ＴＳＰ在玉蒙鐵路柿花樹隧道中的應用

摘要:本文主要介紹了TSP系統的工作原理、工作方法、分析解釋所獲資料、及時進行施工預警和在玉蒙鐵路柿花樹隧道中的應用。及時合理的采取防治措施，避免了重大災害的發生，取得了較好的效果。

關鍵詞: 超前地質預報;隧道;反射波;地震波

1、引言

柿花樹隧道是新建鐵路昆明至河口線玉溪至蒙自段的重點工程。隧道穿越的巖體被強烈擠壓破碎，尤其基巖裂隙水、巖溶裂隙水借助構造裂隙與碳酸巖作用，加劇了裂隙的發育而形成惡性循環從而使該隧水文地質條件極其復雜。施工中可溶巖地段隨時可能發生大規模(高壓)涌(突)水突泥(砂、石)，其中斜井工區是柿花樹隧道施工關鍵控制節點，斜井長度681.89m，坡度11.1%，并承擔著3550余米的主洞施工任務，圍巖破碎、涌水嚴重，地質鉆孔存在承壓富水區，施工風險性大。采取措施實施監測巖體運移的動態規律，可以及時為隧道施工提供科學依據，對突發地質災害的預防意義十分重大。

2、TSP的工作原理

TSP主要用于探測隧道及其不良地質的地下工程，在隧道邊墻一定范圍內布置激發點，人工激發地震波，所產生的地震波在隧道圍巖中傳播，例如遇巖溶、斷層或巖層的分界面時，地震波將會發生反射，反射的地震波由儀器所接收。當反射界面與掌子面平行(垂直測線)時，所接收的反射波時距曲線近似為直線并且與直接由震源發出的信號，即直達波在地震波形記錄上呈負視速度的關系，其反射波延長線與直達波延長線的交點為反射界面的位置;當反射界面傾斜，即與掌子面有一定夾角時，反射波時距曲線為雙曲線;若反射界面由傾斜逐漸變為直立時，反射波時距曲線亦由雙曲線逐漸變為直線。

當地震記錄中不存在明顯的反射波時，則認為掌子面前方的圍巖是均質的，存在不良地質情況的可能性較小。

對TSP203儀器采集的數據利用TSPwin軟件進行處理，可以獲得隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的時間剖面、深度偏移剖面、巖石的反射層位、物理力學參數、各反射層能量大小等成果資料，同時還可得到反射層的二維或三維空間分布，并根據反射波的組合、動力學特征、巖石物理力學參數等資料來預報隧道掌子面前方的地質情況，如溶洞、軟弱巖層、斷層及富水帶等不良地質體。

3 、地震波的產生

Tsp203超前探測前，自隧道掌子面開始用風動鑿巖機在隧道一側邊墻上按1.5m間距向后打設24個直徑38mm，深1.5m，斜向下10～20°的孔，作為探測孔。自最后一個探測孔向后20m在隧道兩側邊墻上各打設一個直徑42～45mm，深2.0m，斜向上5～10°的孔，作為信號接收孔，探測孔與接收孔應處于同一平面上。

探測時，探測孔中放適量乳化炸藥插入電雷管后，注滿水，用拋泥填塞炮眼，自掌子面向后依次起爆，從而產生地震波。進行信號采集時應避免臨近范圍內無爆破及大型機械行走，以避免信號收集錯誤。

4、地震波的傳播

地震波有壓縮波(Primary)及剪切波(Second)兩種，其本質區別在于質點運動方向與波的傳播方向間的相對關系。

壓縮波質點運動方向與波傳播方向相同，而剪切波質點運動方向與波傳播方向垂直。地震波在不同圍巖中的傳播速度因圍巖類型不同而不同，隨著傳播距離的增加，能量不斷被吸收，其振幅也隨之降低。地震波傳播過程中遇到圍巖界面會發生界面反射與折射，其能量發生重新分配，部分能量被反射，同時大部分能量透過界面繼續傳播。

被反射能量與總能量的比值定義為反射系

數，反射系數RC=

反射信號振幅(AR)與直達波振幅(AD)之比表達式為RC*X1/(2 * X2 + X1 )。

5、地震波信號的收集與分析

5.1資料收集整理

將三分量地震波接收單元插入耦合好的長 2 m / Oslash; 35 mm 的套管中，將套管放入接收孔，并在孔與套管間用錨固劑填充，打開電腦中的TSPwin軟件并接好數據線。

在觸發雷管起爆炸藥后，通過軟件接收并保存地震波數據，待24個探測孔均引爆完畢后，保存數據將現場采集的資料傳輸至計算機，利用TSPwin軟件對其進行收集，其收集到得信息將由計算機繪成圖(如圖5)，TSPwin軟件主要由數據庫、處理、計算反射界面三部分組成。

(1)數據庫

編輯現場采集的數據和定義觀測系統。

(2)處理

對原始數據進行放大、能量均衡、濾波等流程的處理。

(2)計算反射界面

在波形處理后，從地震波形記錄中拾取縱波波至和橫波波至，根據爆炸點與檢波器的距離可分別計算各段圍巖的縱波速度vp和橫波速度vs。

vp和vs值的大小綜合反映了圍巖的物理力學性質，根據vp和vs值可直接計算動力學參數，即計算動彈性模量Ed、動剪切模量Gd和泊松比μd，計算式如下:

Ed=ρvs2(3vp2-4vs2)/(vp2-vs2)

Gd=ρvs2

μd=(vp2-2vs2)/2(vp2-vs2)

其中，ρ為圍巖的密度。

根據繞射重疊法原理(與常規地震反射資料處理中偏移流程的原理類似)計算反射界面與隧道的相對位置，即與

隧道軸線的交角或至掌子面的距離。

5.2資料解釋分析

根據TSP法的原理和工作經驗，把距離隧道軸線近、能量大的反射波組判釋為圍巖異常區，并綜合地震波速、反射波相位、密度、動楊氏模量和泊松比等參數對圍巖異常區的類別進行劃分。通過TSPwin軟件對收集到的數據進行綜合分析可得到圍巖反射面位置、相對角度、密度、圍巖大概類型，等諸多數據從而得到反射層位和物理力學參數綜合成果圖。

6、工程應用實例

在玉蒙鐵路柿花樹隧道的D2K42+267左邊墻和右邊墻位置分別布置一個地震波信息接收孔，孔徑均為50mm。在D2K42+244～D2K42+208段的右邊墻位置，按約1.5m的間距布置24個激發孔分別激發地震波，激發孔孔深1.3m，孔徑約50mm，孔向下傾斜約10ordm;，每個激發孔裝填的藥量為100g。激發孔和接收孔基本保持在同一個高度上。

收集本次探測的數據經計算機分析得到:本次預報時掌子面里程為:D2K42+190，預報里程范圍為D2K42+190～D2K42+083段。(1)D2K42+190～+153段:圍巖極破碎(Ⅴ級)，富水，提請加強支護;(2)D2K42+153～+132段:圍巖破碎(Ⅳ級)，含水;(3)D2K42+132～+103段:圍巖極破碎(Ⅴ級)，富水，提請加強支護;(4)D2K42+103～+083段:圍巖破碎(Ⅳ級)，含水。

經隧道實際開挖揭示，以上預報結果與實際情況基本相同。由于預報的及時準確，我們事先采取了防排水的措施，使我們的工程施工得以順利進行。

7、結論

(1)TSP超前地質測量能及時提供有關隧道前方和周圍地質條件變化的信息，從而能夠及時做好準備，采取應變措施，優化支護措施，安全通過地質不良地段，降低成本。

(2)TSP系統是一種新的發展中的技術，它的探測不能百分之百準確，要提高隧道施工地質的預測準確度，一方面要不斷的積累經驗，另一方面要采用多種探測(例如紅外探測、地質雷達探測和水平超前地質探孔等)技術手段，將不同探測手段得到的結果進行比較分析綜合，才能夠較為準確地預測隧道前方的地質情況，從而避免地質災害的發生。