TSP203在小角度不整合带隧道中的应用研究

梅 华 郑立孝 刘文祥

(湖南工学院 建筑工程与艺术设计学院 湖南衡阳 421002)

0 引言

目前， TSP探测系列在很多隧道施工过程中对水文地质情况进行了比较准确的预报，并得出了很多有价值的探测经验和解译规律[1-4]。然而，TSP作为一种物探方法，其探测和解译结果的多解性与随机性特点[5-6]，除与实际操作者的知识经验、仪器的精度等有关外，主要还是取决于自然环境和地质条件的复杂性[5-7]。所以，开展不同地质情况下的TSP探测和解译成果研究，不断地积累该方面的工程实践资料，对提高TSP探测精度和解译成果的准确性具有非常重要的意义。

本文以十天高速公路小川隧道超前地质预报为工程实例，通过TSP探测成果与实际开挖结果对比分析，力求得出在小角度不整合带地质情况下隧道TSP探测成果图特点及探测准确性。通过对TSP的实例预报分析，为该隧道的施工提供帮助，也为今后类似工程的探测和研究提供参考。

1 工程概况

小川隧道位于甘肃省陇南市成县，隧址区位于徽成盆地西南部与秦岭山地交汇处，山高沟深，沟壑纵横，地下水丰富，气候温暖湿润，植被覆盖率较高。隧道为分离式双洞特长隧道，长3428.5m，最大埋深为360m。地层岩性主要为中、上石炭统(C2+3)中厚层～块状灰岩，中厚层～薄层状碳质板岩及中厚层状砂岩，主要分布于隧道洞身段；新近系(N2)泥岩、泥质砂岩、砂岩及砾岩，主要分布于出口段及洞身段的平缓地带，不整合于石炭系地层之上；第四系晚新统风积层(Q3col)黄土主要分布于山顶等较高位置；第四系全新统坡积层(Q4dl)，分布于斜坡及槽谷地带。地表水主要为水流量较小的冲沟季节性流水及泉水，地下水有第四系孔隙潜水、基岩裂隙水、碳酸岩岩溶裂隙水。围岩划分为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级。

2 TSP203超前地质预报

2.1 现场数据采集与处理

图4 岩体物理力学参数图

在隧道出口段TSP探测试验中，由于隧道内右壁靠近左线隧道，炮孔和接收孔均布置于上台阶的左侧壁上。掌子面里程为YK607+673，接收器里程为YK607+727，布设24个激发炮孔，1个接收孔，预报里程范围为YK607+673～+573。依据规定对观测系统布置好后，按要求安装套管和接收器，并装药激发和数据采集。

2.2 解译分析与预报

由三波的深度偏移图(图1～图3)可知，P波深度偏移图中有很多较宽的负反射条带，表明存在岩性由强变弱的趋势；SH波和SV波正前方反射条带存在明显异常凹凸现象。

图1 P波深度偏移图

图2 SH波深度偏移图

图3 SV波深度偏移图

由岩体物理力学参数图(图4)可知，距离掌子面较近范围的参数相对波动较小，较远处的参数相对波动较大，这与围岩的特点和地震波以球面传播有关。

图5 纵视图与俯视图

由纵视图和俯视图(图5)可知，反射界面分布比较杂乱，规律性较差，多个反射界面相互交叉，与隧道轴线夹角离散性较大，均由P波、SH波和SV波各一个反射界面组成，每组反射界面内的3个反射界面相距较近，与隧道轴线夹角相差不大。

根据以上分析，可得出YK607+573～+673段TSP超前地质预报结论，具体如表1所示。

表1 小川隧道TSP预报结果

3 实际开挖情况分析

3.1 掌子面描述情况

小川隧道(右线)在里程为YK607+673～YK607+573段开挖施工过程中，上台阶共进行了30次开挖施工循环，掌子面地质描述连续进行了31次，每两次描述平均间距为3.3m。描述时间为每次上台阶开挖完毕。

根据描述结果分析得出，该段隧道地层岩性主要为石炭系(C2+3)块状灰岩和新近系(N1)厚层砾岩。其中灰岩有方解石岩脉，出露于掌子面左下半部分，饱和单轴抗压强度为60～85MPa，属于较坚硬岩，无贯通型节理裂隙；砾岩出露于掌子面右上半部分，胶结性差，遇水易软化，单轴抗压强度约40MPa，属于较软岩，节理裂隙较多宽度较大，产状均为330°∠80°，裂隙闭合，内有泥质/钙质充填物。灰岩层呈巨厚层状，砾岩岩层有明显层里构造，走向为NE55°或SW235°，倾向为SE145°，倾角为3°，走向近似平行隧道轴线。上覆新近系(N1)砾岩地层和下伏石炭系(C2+3)灰岩地层之间为缺失不整合接触带，产状均为188°∠25°，厚度变化较大，为8cm～45cm，微风化，出露较良好。YK607+642～+629.2段掌子面中部不整合带下盘存在多处较大渗水，呈面流状，拱顶滴水较多，如图6所示。

图6 YK607+629.2掌子面中部

图7 实际开挖掌子面不整合面随里程变化趋势

3.2 不整合带TSP探测效果分析

3.2.1不整合带空间分布探测效果分析

由地质描述结果可知，不整合带两侧岩体强度差异较大，且节理裂隙也有所不同，围岩情况相差较大。本段P波深度偏移图中右侧反射条带相对较密集且强度稍大，这与不整合接触面及影响带位于TSP观测系统右侧吻合。深度偏移图中负反射条带相对较多且能量较大，与掌子面描述的较硬岩灰岩减少的实际情况相对应。由于不整合带填充效果较好，且不整合接触面走向与隧道轴线呈小角度相交，TSP探测的深度偏移图等成果图中也没有出现明显的差异分界面。因此，通过分析和相关资料显示，TSP无法准确探测出不整合分界面的位置和空间展布状态。

根据岩体物性参数图可知，YK607+620位置岩体物性参数下降幅度很大，跟TSP的直观性解译结果为YK607+620～+573段岩体强度降低，存在明显岩性分界面。实际开挖是在YK607+673～+622.4段不整合接触带分界面呈向左下角下降趋势，至YK607+622.4以后掌子面中部地面2.1m以上均为新近系砾岩，灰岩所占比例降低，在TSP探测范围内没有存在明显的岩性变化。根据以上分析和TSP仪器特点对此分析，可能是地震波由灰岩岩层进入砾岩岩层导致。由于观测系统是布置于左侧壁灰岩中，且不整合分界面位于右上角一定距离，根据地震波在岩体中沿球面向前扩散，即地震波在岩体内激发后是向整个空间传播，而TSP接收器却只能接收到前方一定范围内的地震波，所以，在靠近掌子面附近一定距离内与隧道前方大角度扩散的地震波无法被接收，只有隧道前进方向部分地震波才能被接收。

3.2.2不整合带地下渗水探测效果分析

TSP预报有无地下水效果还是比较准确，但是对于含水量的多少则存在一定的误差，YK607+ 673～+629.2段探测的淋雨状或局部涌水与实际开挖渗水存在一定的出入，可能原因为地质情况的复杂性导致地下水径流的不确定性，以及仪器本身的局限性，或解译规律的不完善。

对于TSP预测少量地下水无法明确辨识出来。通常判断地下水是根据物性参数图中横波下降幅度较纵波大判断，即VP/VS或μ呈现明显的增大。VP/VS或μ呈现明显的增大，并不一定是含有地下水，并且地下水的含量也无法根据VP/VS或μ的变化幅度来判断。

3.2.3不整合带节理裂隙发育探测效果分析

YK607+673～+632段节理裂隙发育密集带，判断依据为该段纵视图中存在很多正负反射界面，纵横波反射均有，且反射界面延伸性较差，相互交错，存在部分位置聚集现象；其次为物性参数波动较频繁，幅度较明显；深度偏移图显示为正负反射条带相间。实际开挖情况为该段节理裂隙发育，部分位置节理裂隙密集发育带，且其闭合性较好，为泥质/钙质充填。但实际开挖较大的节理裂隙相对较少，尤其是YK607+640～+632段预报与实际相差较大，分析其部分反射界面应为不整合带界面，且由于不整合带部分里程位置存在灰岩与砾岩过渡区域，岩体均匀性较差，导致产生较多的反射界面。

YK607+620～+573段物性参数波动频繁且幅度较大预测为节理裂隙较发育，实际开挖情况为1～2条较大节理裂隙，较多较小节理裂隙，预报结果基本准确。但认为TSP物性参数波动幅度较大并不是节理裂隙导致，而是地震波在灰岩和砾岩两类差异较大岩层中所致。

4 结论

通过以上分析得出以下结论：

(1)TSP203系统对与隧道轴线呈小角度不整合带探测，P波深度偏移图负反射条带很多且较宽，S波反射条带存在明显凹凸现象，岩体物理力学参数相对波动较大，反射界面较多且分布较杂乱。

(2)对于不整合接触面走向与隧道轴线呈小角度相交的情况，不整合分界面的位置和空间展布状态需要根据TSP探测与前期开挖掌子面描述、地质勘察才能确定；TSP能较准确预报不整合带处地下水的存在，但对于地下水的水量无法准确预报；TSP对于不整合带附近节理裂隙的预报结果基本准确，但解译结果会受到不整合面的影响。

(3)通过实例分析表明，TSP能较准确地进行地质超前预报，但对于差异性不太明显的地质体，其预报结果与实际开挖情况存在一定差异，对于该问题的解决还需进行进一步研究。