TSP超前地質預報系統在水平層狀砂泥巖黃土地區的應用

曹小軍，王 萌

(1.中國中鐵一局集團有限公司，西安 710054;2.北京市八一中學，北京 100080)

TSP超前地質預報系統在水平層狀砂泥巖黃土地區的應用

曹小軍1，王 萌2

(1.中國中鐵一局集團有限公司，西安 710054;2.北京市八一中學，北京 100080)

采用TSP超前地質預報系統可以準確預報隧道工作面前方100～200 m范圍內的圍巖變化情況，為后續的施工提供參考。本文把TSP系統在太中銀鐵路魏家樓隧道不良地質災害探測中的結果同開挖結果進行比較，說明TSP超前地質預報準確，確保了隧道的施工安全。

TSP系統 破碎帶 砂泥巖 老黃土

超前地質預報近年來在我國得到了廣泛的應用。隧道在開挖的過程中，可對掌子面前方巖性進行比較準確的預報，能有效防止發生工程事故，加快工程進度，同時也能減少工程造價。

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。在設計的震源點(通常在隧道的左邊墻或右邊墻，大約24個炮點)用小量炸藥激發產生地震波。當地震波遇到巖石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性變化等)時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。數據通過TSP win軟件處理，便可了解隧道工作面前方地質體的性質(軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等)、位置和規模。

1 工程概況

太中銀鐵路魏家樓1號隧道、魏家樓2號隧道、魏家樓3號隧道位于陜西省橫山縣魏家樓鎮境內，魏家樓1號隧道全長808 m;魏家樓2號隧道全長823 m;魏家樓3號隧道全長808 m;魏家樓1號、2號、3號隧道通過陜北黃土高原，溝壑縱橫，地形起伏，沖溝發育;隧道所在范圍內地層巖性為：上更新統風積新黃土、中更新統風積層老黃土及沖洪積層、細圓土、下伏三疊系上統砂巖夾泥巖;隧道通過的基巖主要以泥巖夾砂巖，產狀平緩，基本為水平層理，泥巖、砂巖互層，薄層至厚層不等，節理發育，泥質膠結，呈碎塊狀，壓碎、鑲嵌結構，易產生掉塊、坍塌。

1.1 水平層狀砂泥巖淺埋段探測案例

1.1.1 地質預報情況

在掌子面 DK331+931處施作TSP超前地質預報，接收器位置在 DK331+876，設計為 24個炮點，1個接收器(檢波器)接收;本次探測接收器耦合良好，TSP觀測系統符合要求，裝藥量為100 g，系統記錄了22炮有效數據，本次檢測采用的設備為 TSP203，原始記錄數據見圖1～圖3，圖4為經過后處理得出的2D成果顯示及巖石力學參數曲線。

圖1 檢波器原始記錄

1.1.2 推測的預報結論

1)DK331+931—DK331+963(32 m)范圍內巖性為弱風化砂巖夾泥巖，巖體強度較掌子面巖體強度有明顯的降低趨勢，巖體破碎，節理、裂隙發育，強烈建議加強初期支護工作。

2)DK331+963—DK331+993(30 m)范圍內巖性分析為弱風化砂巖夾泥巖，巖體強度與掌子面巖體強度基本一致，巖體較破碎，節理、裂隙較發育，建議加強初期支護工作。

3)DK331+993—DK332+051(58 m)范圍內巖性分析為弱風化砂巖夾泥巖，巖體強度與掌子面巖體強度有所升高，巖體較破碎～較完整，節理、裂隙較發育，建議加強初期支護工作。

根據二維視圖分析，隧道掌子面前方DK331+931～DK331+963段32 m范圍內巖體強度明顯降低，應予以高度重視，強烈建議加強初期支護工作。

1.1.3 開挖驗證

隧道掘進至DK331+993時，掌子面后方30 m以外，DK331+963—DK331+993段拱部初期支護出現開裂、掉塊等現象，安全員立即通知洞內作業人員以及相關機械設備立即撤離出隧道，隨后立即組織人力、物力、機械設備對該段初期支護進行加固;DK331+963—DK331+993開挖后的地質素描顯示該段為弱風化砂巖夾泥巖，水平層狀，節理裂隙較發育。

后來根據設計圖紙以及地表探勘，確定該段為淺埋段，該段拱部以上1 m范圍以外為強風化砂泥巖，隨著時間的推移，拱部發生了較大的沉降，這是導致初期支護開裂的主要原因;在本次處理當中未發生人員和設備的損失，由于提前預知了地質情況，起到了一定的預警作用。

1.1.4 預報結論分析

從二維視圖成果顯示及巖石力學參數曲線可以看出，在DK331+963—DK331+993(30 m)范圍內的(縱波、橫波波速、密度。動態楊氏模量的巖石力學曲線都呈階梯狀下降趨勢，表明該段巖體破碎，節理裂隙發育。

圖2 檢波器線性頻譜圖

圖3 縱波提取的反射層

圖4 2D成果顯示及巖石力學參數曲線

1.2 水平層狀砂泥巖黃土過渡地段探測案例

1.2.1 地質預報情況

在掌子面 DK331+192處施作TSP超前地質預報，接收器位置在 DK331+145，設計為 24個炮點，1個接收器(檢波器)接收;本次探測接收器耦合良好，TSP觀測系統符合要求，裝藥量為100 g，系統記錄了15炮有效數據。原始記錄數據見圖5～圖7，圖8為經過后處理得出的2D成果顯示及巖石力學參數曲線。

圖5 檢波器原始記錄

1.2.2 推測的預報結論

1)DK331+192—DK331+228(36 m)范圍內巖性為弱風化砂巖夾泥巖，巖體強度與掌子面巖體強度基本一致，巖體較破碎，節理、裂隙較發育，建議加強初期支護工作。

2)DK331+228—DK331+315(87 m)范圍內巖性分析為弱風化砂巖夾泥巖，巖體強度較掌子面巖體強度高一些，巖體較破碎，節理、裂隙較發育，建議加強初期支護工作。

圖6 檢波器線性頻譜圖

圖7 縱波提取的反射層

圖8 2D成果顯示及巖石力學參數曲線

3)DK331+315—DK331+330(15 m)范圍內巖性分析為弱風化～強風化砂巖夾泥巖，巖體強度較掌子面巖體強度有所下降，巖體破碎，節理、裂隙發育，建議加強初期支護工作。

4)DK331+330—DK331+345(15 m)范圍內巖性分析為強風化砂巖夾泥巖、老黃土過渡段，巖體強度較掌子面巖體強度有大幅度下降，巖體破碎，節理、裂隙發育，建議加強初期支護工作。

根據二維視圖分析(圖8)，隧道掌子面前方DK331+315—DK331+345段30 m范圍內巖體強度明顯降低，應予以高度重視，強烈建議加強初期支護工作，確保隧道施工安全。

1.2.3 開挖驗證

隧道掘進至DK331+320時，巖體強度大幅度降低，掌子面為強風化砂泥巖互層，隧道掘進至DK331+340時，掌子面出現老黃土，及時地加強了該段初期支護工作，確保了隧道的施工安全。

1.2.4 預報結論分析

從二維視圖成果顯示及巖石力學參數曲線可以看出，在DK331+315—DK331+345(30 m)范圍內縱波、橫波波速、密度。動態楊氏模量的巖石力學曲線都呈階梯狀下降趨勢，表明該段巖體破碎，節理裂隙發育，為弱風化砂泥巖、強風化砂泥巖、黃土的過渡段。

2 結語

在地質預報后處理分析解析過程當中，波速是最重要和最直接的參數之一，其余的巖石力學參數都是根據波速用經驗公式推導得出(密度、動態楊氏模量、靜態楊氏模量、泊松比、縱橫波速比值、拉梅系數、體積模量、剪切模量)，不同的巖石由于物理性質的不同，地震波傳播速度不同;一般情況下變質巖和火成巖的速度大于沉積巖的速度，沉積巖中石灰巖的波速大于頁巖的速度，頁巖的速度大于砂巖的速度，砂巖的速度大于水中的速度，水中的速度大于空氣中的速度。同一種巖體的速度波動較大，這是受巖石的強度、節理發育程度、風化程度等等因素的影響。

目前TSP超前預報系統能夠提前提供隧道前方和周邊的巖石力學參數，經過資料解釋，得出不良地質體的位置和范圍。但是要想提高TSP探測的準確性，還必須在現場檢測時采集到高信噪比的原始數據，并結合物探解析資料和隧道區域地質概況判定，不斷在實踐中總結經驗，提高探測的準確性。

［1］張玉芬.反射波地震勘探原理和資料解釋［M］.北京：地質出版社，2006.

［2］單娜琳，程志平，劉云禎.工程地震勘探［M］.北京：冶金工業出版社，2005.

［3］李錄明，李正文.地震勘探原理、方法和解釋［M］.北京：地質出版社，2005.

［4］周大勇.向莆鐵路巖溶隧道超前地質預報技術［J］.鐵道建筑，2010(4)：56－58.

［5］李維宏.TSP超前預報在新萬山寺隧道涌水災害防治中的應用［J］.鐵道建筑，2010(2)：27－30

U452.1+1

B

1003-1995(2011)03-0051-03

2010-11-20;

2010-12-25

曹小軍(1981— )，男，陜西大荔縣人，工程師。

(責任審編 王 紅)