TSP 超前地質(zhì)預(yù)報在大山腦隧道施工中的應(yīng)用

吳傳模

(中鐵十七局集團第三工程有限公司，河北石家莊 050000)

近年來隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對公路、鐵路需求越來越大，但隨著隧道施工逐漸向超長、復(fù)雜地質(zhì)、地形條件下發(fā)展，增加了很多不確定的地質(zhì)情況，如裂隙水發(fā)育、松散地層、巖溶地質(zhì)等，地質(zhì)問題嚴(yán)重影響了隧道的施工安全與進度，如何運用超前地質(zhì)預(yù)報準(zhǔn)確提供隧道前方地質(zhì)異常體的產(chǎn)狀，更好、更快、更安全地對地質(zhì)問題進行處治在工程施工中顯得尤為重要。因此，如何準(zhǔn)確、有效地預(yù)報隧道在施工過程中遇到的各種地質(zhì)災(zāi)害問題，已經(jīng)成為當(dāng)前隧道建設(shè)中有待解決的關(guān)鍵難題之一。TSP超前地質(zhì)預(yù)報作為目前適用范圍最廣、預(yù)報效果最好的方法，并在大量的隧道實踐和施工過程中得到了充分的驗證，其能夠準(zhǔn)確的判定巖溶及地下水發(fā)育情況、斷層破碎帶等不良地質(zhì)體的產(chǎn)狀。

1 TSP原理

TSP超前預(yù)報方法是由瑞士安伯格測量技術(shù)公司在20世紀(jì)90年代初研發(fā)的用于隧道超前預(yù)報的先進技術(shù)，并在眾多大型工程中應(yīng)用并取得了一致的認(rèn)可，其采用的是地震波反射回波方法測量的原理。地震波由微量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)遇到巖石彈性性質(zhì)不同的分界面時，例如斷層、巖體破碎帶界面、溶洞等，就發(fā)生反射。再由檢波器接收信號，通過解釋獲取的信號，推斷出前方隧道構(gòu)造坡面及圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，達到超前地質(zhì)預(yù)報的目的(見圖1)。

2 現(xiàn)場探測與資料獲取

2.1 工程簡介

大山腦隧道位于浙江省慈溪市橫河鎮(zhèn)和余姚市丈亭鎮(zhèn)境內(nèi)，以DK113+500為兩市行政分界點，進口位于慈溪市童岙村，出口位于余姚市匯頭村，洞內(nèi)縱坡為“人”字坡，分別為1 193 m的3.0‰ 上坡和5 016 m的3.2‰下坡。

圖1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報原理圖

隧道進、出口處線路前進方向左側(cè)有兩大水庫，分別為梅湖水庫和丈梅水庫，其中梅湖水庫為余姚市和慈溪市用水源，南臨蕭甬鐵路，橫穿東溪縣道，鄉(xiāng)間公路網(wǎng)密集，交通較便利。大山腦隧道起訖里程:DK112+207～DK118+416，全長6 209 m，全長位于直線上。該隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，隧址區(qū)內(nèi)發(fā)育7條斷層破碎帶，其中5條與隧道相交，地層巖性為晚侏羅系火山活動第一、第二旋回晚期的產(chǎn)物，以淺灰色、淺灰綠色、淺灰紫色流紋質(zhì)凝灰?guī)r、角礫弱熔結(jié)凝灰?guī)r及沉積層為主。隧道內(nèi)有Ⅴ級圍巖414 m，Ⅳ級圍巖430m，Ⅲ級圍巖2 475m，Ⅱ級圍巖2 890m，是杭甬客專全線最長的一座隧道。大山腦隧道工期要求2009年4月開工，2011年4月竣工，工期異常緊張，是全線地質(zhì)條件最復(fù)雜、施工難度最大的隧道，是杭甬客專全線控制性工程。隧道設(shè)計采取的是單洞雙線無碴軌道結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計時速350 km/h，線間距5 m，軌面以上有效內(nèi)凈空面積100m2，開挖寬度14.3m，高12.1m，隧道內(nèi)設(shè)雙側(cè)救援通道及電纜槽，全隧道共設(shè)置25個綜合洞室，洞門采用帽檐斜切式洞門，設(shè)置緩沖結(jié)構(gòu)。主要工程數(shù)量有:開挖土石方86.7 萬 m3(斷面方)，噴射混凝土2.6萬 m3，模筑混凝土16萬m3，壓注水泥漿4 900 m3。

2.2 現(xiàn)場工作布置情況

2.2.1 數(shù)據(jù)采集和測線布置

數(shù)據(jù)采集是指在施工過程中根據(jù)業(yè)主方的要求對需要預(yù)報的區(qū)域進行合理組織施工，并為下一步的資料處理及解釋提供原始資料，采集到的原始數(shù)據(jù)對解釋成果的準(zhǔn)確性有著直接的影響。其順序一般如下，首先踏勘工地，根據(jù)工地的施工環(huán)境安排測線;選擇合理的激發(fā)條件，然后就是按操作規(guī)程進行數(shù)據(jù)采集。在施工過程中一定注意激發(fā)和接收這兩個關(guān)鍵因素。

此次地質(zhì)超前預(yù)測，伴隨掌子面前進，進口共分11次探測，出口共分12次探測，斜井段共分7次探測，探測號及探測里程見表1。

表1 探測里程表

2.2.2 工作方法

提前在距地面約1.0 m高的一邊墻的水平線上，按間距1.5 m、孔深1.5 m、孔徑35 mm ～38 mm、下傾 15°～20°的標(biāo)準(zhǔn)鉆24個炮孔，最后一個炮孔距掌子面約2.0 m。高精度傳感器布置于距掌子面約50 m處隧道邊墻上，其孔深2.0 m、孔徑42 mm～45 mm、下傾5°～10°將已鉆好的炮孔接收孔的孔深、傾角、間距測量出來，并作好記錄，以備數(shù)據(jù)處理時用。

數(shù)據(jù)采集使用爆速3 200 m/s的乳化炸藥，零延時電雷管。各炮孔裝藥100 g，然后按順序逐個引爆，并由儀器記錄下各道信號。在數(shù)據(jù)采集過程中，根據(jù)反射波信號能量的強弱，隨時對藥量進行調(diào)整。數(shù)據(jù)采集時，為減少噪聲對采集數(shù)據(jù)的影響，工區(qū)內(nèi)應(yīng)停止其他施工作業(yè)，尤其是針對巖體的作業(yè)。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析評估

將采集的數(shù)據(jù)，通過TSPwin軟件進行處理，獲得隧道掌子面前方的 P波、SH波和SV波的速度剖面、深度偏移剖面、巖石的反射層、巖層的物理力學(xué)參數(shù)等資料。

解釋原則如下:1)S波反射弱、P波反射強處有裂隙存在;2)S波反射強、P波反射弱處有流體存在;3)泊松比高處有流體存在，縱波波速低處有裂隙存在;4)反射波為正相位時，圍巖由軟弱巖層進入堅硬巖層;5)反射波為負(fù)相位時，圍巖由堅硬巖層進入軟弱巖層;6)當(dāng)靜態(tài)楊氏模量大于30時，石質(zhì)堅硬，反之，石質(zhì)較軟;7)當(dāng)泊松比大于0.28或VP/VS突然增大時，前方地質(zhì)情況為有水或圍巖較破碎;8)當(dāng)反射界面較多且靜態(tài)楊氏模量和泊松比變化頻繁，幅度較大時，圍巖為破碎帶，若為負(fù)反射振幅時，圍巖為軟弱破碎帶。

本次根據(jù)TSP203探測結(jié)果，并綜合分析相關(guān)資料，預(yù)測范圍內(nèi)不存在大規(guī)模溶洞及地下水極為發(fā)育地段，但所預(yù)報地段含中等裂隙水及斷層破碎帶，應(yīng)注意對突水突泥及冒頂塌方等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防。

其中:出口DK118+204～DK118+180和出口DK118+084～DK117+970段圍巖局部節(jié)理發(fā)育，少量裂隙水，開挖后容易掉塊，施工中要及時封閉，做好支護;進口DK112+406～DK112+500段圍巖波速更低，圍巖軟弱，可能為斷層破碎帶，裂隙水較發(fā)育，施工中要做好超前支護，及時封閉，做好排水措施;進口DK112+500～DK112+560段圍巖波速較低，節(jié)理裂隙發(fā)育或軟弱破碎，裂隙水發(fā)育，施工中注意支護。

3 結(jié)語

在大山腦隧道施工中共進行了30次超前地質(zhì)預(yù)報工作，總長度6 000多延米，預(yù)報結(jié)果與實際開挖情況基本吻合，預(yù)報準(zhǔn)確率較高。由于預(yù)報及時，采取支護措施得當(dāng)，施工中沒有發(fā)生過地質(zhì)災(zāi)害，確保了施工的安全和質(zhì)量，并且節(jié)約了工期，節(jié)省了成本。2011年2月11日大山腦隧道順利貫通，TSP超前地質(zhì)預(yù)報發(fā)揮了不可替代的作用，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

［1］ 劉志剛，趙 勇.隧道隧洞施工地質(zhì)技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

［2］ 張景科，諶文武，雷啟云.TSP203地質(zhì)超前預(yù)報原理及精度提高的途徑［J］.天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報，2004(4):25-26.

［3］ 張耀軍.對玖山隧道TSP203地質(zhì)預(yù)報方法及分析［J］.山西建筑，2010，36(3):332-333.

［4］ 胡輝榮，于 貴.TSP203plus超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)在高竹頂隧道斷層中的應(yīng)用［J］.鐵道工程學(xué)報，2001(5):1-4.