T S P超前探測在巨跨地下隧洞中的應用探析

李兆龍

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司隧道設(shè)計分公司，天津 300133）

1 引言

近年來，我國經(jīng)濟社會高速發(fā)展，大規(guī)模的交通、水利、儲庫等地下隧洞大量出現(xiàn)，使隧洞的建設(shè)也越來越趨于深埋、超長、巨跨、地質(zhì)條件復雜等特點，尤其是隨著經(jīng)濟發(fā)展需求的增加，隧洞開挖斷面面積不斷增大，跨度在30 m以上的巨跨隧洞屢見不鮮，其設(shè)計與施工難度較常規(guī)隧洞有較大增加[1]。因此，在施工期更好地進行超前地質(zhì)預報是對巨跨隧洞施工安全的強有力保障?，F(xiàn)有超前地質(zhì)探測中，TSP（隧道地震預測系統(tǒng)）探測是其中使用最為廣泛的一種方法[2]，但對于巨跨地下隧洞而言，其橫向范圍的地質(zhì)情況同樣存在較大差異，而常規(guī)TSP探測方法在橫向上的探測范圍有限，解譯效果欠佳。因此，亟須對現(xiàn)有TSP探測方法進行優(yōu)化調(diào)整，從而解決其在巨跨隧洞超前探測的局限性問題。

2 T S P原理

TSP于2002年前后被引入我國，其基本原理是利用人工激發(fā)的地震波向前傳播，在地震波遇到地質(zhì)結(jié)構(gòu)面（如地層界面、斷層、節(jié)理、溶洞等）時發(fā)生反射，通過預先安裝的檢波器將反射波的傳播速度、強度、時間、波形等數(shù)據(jù)記錄下來，再經(jīng)過相應的軟件進行數(shù)據(jù)處理，最后形成波形圖等，用來解譯前方的地質(zhì)情況，即數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)處理—成果解譯3部分[3]。

3 存在的問題

從TSP探測的基本原理可以看出，影響其探測成果最重要的因素是所采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量。對于常規(guī)地下隧洞，其跨度大都在15 m以下。在檢波器、震源激發(fā)孔設(shè)置合理，TSP儀器參數(shù)調(diào)整適當?shù)那闆r下，往往能準確獲取隧洞開挖前方各種地震參數(shù)，并形成探測報告，判斷前方50～200 m范圍的地質(zhì)情況[4，5]。

對于跨度大于40 m的巨跨地下隧洞，常規(guī)的施工方法往往采用減跨、分部的開挖方式（見圖1），將巨跨隧洞分為左、中、右3個導洞進行開挖，一般按順序先開挖兩側(cè)的導洞（1、2號），后開挖中間導洞（3號）。

圖1 巨跨地下隧洞開挖分步示意圖

由于跨度巨大，按常規(guī)思路，對于巨跨隧洞的TSP探測一般有兩種方法。其一，對每一個導洞分別進行TSP探測，這樣做耗時費力，且往往存在幾次探測結(jié)果互相疊加，影響最終的解譯；其二，根據(jù)現(xiàn)場實際，選擇其中1個先行開挖的導洞進行TSP探測，形成地質(zhì)預報成果，供其他2個導洞參考，這種方法由于在其橫向上缺乏足夠的地震波反射，因此，橫向范圍內(nèi)的探測精度較差，無法準確查明其他2個導洞前方開挖范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，其成果的參考意義較小。

4 解決方案

對于巨跨地下隧洞的TSP探測，必須進行一定的優(yōu)化調(diào)整，確保在成本增加不大的前提下，提高其探測范圍和探測精度。

前文提到，巨跨隧洞開挖一般采用分導洞開挖的方式進行減跨，常規(guī)做法是先開挖兩側(cè)導洞，后開挖中間導洞。因此，在進行巨跨隧洞TSP探測時，選擇一側(cè)導洞（如1號導洞）按常規(guī)方法合理布置TSP激發(fā)孔及檢波器孔（檢波器1和4），同時，在另一側(cè)（如2號導洞）內(nèi)選擇適當?shù)奈恢迷鲈O(shè)2個檢波器（檢波器3和4），即現(xiàn)場采用4個檢波器同時進行地震波數(shù)據(jù)采集（見圖2）。對不同檢波器所采集的數(shù)據(jù)兩兩組合進行處理、解譯，便能得到3個導洞的不同探測成果，其中，檢波器1、2的數(shù)據(jù)對應1號導洞，檢波器1、3的數(shù)據(jù)對應3號導洞，檢波器3、4對應2號導洞。這樣，在幾乎不增加額外成本的情況下，即完美解決了常規(guī)TSP在巨跨隧洞橫向探測范圍和精度上的缺陷。

圖2 巨跨隧洞T S P探測檢波器與激發(fā)孔平面布置示意圖

5 工程案例

根據(jù)上述對巨跨地下隧洞TSP探測的優(yōu)化和調(diào)整，在某工程現(xiàn)場進行了對比試驗。該工程跨度40 m以上，場地位于喀斯特侵蝕剝蝕中山區(qū)，其埋深85～210 m。地勘報告顯示，工程開挖范圍內(nèi)主要地層巖性為灰?guī)r，局部夾粉砂巖，場區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，無較大規(guī)模斷裂構(gòu)造，節(jié)理裂隙較為發(fā)育。

該工程開挖方式與圖1所示基本一致。在其左側(cè)導洞（以開挖方向為參考）按優(yōu)化調(diào)整后的布設(shè)方式（圖2的方式）進行TSP數(shù)據(jù)采集，對其數(shù)據(jù)進行處理以及結(jié)果解譯。其探測結(jié)果對比見表1。

表1 探測結(jié)果對比

上述結(jié)果對比后續(xù)實際開挖情況顯示，結(jié)果與實際地質(zhì)情況基本一致。由此可見，左右兩側(cè)導洞的地質(zhì)情況明顯有所不同，因此，以左側(cè)導洞的探測結(jié)果為參考，推斷右側(cè)導洞地質(zhì)情況的常規(guī)探測方法是不可取的。另一方面，也印證了優(yōu)化調(diào)整過的TSP探孔布設(shè)和數(shù)據(jù)處理方法在巨跨地下隧洞超前探測上的可行性及其優(yōu)點。

6 結(jié)語

隨著地下工程建設(shè)的高速發(fā)展，超大跨度地下工程建設(shè)還將得到更廣泛的推廣，跨度在40 m以上的巨跨地下隧洞必然會越來越多，這對巨跨地下隧洞在超前地質(zhì)預報工作中的探測精度及探測效率也提出了更高的要求，本文對常規(guī)的TSP探測方法進行優(yōu)化調(diào)整，使其在跨度40 m以上巨跨地下隧洞超前地質(zhì)預報實施中，具備探測范圍廣、精度高，探測效率高、成本低等優(yōu)勢，在今后的類似工程建設(shè)過程中，根據(jù)現(xiàn)場實際合理布置、使用，必將使TSP探測在巨跨地下隧洞建設(shè)應用中達到更佳的效果。