淺談TSP 超前地質預報在隧道施工中的應用

魏龍剛

1 工程概況

襄渝線安康—梁家壩段增建第二線工程新紅衛隧道位于四川省萬源市境內,起訖里程YDK467+560～YDK469+515,全長1 955 m。

隧道位于大巴山南部萬源褶皺帶,斷裂較為發育,既有區域性的大斷裂,又有局部性質的小斷裂,其中同興逆斷層和紅衛正斷層兩斷層均對隧道施工影響較大。

隧道正常涌水量為3 202.81 m3/d,最大涌水量為4 804.21 m3/d,地下水較豐富。隧道內不良地質為巖溶、危巖落石、采空區及人工棄土,特殊地質為煤層瓦斯。其中YDK467+560～YDK467+750,YDK468+180～YDK468+850段穿越煤系地層及采空區段,施工難度較大。

為確保施工安全,施工中采取了多種超前地質預報手段進行綜合物探,以了解掘進前方的地質條件,為隧道施工和支護參數調整提供科學依據,如 TSP、紅外探水、φ 108超前探孔、φ 50瓦斯探測孔等。

綜合超前預報的使用有效的控制了地質災害的發生,降低了施工風險和成本,同時也有效的提高了掘進速度。本文著重講述TSP超前地質預報在隧道施工中的應用。

2 TSP探測的原理、設備及方法

2.1 TSP探測的原理

TSP屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在設計的震源點,通常在隧道的左或右邊墻,大約24個炮點用小量炸藥激發產生。當地震波遇到巖石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性變化等)時,一部分地震信號反射回來,一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。數據通過TSPwin軟件處理,便可了解隧道工作面前方不良地質體的性質(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)和位置及規模。

2.2 TSP探測的使用設備

采用TSP 200plus超前地質預報系統(見圖1)。系統主要組成如下:

1)記錄單元:12道,24 位A/D 轉換,采樣間隔 62.5 μ s和 125 μ s,最大記錄長度為1 808.5 ms,動態范圍 120 dB。

2)接收器(檢波器):三分量加速度地震檢波器,靈敏度為1 000 mV/g±5%,頻率范圍為 0.5 Hz～5 000 Hz,共振頻率9 000 Hz,橫向靈敏度大于1%,操作溫度0℃～65℃。

3)觸發器:觸發電流約10 A,觸發精度約10μ s。

4)TSPwin軟件:數據采集和處理集于一體。

2.3 TSP探測的探測方法

1)測線布置。

接收器孔:分布在左右邊墻,與炮孔在同一水平線上,距洞口方向的第一個炮孔15 m～20 m,其孔深2.0 m,孔徑42 mm～45 mm,傾角 5°～10°(向上傾斜)。

炮孔:在左邊墻或右邊墻距地面約1.0 m高的水平線上,按間距1.5 m,孔深1.5 m～1.8 m,孔徑35 mm～38 mm,沿軸徑向下傾斜10°～20°的標準鉆24個炮孔(向下傾斜),左后第一個炮孔距掌子面距離根據現場情況而定,一般情況下應盡可能接近掌子面。

2)探測流程。

第一步:根據布置的測線進行鉆孔。鉆孔完成后在試驗前,應逐個檢查孔位的成孔情況,對于不合格的孔位要及時補鉆。

第二步:安裝接收器套管。套管在安裝前應檢查接收孔是否塌孔,套管能否順利插入孔底,然后將錨固劑放入孔內,使其牢固的安裝于孔內,并且使套管內兩槽口的連線垂直于隧道軸線。

第三步:安裝炸藥及雷管。裝藥前應提前測量出每個炮孔的孔深、傾角、傾向,相對于參考點的位置、高度。緊接著確定每孔的裝藥量,裝藥量通過現場測試的方法來確定。確定藥量后,將電雷管插入炸藥中,然后將炸藥連同電雷管用炮桿送入每個炮孔,直到炮孔底部。

第四步:連線、激發。激發前將炮孔內灌滿水,所有人撤退到安全距離且周圍沒有太大的噪聲后方可起爆器充電,待充電結束、記錄單元進入記錄數據后,起爆電雷管,電雷管引爆炸藥,系統進入數據采集階段。

第五步:進行數據處理。將地震波采集的數據及提前測量的炮孔參數輸入到TSPwin軟件中進行處理。處理結果可以用與隧道軸的交角及隧道工作面的距離來確定反射層所對應的地質界面的空間位置,并根據反射波的組合特征及其動力學特征解釋地質體的性質。

第六步:數據分析。分析可以根據以下原則進行:a.反射振幅越高,反射系數和波阻抗的差別越大。b.正反射振幅表明正的反射系數,也就是剛性巖層;負反射振幅指向軟弱巖層。c.若S波反射比P波強,則表明巖層飽含水。d.Vp/Vs較大的增加或泊松比δ突然增大,常常因流體的存在而引起。e.若 Vp下降,則表明裂隙密度或孔隙度增加。

表1 探測結果推斷

3 實例分析

2008年11月17日對新紅衛隧道采空區段進行了TSP超前預報,11月19日提交了預報報告。該次接收器位置在YDK468+574,掌子面位置為YDK468+515,設計為24炮,2個接收器接收。通過試驗,確定采用藥量為100 g～200 g乳化炸藥。數據采集時采用 X—Y—Z三分量接收,采樣間隔 62.5 μ s,記錄長度451.125 ms(7 218采樣數)。通過次探測2D成果圖及分析圍巖巖體物理力學參數,初步結果見表1。

此次探測段為YDK468+515～YDK468+369,圍巖為泥質灰巖夾巖溶角礫巖,地下水較發育。其中 YDK468+467,YDK468+452,YDK468+444,YDK468+441附近可能發育線狀、股狀出水。

圍巖級別推斷:YDK468+515～YDK468+473段為Ⅳ級,YDK468+473～YDK468+452段為Ⅳ級,需加強支護,YDK468+453～YDK468+422段為Ⅲ級,YDK468+422～YDK468+369段為Ⅳ級。

施工方案建議:對可能出水段宜做好防排水工作,建議工區開挖過程中加強5 m長釬探測,并對圍巖軟弱段及較破碎段加強支護,防止開挖過程中塌方、冒頂。

[1] 任占彪.超前地質預報與監控量測在隧道中的應用[J].山西建筑,2008,34(26):321-322.