浅谈TSP 超前地质预报在隧道施工中的应用

魏龙刚

1 工程概况

襄渝线安康—梁家坝段增建第二线工程新红卫隧道位于四川省万源市境内,起讫里程YDK467+560～YDK469+515,全长1 955 m。

隧道位于大巴山南部万源褶皱带,断裂较为发育,既有区域性的大断裂,又有局部性质的小断裂,其中同兴逆断层和红卫正断层两断层均对隧道施工影响较大。

隧道正常涌水量为3 202.81 m3/d,最大涌水量为4 804.21 m3/d,地下水较丰富。隧道内不良地质为岩溶、危岩落石、采空区及人工弃土,特殊地质为煤层瓦斯。其中YDK467+560～YDK467+750,YDK468+180～YDK468+850段穿越煤系地层及采空区段,施工难度较大。

为确保施工安全,施工中采取了多种超前地质预报手段进行综合物探,以了解掘进前方的地质条件,为隧道施工和支护参数调整提供科学依据,如 TSP、红外探水、φ 108超前探孔、φ 50瓦斯探测孔等。

综合超前预报的使用有效的控制了地质灾害的发生,降低了施工风险和成本,同时也有效的提高了掘进速度。本文着重讲述TSP超前地质预报在隧道施工中的应用。

2 TSP探测的原理、设备及方法

2.1 TSP探测的原理

TSP属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点,通常在隧道的左或右边墙,大约24个炮点用小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面(如断层、破碎带和岩性变化等)时,一部分地震信号反射回来,一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。数据通过TSPwin软件处理,便可了解隧道工作面前方不良地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、含水等)和位置及规模。

2.2 TSP探测的使用设备

采用TSP 200plus超前地质预报系统(见图1)。系统主要组成如下:

1)记录单元:12道,24 位A/D 转换,采样间隔 62.5 μ s和 125 μ s,最大记录长度为1 808.5 ms,动态范围 120 dB。

2)接收器(检波器):三分量加速度地震检波器,灵敏度为1 000 mV/g±5%,频率范围为 0.5 Hz～5 000 Hz,共振频率9 000 Hz,横向灵敏度大于1%,操作温度0℃～65℃。

3)触发器:触发电流约10 A,触发精度约10μ s。

4)TSPwin软件:数据采集和处理集于一体。

2.3 TSP探测的探测方法

1)测线布置。

接收器孔:分布在左右边墙,与炮孔在同一水平线上,距洞口方向的第一个炮孔15 m～20 m,其孔深2.0 m,孔径42 mm～45 mm,倾角 5°～10°(向上倾斜)。

炮孔:在左边墙或右边墙距地面约1.0 m高的水平线上,按间距1.5 m,孔深1.5 m～1.8 m,孔径35 mm～38 mm,沿轴径向下倾斜10°～20°的标准钻24个炮孔(向下倾斜),左后第一个炮孔距掌子面距离根据现场情况而定,一般情况下应尽可能接近掌子面。

2)探测流程。

第一步:根据布置的测线进行钻孔。钻孔完成后在试验前,应逐个检查孔位的成孔情况,对于不合格的孔位要及时补钻。

第二步:安装接收器套管。套管在安装前应检查接收孔是否塌孔,套管能否顺利插入孔底,然后将锚固剂放入孔内,使其牢固的安装于孔内,并且使套管内两槽口的连线垂直于隧道轴线。

第三步:安装炸药及雷管。装药前应提前测量出每个炮孔的孔深、倾角、倾向,相对于参考点的位置、高度。紧接着确定每孔的装药量,装药量通过现场测试的方法来确定。确定药量后,将电雷管插入炸药中,然后将炸药连同电雷管用炮杆送入每个炮孔,直到炮孔底部。

第四步:连线、激发。激发前将炮孔内灌满水,所有人撤退到安全距离且周围没有太大的噪声后方可起爆器充电,待充电结束、记录单元进入记录数据后,起爆电雷管,电雷管引爆炸药,系统进入数据采集阶段。

第五步:进行数据处理。将地震波采集的数据及提前测量的炮孔参数输入到TSPwin软件中进行处理。处理结果可以用与隧道轴的交角及隧道工作面的距离来确定反射层所对应的地质界面的空间位置,并根据反射波的组合特征及其动力学特征解释地质体的性质。

第六步:数据分析。分析可以根据以下原则进行:a.反射振幅越高,反射系数和波阻抗的差别越大。b.正反射振幅表明正的反射系数,也就是刚性岩层;负反射振幅指向软弱岩层。c.若S波反射比P波强,则表明岩层饱含水。d.Vp/Vs较大的增加或泊松比δ突然增大,常常因流体的存在而引起。e.若 Vp下降,则表明裂隙密度或孔隙度增加。

表1 探测结果推断

3 实例分析

2008年11月17日对新红卫隧道采空区段进行了TSP超前预报,11月19日提交了预报报告。该次接收器位置在YDK468+574,掌子面位置为YDK468+515,设计为24炮,2个接收器接收。通过试验,确定采用药量为100 g～200 g乳化炸药。数据采集时采用 X—Y—Z三分量接收,采样间隔 62.5 μ s,记录长度451.125 ms(7 218采样数)。通过次探测2D成果图及分析围岩岩体物理力学参数,初步结果见表1。

此次探测段为YDK468+515～YDK468+369,围岩为泥质灰岩夹岩溶角砾岩,地下水较发育。其中 YDK468+467,YDK468+452,YDK468+444,YDK468+441附近可能发育线状、股状出水。

围岩级别推断:YDK468+515～YDK468+473段为Ⅳ级,YDK468+473～YDK468+452段为Ⅳ级,需加强支护,YDK468+453～YDK468+422段为Ⅲ级,YDK468+422～YDK468+369段为Ⅳ级。

施工方案建议:对可能出水段宜做好防排水工作,建议工区开挖过程中加强5 m长钎探测,并对围岩软弱段及较破碎段加强支护,防止开挖过程中塌方、冒顶。

[1] 任占彪.超前地质预报与监控量测在隧道中的应用[J].山西建筑,2008,34(26):321-322.