TSP在高速鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

鄭燁晨 石宏泰 黃 河 付庭茂 樊茂林

(中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710000)

高速鐵路隧道穿越地層復(fù)雜多變，前期地勘很難準(zhǔn)確獲得地層信息，因此掘進(jìn)中經(jīng)常出現(xiàn)與設(shè)計(jì)資料不符的不良地質(zhì)體，產(chǎn)生塌方、大變形等工程災(zāi)害。如何快速準(zhǔn)確獲取前方地質(zhì)信息，對于確保隧道安全施工具有重要意義[1]。隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法主要有地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆孔法、地震反射波法(TSP，TGP)、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、紅外探測法等[2]。TSP(Tunnel Seismic Prediction)是一種通過激發(fā)地震波(彈性波)在非連續(xù)的地質(zhì)界面反射，接收反射波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，實(shí)現(xiàn)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的物探技術(shù)[3]。該方法具有預(yù)報(bào)距離長、適用范圍廣等特點(diǎn)，自瑞士安伯格公司發(fā)明之后在隧道工程中得到廣泛應(yīng)用[4-6]。本文以中(衛(wèi))蘭(州)客專某大斷面巖質(zhì)隧道工程為依托，詳細(xì)介紹了TSP在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用技術(shù)及現(xiàn)場驗(yàn)證情況。

1 工程概況

中(衛(wèi))蘭(州)客專項(xiàng)目全長218.49 km，總投資295.78億元。依托隧道工程位于甘肅省蘭州市皋蘭縣內(nèi)，隧道全長4 578 m，為雙線鐵路隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速為250 km/h，開挖斷面面積約150 m2，最大埋深約206 m。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，洞身段穿越前寒武系皋蘭群片巖，呈鱗片狀變晶結(jié)構(gòu)，片理構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖性發(fā)育不均，呈強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化狀態(tài)，巖體呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，易塌方掉塊，圍巖分級(jí)為Ⅲ級(jí)～Ⅴ級(jí)。

2 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用分析

2.1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)原理

TSP(Tunnel Seismic Prediction)探測原理屬于地震波(彈性波)反射方法，采用小當(dāng)量炸藥在隧道內(nèi)激發(fā)多源地震波(一般在隧道邊墻布置24個(gè)炮眼)，地震波在三維空間傳播過程中，遇到地層巖性變化、斷層破碎帶等不良地質(zhì)體時(shí)(波阻抗變化)，產(chǎn)生反射和透射，通過接收反射信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)處理，數(shù)據(jù)分析進(jìn)而獲取前方地質(zhì)信息。由于地質(zhì)體中地震波傳播的復(fù)雜性，為獲得較好的反射波數(shù)據(jù)，需采用高精度的三分量速度傳感器，同時(shí)避免起爆產(chǎn)生的震蕩波對儀器產(chǎn)生干擾。

2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)選用安伯格公司TSP203 plus，預(yù)報(bào)掌子面樁號(hào)為DK203+960。掌子面巖體呈厚層、塊狀結(jié)構(gòu)，局部夾薄層片巖，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，圍巖較為破碎，掌子面呈干燥狀態(tài)，地下水不發(fā)育。

本次測試現(xiàn)場方案如下：在隧道開挖方向左邊墻布置24個(gè)炮孔(激發(fā)孔位，間距1.5 m)，左右邊墻各1個(gè)接收孔位，最小偏移間距為20 m。激發(fā)孔間距1.5 m，高度1.2 m，孔深1.35 m，孔徑50 mm，傾角9°，每孔裝藥量100 g，接收孔高度1.6 m，孔深2.0 m，傾角0°，現(xiàn)場布置如圖1所示。數(shù)據(jù)采集前，測量各孔的相對位置、深度、傾角并做好記錄，裝填炸藥，安裝接收器，連接好儀器。為采集到較好的TSP原始數(shù)據(jù)，要求隧道內(nèi)一切工序均停工，檢波器安裝時(shí)采用黃油耦合，通過采用高吸聲材料封堵接收孔來抑制聲波噪聲。準(zhǔn)備完畢后進(jìn)行爆破，采集數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

通過TSP winPLUS軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到TSP推斷成果圖。圖2為TSP超前預(yù)報(bào)圍巖力學(xué)參數(shù)分布圖，圖2中里程0代表K204+010。可以看出，在掌子面(里程50 m)前方一定范圍內(nèi)圍巖波速(Vp/Vs)、泊松比、密度、動(dòng)彈模等參數(shù)均有顯著變化。圖3為TSP二維成果圖，可以看出，在掌子面前方一定距離存在一段較小區(qū)域的波速降低區(qū)域，即節(jié)理裂隙發(fā)育較為發(fā)育。

根據(jù)上述解釋成果并結(jié)合地勘資料、掌子面開挖揭示圍巖情況，對掌子面前方120 m范圍內(nèi)圍巖情況進(jìn)行如下預(yù)測：

1)DK203+958～DK203+918(40 m)：該段縱波、橫波波速與當(dāng)前掌子面波速一致，密度和楊氏模量基本不變，泊松比及Vp/Vs較掌子面不變，判斷其圍巖情況與當(dāng)前掌子面相似。

2)DK203+918～DK203+890(28 m)：該段縱波、橫波波速較掌子面均有小幅度下降，密度及楊氏模量相對下降，且Vp/Vs和泊松比略有上升，以負(fù)反射為主，判斷其圍巖情況較掌子面略差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，穩(wěn)定性較差，地下水弱發(fā)育，施工中應(yīng)注意洞頂?shù)魤K塌方，宜加強(qiáng)超前支護(hù)。

3)DK203+890～DK203+838(52 m)：該段縱波波速較掌子面明顯上升，橫波波速較掌子面略有下降，密度和楊氏模量皆低于掌子面，且Vp/Vs和泊松比較掌子面上升，以正反射為主，綜合判斷其圍巖較掌子面變好，節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水不發(fā)育，巖體完整性較好。

2.4 現(xiàn)場開挖驗(yàn)證

由TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可得，隧道前方大致40 m～70 m距離內(nèi)圍巖情況變差，節(jié)理裂隙發(fā)育豐富，施工危險(xiǎn)性較大，而前期地勘和設(shè)計(jì)資料中將該區(qū)段統(tǒng)一歸為Ⅴ級(jí)圍巖，未做明顯區(qū)分。現(xiàn)場隧道掘進(jìn)施工中，逐步開挖揭示圍巖情況，其典型情況如圖4所示。由圖4可以看出，該斷面圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層呈薄層狀碎裂結(jié)構(gòu)，掌子面較為干燥，地下水不發(fā)育，與掌子面圍巖相比，巖體質(zhì)量較差，施工中以產(chǎn)生巖層剝落、掉塊，洞頂塌方，與2.3中2)圍巖預(yù)測結(jié)果較為吻合，說明TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)報(bào)目的。

3 結(jié)語

本文以中蘭客專某巖質(zhì)隧道為依托，詳細(xì)介紹了TSP在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，通過與場隧道開挖揭示的圍巖情況對比證明，裂隙水不發(fā)育的片巖地層，TSP地震反射波法預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確，有效探測距離可達(dá)120 m。TSP作為一種基于彈性波反射理論的物探方法，其預(yù)報(bào)成果的準(zhǔn)確性依賴于數(shù)據(jù)采集、解譯方法，以及解釋人員對波速、泊松比、動(dòng)彈模等參數(shù)的理解和工程地質(zhì)知識(shí)儲(chǔ)備，需緊密結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況，在隧道開挖過程中及時(shí)跟進(jìn)，動(dòng)態(tài)反饋地質(zhì)信息，不斷與預(yù)報(bào)結(jié)果對比驗(yàn)證，積累經(jīng)驗(yàn)，才能獲得較為滿意的預(yù)報(bào)結(jié)果。