jìn)口端K0+936～K1+055進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。掌子面圍巖為中風(fēng)化石英片巖，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀：18°∠50°、195°∠62°，呈塊狀-鑲嵌結(jié)構(gòu)，掌子面潮濕。接收器位置在+882，掌子面位置在+936。

以下圖2為本次預(yù)報(bào)的具體分析：

通過(guò)對(duì)TSP測(cè)試圖分析，關(guān)鍵路段預(yù)報(bào)地質(zhì)情況如下：

(1)K0+960～K1+000段，反射面密集，Vp明顯降低，μ、E較前段降低，推測(cè)節(jié)理、裂隙發(fā)育，圍巖破碎，局部輕微裂隙滲水，Vp3.2～3.6km/s。

(2)K1+032～+055段，反射面稀疏，ρ、μ、E降低，推測(cè)巖石節(jié)理發(fā)育，以強(qiáng)風(fēng)化為主，輕微裂隙滲水。Vp3.0 km/s。

重點(diǎn)里程路段及異常段：K0+960～+970(拱頂部差，強(qiáng)風(fēng)化)，K0+982～K1+000(左側(cè)及拱頂部差)，K1+020～+055(整體差)。

圖2 2D及巖石力學(xué)參數(shù)成果圖

三、TSP超前預(yù)報(bào)與開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況分析

圖3 開(kāi)挖與預(yù)測(cè)掌子面情況對(duì)比

預(yù)報(bào)效果分析：

1、 地層巖性及巖性變化：K0+720～+730、K0+756～+782、K0+960～+982段，預(yù)報(bào)巖性變?nèi)酰籏0+633～+694段巖性較強(qiáng)。

2、 節(jié)理裂隙：K0+756～+782、K0+950～+970段節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，開(kāi)挖時(shí)，拱頂會(huì)有掉塊或小坍塌發(fā)生，容易出現(xiàn)楔形體剪切破壞。

但預(yù)測(cè)精度還有待提高，如：K0+772樁號(hào)發(fā)生坍塌，比預(yù)測(cè)結(jié)果推遲4m左右；K0+977樁號(hào)坍塌，比預(yù)測(cè)結(jié)果提前5m左右。

四、結(jié)論

(1)需結(jié)合工程地質(zhì)法和掌子面素面等方法，綜合考慮炮檢器位置，將接收器和爆破孔安置在隧道地質(zhì)復(fù)雜、巖石破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育的一側(cè)；

(2)對(duì)節(jié)理裂隙破碎帶的探測(cè)分析應(yīng)結(jié)合速度云圖、反射層位圖及2D及巖石力學(xué)參數(shù)圖，并同時(shí)考慮本里程段信息和附近反射面信息；

(3)本次采用TSP超前預(yù)報(bào)，提前6～42天共4次成功且較準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了掌子面前方的斷層破碎帶，為實(shí)際工程的開(kāi)挖和支護(hù)(加固)提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。