TSP203超前地质预报系统在客运专线高风险隧道中的应用*

2012-12-02雪飞胜沈进喜

外语与翻译 2012年1期

关键词：节理掌子面裂隙

邹伟，雪飞胜，沈进喜

(湖南中大设计院有限公司，湖南长沙410075)

TSP203超前地质预报系统在客运专线高风险隧道中的应用*

邹伟，雪飞胜，沈进喜

(湖南中大设计院有限公司，湖南长沙410075)

客运专线中存在较多的长大隧道，其隧道断面大、埋深大，在地质情况复杂的地区给隧道施工带来安全隐患，因此，在隧道施工中开展超前地质预报工作十分有必要。本文基于TSP203技术在沪昆客专某隧道进行了超前地质预报，对掌子面前方的地质情况作出了较为精准的预测，为指导隧道施工提供了可靠的依据，保证了隧道施工的安全。

隧道超前预报;TSP203;隧道施工;岩溶

根据国家《中长期铁路网规划》以及京津城际、武广、京沪等高速铁路的开通，标志着我国已全面进入高铁时代，拥有世界上最庞大的高铁网络。客运专线设计时速一般为250～350km/h，对勘察、设计、施工以及管理带来了空前的挑战。就目前已开通和在建的线路来看，其中桥梁和隧道的比重占整个线路里程较大，尤其是地质条件十分复杂的长大隧道往往成为关键控制性工程。由于隧道施工速度越来越快，隧道埋深也越来越大，因此有效的探明掌子面前方的地质情况，关系到施工安全、质量以及进度的保证。目前利用物探进行超前地质预报的方法较多，有地质雷达法、瑞雷面波法、声波法、TSP法等，大量的实践证明［1－4］，TSP法是一种预报精度较高、技术成熟使用的物探方法，在目前客运专线建设中被广泛采用。

一、TSP203预报系统的原理与特点

TSP－203系统就是专门为隧道超前地质预报所设计，它能长距离预报隧道施工前方的地质变化:如断层破碎带、软弱岩层及其他不良地质地段，其准确预报范围为掌子面前方100～150m。TSP是一种用微量炸药爆破产生地震波进行隧道地质超前预报的技术，工作原理示意图如图1所示。其基本工作方法是沿平行隧道轴线方向在隧道侧壁布置观测系统，在炮孔中用炸药人工激发地震波，地震波向隧道掌子面前方传播，当遇到岩石弹性不同的分界面时，例如岩层分界面、断层和岩溶等，就发生反射。再由专门的传感器记录地震信号，通过软件分析地震信息，从而推断和解释掌子面前方地质构造形态及围岩的力学物理参数。TSP203技术相比其他物探技术而言，具有使用范围广、预报距离长、准确率高、对隧道工地干扰小以及提交成果及时等特点［5］。

二、工程地质概况

本隧道为一特长隧道，位于在建沪昆客运专线云南段，全长14800m，最大埋深为750m。该段隧道洞身差主要穿越可溶岩地段，构造发育，主要穿过杨梅山－小达村断层、发伍多－东铺断层、迤后所－羊洞断层，大落冲断层(F1)、(F2)和(F3)断层，岩体破碎，富水或存水，施工中易产生坍方、掉块及涌水涌泥等情况，风险评估为Ⅰ级风险隧道。本次采用TSP203方法对本隧道中地质勘探岩性变化急剧，存在可溶岩以及夹煤层等不良地质段的地质情况进一步的探明，以便及时掌握和反馈隧道掌子面前方的地质情况，调整防护措施，为优化隧道施工组织、制定施工安全应急预案提供依据。勘探地质情况如图2所示，图中P1q为灰岩，强风化层，节理裂隙发育，岩体破碎，属Ⅳ级软石;P1l为砂岩、泥页岩夹煤层，薄至中厚层状，质软易风化，煤线厚度一般小于0.4m;C3mp为灰岩夹白云质灰岩、泥岩，中厚层状，块状构造，节理裂隙发育，属Ⅳ级软石;C2hn为灰岩、白云质灰岩，中厚层状，块状构造，节理裂隙发育，致密质坚性脆。

图1 TSP法工作原理示意图

图2 勘探地质情况

三、数据采集与分析处理

本次TSP203预报的地震波接收器里程位置在PDK979+120，掌子面里程位置为PDK979+187，设计为24炮，2个接收器接收。通过试验，确定采用药量为75ɡ乳化炸药。数据采集时采用X－Y－Z三分量接收，采样间隔62.5μs，记录长度451.125ms。实际激发24炮，所记录的23炮合格，可用于数据处理和解释。

现场采集的数据采用TSPwim专用软件进行处理，TSPwin软件主要由数据库、处理、计算反射界面三部分组成。① 数据库:编辑现场采集的数据和定义观测系统。② 处理:对原始数据进行放大、能量均衡、滤波等流程的处理。③ 计算反射界面:在波形处理后，从地震波形记录中拾取纵波波至和横波波至，根据爆炸点与检波器的距离可分别计算各段围岩的纵波速度vp和横波速度vs。vp和vs值的大小综合反映了围岩的物理力学性质，根据vp和vs值可直接计算动力学参数，即计算动弹性模量Ed、动剪切模量Gd和泊松比μd，计算式如下:

其中，ρ为围岩的密度。

根据绕射重叠法原理(与常规地震反射资料处理中偏移流程的原理类似)计算反射界面与隧道的相对位置，即与隧道轴线的交角或至掌子面的距离。最后根据TSP法的原理和工作经验，把距离隧道轴线近、能量大的反射波组判释为围岩异常区，并综合地震波速、反射波相位、泊松比和动态杨氏模量等参数对围岩异常区的类别进行划分。

四、预报成果与实际开挖情况对比

(一)预报成果解译

TSP203系列的主要成果包括:三波速度剖面图、三波速度偏移剖面图、三波反射层提取剖面图、物理力学参数与二维、三维推断分析图［6］。解释原则如下所述:① 泊松比高说明有流体存在，纵波波速低说明有裂隙存在;②S波反射能量强，P波反射能量弱，说明有流体存在;③ S波反射能量弱，P波反射能量强，说明有裂隙存在;④反射波为正相位时，说明围岩由软弱岩层进入坚硬岩层;⑤ 反射波为负相位时，说明围岩由坚硬岩层进入软弱岩层;⑥当泊松比大于0.28或VP/VS突然增大时，前方地质情况为有水或围岩较破碎;⑦ 当静态杨氏模量大于30时，石质坚硬，反之，石质较软;⑧ 当反射界面较多且静态杨氏模量和泊松比变化频繁，幅度较大时，围岩为破碎带，若为负反射振幅时，围岩为软弱破碎带。图3为预报结果的二维视图。

图3 预报成果2D图

TSP资料的解释应该紧密结合施工设计资料及现场的地质记录，以现有的地质资料指导资料的解释，再根据TSP203的解译原则以及对TSP203原理的理解的基础上对预报进行解释。其思路如下:首先利用P波速度对围岩破碎的敏感性，预报构造破碎带。断层破碎带、断层群或密集节理带，由于结果面发育，岩土松散、破碎而具有较差的力学性质，P波波速较之两侧围岩要低得多。其次利用SH波和SV波速度对充水地质体的敏感性，预报充水地质体。当岩石空隙空间充满水时，含水岩石更容易压缩，因此，P波可以通过岩石基质和空隙中的流体来传播，但速度一般要降低，而横波只通过岩石基质而很难通过空隙间的流体而传播(横波速度趋近于零)，故，相对于P波波速降低量来说，SH波和SV波波速降低得更多。第三综合考虑三波反射层剖面图以及三波能量参数对划分结果进行分析验证。本次预报的结果如下:①PDK979+187～PDK979+220段:围岩破碎，节理裂隙发育，岩溶中等发育，存在溶蚀裂隙、软弱夹层，中等富水，存在突泥、突水的可能，特别注意PDK979+198～PDK979+212，防止涌水，坍塌等情况发生;②PDK979+220～PDK979+265段:围岩较破碎～破碎，节理裂隙发育，存在软弱夹层、弱富水;③PDK979+265～PDK979+297段:围岩破碎，节理裂隙较发育，岩溶中等发育，其中PDK979+270～PDK979+280段存在溶洞、软弱夹层或溶蚀裂隙、富水。由于本段地质条件复杂，提高预报精度，此次预报距离为掌子面前方110m。

(二)实际开挖情况

①PDK979+187～PDK979+200段，围岩破碎、节理裂隙发育，在开挖过程中掌子面有渗水现象;PDK979+200～PDK979+220段，围岩极破碎，存在大量溶蚀裂隙，且裂隙水十分发育，隧顶及掌子面有大量出水现象，施工单位提前做好了防排水措施，但未见较大的溶洞出现，与预报结果相符。

②PDK979+220～PDK979+265段，围岩相对转好，但存在软弱夹层，岩体局部破碎，节理裂隙发育，有少量裂隙水，但未见与地质勘探结果中的煤线。由于TSP不能对煤层有较好的判别，因此本段TSP预测结果吻合较好。

③PDK979+265～PDK979+297段，围岩破碎程度较高，存在大量的软弱夹层，弱富水，由于提前做好了防排水措施，对施工影响不大;其中在PDK979+278附近，发现一宽度约为0.5m溶蚀裂隙，由于随着掌子面的开挖裂隙水大量排出，对施工影响较小。与预测结果吻合，但与前期地质勘探的岩性判断有所出入。这是因为地质勘探由于其精度所致，难免有所出入，而TSP203对于掌子面前方100～150m的围岩破碎情况、断层以及是否有水等预报较为精准。