TSP-203系統(tǒng)在太安嶺隧道超前地質(zhì)預(yù)報中應(yīng)用

尚立峰

(山西路橋第二工程有限公司，山西臨汾 041051)

1 超前地質(zhì)預(yù)報工作任務(wù)

超前地質(zhì)預(yù)報的任務(wù)包括:1)掌子面前方巖性變化情況和圍巖級別;2)掌子面前方可能出現(xiàn)的斷層及破碎帶的發(fā)育情況(包括位置、厚度、產(chǎn)狀);3)掌子面前方軟巖地段的位置和長度;4)掌子面前方巖體地下水條件(是否含水和涌水情況);5)掌子面前方巖溶發(fā)育程度及溶洞的位置等。

2 超前地質(zhì)預(yù)報的內(nèi)容及主要方法

2.1 主要內(nèi)容

1)通過對圍巖級別及其穩(wěn)定性的預(yù)報:預(yù)知開挖面前方的圍巖類別與設(shè)計是否吻合，并判斷其穩(wěn)定性，隨時提供修改設(shè)計、調(diào)整支護類型及開挖后確定二次襯砌時間的建議等。2)通過對斷層及其破碎帶的預(yù)報:預(yù)知斷層的位置、寬度、產(chǎn)狀、性質(zhì)、充填物的狀態(tài)，是否為充水?dāng)鄬樱⑴袛嗥浞€(wěn)定程度，提出施工對策。3)通過對不良地質(zhì)及災(zāi)害地質(zhì)預(yù)報:預(yù)知開挖面前方一定范圍內(nèi)有無突水突泥、巖爆及有害氣體等，并查明其范圍、規(guī)模、性質(zhì)，提出施工措施或建議。4)通過對水文地質(zhì)的預(yù)報:預(yù)知洞內(nèi)突涌水量的大小及其變化規(guī)律，并評價其對環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)的影響。

2.2 主要方法

1)常規(guī)地質(zhì)法:水平超前鉆孔;超前導(dǎo)坑;地質(zhì)素描;2)工程物探法:紅外探測;聲波探測;地震波法。

3 太安嶺隧道地質(zhì)預(yù)報實例

3.1 工程概況

王城高速公路是國家高速公路網(wǎng)組成部分，而太安嶺隧道是王城高速公路的控制性工程，太安嶺隧道建成后，將徹底改變山西“北大門”的交通現(xiàn)狀。太安嶺隧道為分離式隧道，右洞全長2 358 m，左洞全長2 336 m。

3.2 太安嶺隧道地質(zhì)概況

本隧道巖性為晚侏羅系南園組(晶屑)熔結(jié)凝灰?guī)r及其風(fēng)化層，局部為燕山晚期傾入花崗巖。隧道場址具體發(fā)育有2組共15條斷裂構(gòu)造及7條節(jié)理裂隙密集帶，帶內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石較破碎，且極易形成排水通道，隧道洞身圍巖受其影響，圍巖級別降低。

3.3 太安嶺隧道超前地質(zhì)預(yù)報

太安嶺右洞YK23+210附近巖體斷裂破碎帶發(fā)育，地下水較豐富，擬采用掌子面編錄地質(zhì)推理和地質(zhì)雷達相結(jié)合的方法進行超前地質(zhì)預(yù)報。

3.3.1 掌子面編錄地質(zhì)推理

YK23+210附近巖體巖性為晚侏羅系南園組(J3n)灰綠色微風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r，具熔結(jié)凝灰結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較堅硬～堅硬，錘擊聲稍響，有回彈，難擊碎，巖石強度為58 MPa～62 MPa。巖體較為破碎。掌子面處節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要發(fā)育有3組節(jié)理。經(jīng)現(xiàn)場節(jié)理統(tǒng)計分析掌子面處巖體Jv約為15.0，巖體完整性指數(shù)Kv約為0.45，掌子面附近巖體較破碎，屬裂隙塊狀結(jié)構(gòu)。掌子面處主結(jié)構(gòu)面J1，J2走向與洞軸向夾角約40°～50°，而J1及J2傾角較大，此結(jié)構(gòu)面對側(cè)墻圍巖穩(wěn)定不利。掌子面附近地下水較不發(fā)育，掌子面較干燥。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(2004)，得出巖體基本質(zhì)量指標［BQ］=334。綜合分析可確定掌子面附近圍巖屬Ⅳ級。

3.3.2 TSP-203系統(tǒng)

本工程采用瑞士Amberg公司最新生產(chǎn)的TSP203型超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)設(shè)備，探測的基本步驟可以分為:布置鉆孔→鉆孔施工→數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)分析→提交報告，分析地質(zhì)。

1)接收器鉆孔布置方法:在隧道左或右壁面布置一個接收器鉆孔，鉆孔的直徑為43 mm～45 mm，孔深2 m。接收器鉆孔要沿軸徑向，向上傾斜10°;布置高度一般離地面約1 m，其位置在離掌子面大約55 m的地方。2)爆破鉆孔布置方法:爆破鉆孔數(shù)量:在隧道左或右壁面布置爆破鉆孔(根據(jù)巖層走向確定在左或右)，根據(jù)實際情況一般設(shè)置18個～24個;爆破鉆孔直徑:38 mm(20 mm～45 mm)/孔深 1.5 m(最小 0.8 m，最大 2.0 m)。爆破鉆孔布置:沿軸徑向，向下傾斜10°(水封填炮泥);布置高度:離地面約1 m;布置位置:第一個鉆孔離接收器約20 m，其余炮眼間距1.5 m。3)資料分析與處理。將采集到的數(shù)據(jù)，通過相關(guān)軟件進行處理，以地震波資料為主對巖層進行劃分，結(jié)合橫波資料對地質(zhì)現(xiàn)象進行解釋，結(jié)合掩飾物性參數(shù)界定巖石類型，巖層軟硬程度，是否包含水分，裂隙流水情況就會顯而易見了，將探測結(jié)果出具報告，對掌子面前方巖體進行描述，確定施工方案，技術(shù)交底。4)注意事項。根據(jù)實際開挖揭示情況判定圍巖等級，及時提出圍巖級別調(diào)整建議，按照四方會議紀要確定的圍巖支護參數(shù)指導(dǎo)施工。掌子面圍巖開挖后必須進行初噴，及時封閉成環(huán)，施工采用二臺階法，按照“短進尺、弱爆破”的原則，每循環(huán)進尺采用1 m，每天完成3個循環(huán)。周邊炮眼加密，間距40 cm～50 cm，藥量根據(jù)圍巖軟硬程度進行調(diào)整，嚴格按設(shè)計和規(guī)范要求施作超前支護，確保施工安全。必要時預(yù)留核心土，防止塌方等突發(fā)事故發(fā)生。加強圍巖變形監(jiān)控量測，仰拱距上導(dǎo)距離不得大于50 m，二次襯砌及時跟進，距掌子面距離不得大于90 m。施工過程中要盡量減少噪聲和漏炮。若發(fā)現(xiàn)前方有可能存在不良地質(zhì)體或含水，應(yīng)先打超前鉆孔，以保證施工安全。5)施工措施。a.地質(zhì)素描在每炮后應(yīng)及時進行，對掌子面、邊墻、拱頂及底板圍巖的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征進行詳細描述，描述要真實貼切，并輔以適當(dāng)?shù)膱D形、圖片。在開挖夠60 m后，及時對素描資料進行匯總，并形成展示圖。b.在各項現(xiàn)場采集工作結(jié)束后，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)分析、處理以及報告編寫應(yīng)及時，成果報告應(yīng)有編制、復(fù)審核。c.成果報告及時提交，做到信息化施工。d.把預(yù)報、檢測結(jié)果與實際開挖情況進行比對，不斷總結(jié)，調(diào)整各種參數(shù)、方案組合等，對預(yù)報做出修正，提高準確性。

4 施工驗證

本次探測是在太安嶺隧道左洞里程為YK23+210的掌子面上進行的，由記錄顯示:地質(zhì)雷達在本次探測的有效預(yù)報距離為60 m。雷達記錄顯示掌子面(里程YK23+210)前方附近，即里程為YK23+208.8～YK23+205.8范圍內(nèi)有一寬裂隙帶存在，裂隙帶寬度大約1 m～2 m，且裂隙含水較多。自里程YK23+205.8～YK23+192范圍，圍巖裂隙較發(fā)育，為小到中等裂隙帶，寬度約為0.1 m ～0.4 m，裂隙含水;自里程YK23+192～YK23+189 圍巖中有微、小裂隙發(fā)育;自里程YK23+189～YK23+181圍巖中有裂隙帶存在，裂隙帶平均寬度約為0.1 m～0.2 m，且裂隙含水;自里程YK23+181～YK23+150圍巖中有微小裂隙發(fā)育，圍巖結(jié)構(gòu)較完整，最后根據(jù)施工現(xiàn)場開挖實際情況顯示，預(yù)測情況與實際情況基本相吻合。

5 結(jié)語

簡要介紹了TSP-203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的原理及工作方法，對太安嶺隧道進行地質(zhì)預(yù)報，探明了該地層巖層分布情況，從而為隧道施工、設(shè)計變更提供了水文地質(zhì)與工程依據(jù)，目前該工程基本結(jié)束，處理方法合理。

［1］中鐵西北科學(xué)研究院.隧道超前地質(zhì)預(yù)報檢測報告［R］.

［2］曹軼之，王新洲.TSP203系統(tǒng)及其在國防工程中的應(yīng)用［J］.地理空間信息，2005(3):57-58.

［3］楊榮華，牛瑞芳，曹軼之.地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)及TSP203系統(tǒng)的應(yīng)用探討［A］.第七屆全國礦山測量學(xué)術(shù)會議論文集［C］.2007.

［4］朱永全，宋玉香.隧道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2009:16-19.