三維TSP在涌泥隧道空腔及松散體探測中的應用

楊緒祥 羅建杰

(云南省公路科學技術研究院，云南 昆明 650051)

三維TSP在涌泥隧道空腔及松散體探測中的應用

楊緒祥 羅建杰

(云南省公路科學技術研究院，云南 昆明 650051)

介紹了三維TSP探測技術的原理，采用該技術探測了楊林隧道突水、涌泥的基本情況，并簡述了探測系統的布設方法，將探測預報成果與實際開挖現狀作了對比，為隧道施工中地質災害的治理提供了依據。

三維TSP探測技術，隧道，突水，涌泥

高速公路隧道施工過程中，涌水突泥事故是隧道工程施工中最嚴重的地質災害之一，嚴重影響隧道施工安全和結構安全[1,2]，涌泥發生段，通常在隧道周邊形成較大的空腔和松散堆積體，為減少工程隱患、確保工程質量，通常要采用泵送混凝土回填和注漿固結等工程措施進行處治。而治理的前提是探明空腔的區域位置，為制定處治方案、降低處治安全風險、確保處治效果提供了基礎地質資料，因此發生涌泥后所形成空腔的大小及區域位置一直都是各方迫切需要了解的焦點問題。目前在隧道超前地質預報中運用三維技術已有一些研究[3-5],但面對涌泥等形成的特殊工作環境，難以滿足其適用條件。本文以云南昆明繞城高速公路東南段楊林隧道ZK21+788～ZK21+816涌水突泥的治理為例，著重闡述了三維TSP在涌泥發生后空腔和松散體區域探測的成功應用，該技術的推廣應用將為類似地質災害的治理提供更精確更直觀的基礎地質資料，為避免在涌泥事故處治中盲目注漿提供了新的依據。

1 三維TSP探測技術的原理

三維TSP探測技術在采集數據時與常規二維一致，方法是在隧道左邊墻或右邊墻布設至少18個炮點，用少量炸藥激發地震波。地震波在巖石中以球面波形式傳播，當遇到巖石物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時，一部分地震信號反射回來，一部分信號折射進入前方介質(如圖1所示)。反射回來的那部分將由高靈敏度的地震檢波器接收。接收的這部分信號就是TSP野外采集的原始數據，數據采集后，通過Amberg TSP Plus軟件進行處理，獲得P波的深度偏移三維圖、速度剖面三維圖、巖石物理及力學參數和巖石參數表等成果。

2 三維TSP技術在涌泥空腔探測中的應用實例

2.1 突水、涌泥點地質情況

楊林隧道出口左洞ZK21+788處圍巖由全風化～強風化泥質白云巖、頁巖、泥質夾砂巖組成，呈鑲嵌破碎結構，地下水豐富，富水性強。詳細地質構造見圖2。

根據地質勘察報告楊林隧道區域構造示意圖(如圖2所示)，發生突水、涌泥區域有一性質不明斷層。圍巖主要為中風化泥質白云巖、白云巖、砂巖、粉砂巖、頁巖等。薄層狀～中厚層狀，產狀320°∠28°，271°∠29°，節理裂隙較發育，巖體較破碎。地下水較豐富，富水性較強，主要為基巖裂隙水，局部可能富存巖溶水。

2.2 楊林隧道突水、涌泥基本情況

楊林隧道左幅掘進至ZK21+788處時，突然發生較大突水、涌泥，首次涌泥量4 000余立方米。ZK21+800～ZK21+788段上臺階基本被泥沙填滿，并在24 h內連續發生不同規模的涌泥兩次，最終涌泥量達8 000余立方米，將ZK21+800～ZK21+816段全部淤塞。

2.3 探測系統布設

此次預報的設備為Amberg Measuring Technique公司生產的TSP203型三維地質超前預報儀。探測系統是在隧道一側布設一條觀測線，在其上布設一排炮點S；根據巖層界面的走向，炮點觀測線剖面可以布設在隧道左邊墻，也可以布設在右邊墻。面向隧道前進的方向，劃分為左右邊(見圖3)，一條炮點剖面布設兩個接收器。對于相當復雜的地質條件，最好采用兩個炮點剖面，以提高探測的準確度。

3 預報成果及實際開挖對比分析

采集的TSP數據，通過Amberg TSP Plus軟件進行處理，獲得P波的深度偏移三維圖、速度剖面三維圖等成果圖如圖4所示。三維坐標是以兩接收孔連線(同一水平上)的中點為參考點建立三維坐標系，X為正表示隧道開挖向，Y為正表示隧道右側，Z為正表示位于參考點的上方。

根據圖4，預測涌泥后形成的松散堆積體基本范圍，如表1所示。由圖4及表1預測出1號，2號空腔及松散體區域的范圍：1號空腔及松散體位于隧道前進方向左側，里程樁號為ZK21+790～ZK21+780，該區段圍巖主要由全風化頁巖和泥巖夾砂巖組成，巖體極破碎，地下水出水狀態為淋雨狀～股狀涌水，空腔及松散體內富含地下水；2號空腔及松散體也位于隧道前進方向左側，里程樁號為ZK21+766～ZK21+755，該區段圍巖主要由全～強風化頁巖和泥巖夾砂巖組成，巖體極破碎～破碎，地下水出水狀態為淋雨狀～股狀。

表1 空腔及松散體區域范圍 m

根據上述空腔和松散體區域提出以下處治建議：

1)受空腔和松散體的存在影響前述特殊地質體段會出現偏壓現象，可能導致支護結構的破壞，發生局部坍塌，處治過程中應高度重視，1號,2號區域應作為泵送混凝土充填及注漿加固重點區域。2)地下水依然豐富，請提前施作超前鉆孔，將前方地下水及時引排。3)加強涌泥段和前方過渡段初期支護強度，并做好超前支護，掌子面開挖前應對空腔充填及超前支護注漿加固效果進行鉆芯取樣檢查，達不到注漿加固效果不得盲目開挖。

通過上述預報和建議，在編制處治方案時，對預報空腔和松散體區域進行了重點注漿加固，最終成功穿越涌泥體及涌泥影響段，處治過程未再發生任何次生災害。結合后期的開挖情況及相關地質資料綜合分析，得出的預報結論見表2。由表2可知，預報結論和實際開挖情況基本相符，較為準確地探測出了ZK21+790～ZK21+780,ZK21+766～ZK21+755段空腔和不密實松散體的位置，由此可見，采用三維TSP對隧道涌泥周邊進行特殊地質體探測是成功的，為涌泥的處治起到了良好的指導作用，預報效果良好。

表2 預報結論與實際開挖情況對比

4 結語

1)三維TSP超前地質預報對隧道涌泥形成的空腔及松散體區域探測具有良好的效果，探測成果可視化程度高，直觀清晰，便于識別，為涌泥等特殊地質災害的治理提供更精確更直觀的基礎地質資料，為避免在涌泥事故處治中盲目注漿提供了新的依據。2)預報中顯示的空腔區域后期注漿后大部分已被充填密實，但部分區域不完全為水泥漿液，呈松散顆粒與水泥漿膠結體，表明該區域為探測后空腔在繼續塌落，空腔的大小和區域在處治過程中呈現動態發展的過程，應邊探邊治理，可進一步提高處治精度和效果。3)TSP法本身的數據采集依賴于少量炸藥激發形成的地震波，在涌泥發生后隧道處于極限平衡的暫時穩定狀態下，鑿巖打孔實施爆破應注意作業安全，必要時可先對涌泥段采取臨時加固措施后實施數據采集。

[1] 魯光銀，韓旭里，朱自強.綜合探測技術在公路隧道涌泥災害治理中的應用[J].防災減災工程學報，2005,25(3)：239-243.

[2] 吳豐收，李富明.TRT法隧道三維超前地質預報技術應用[J].聲學技術，2014,33(4)：349-353.

[3] 肖書安，吳世林.復雜地質條件下的隧道地質超前探測技術[J].工程地球物理學報，2004,1(2):159-165.

[4] 劉志剛，劉秀峰.TSP(隧道地震勘探)在隧道隧洞超前地質預報中的應用與發展[J].巖石力學與工程學報，2003,22(8)：1399-1402.

[5] 王統金，王運生.一種三維隧道地質超前預報新方法的研究與應用[J].工程地球物理學報，2014,11(2)：147-150.

On application of three-dimension TSP in monitoring of mud-rushing tunnel cavity and loose rock

Yang Xuxiang Luo Jianjie

(YunnanRoadScienceandTechnologyInstitute,Kunming650051,China)

The paper introduces the principle for the three-dimension TSP detecting technique, adopts the technique to detect the gushing water and mud in Yanglin Tunnel, and indicates the allocation methods for the detecting system, undertakes the comparison between the expected results and excavation status, so as to provide some reference for the treatment of the geological disasters in the tunnel construction.

three-dimension TSP detecting technique, tunnel, water gushing, mud gushing

1009-6825(2017)05-0194-02

2016-12-07

楊緒祥(1984- )，男，碩士，工程師

U456.3

A