TSP超前地質(zhì)預報及其在地鐵施工中的應用

周可璋 周浩 盧寧 何中聯(lián) 王偉

【摘要】結合某地鐵施工工程實際具體闡述了TSP的具體應用步驟，優(yōu)缺點，以及在施工過程中應注意的事項。通過對TSP和地質(zhì)雷達的具體勘測特點和實際得到的結果做出對比，得到了二者結合運用可以增加勘測準確性的結論。對以后TSP在實際工程中的應用以及與其它勘測設備的綜合應用具有重要的指導意義。

【關鍵詞】超前地質(zhì)預報;?TSP;地鐵施工;工作原理;技術應用

TSP?Geological?Prediction?and?Application?in?the?Subway?Construction

Zhou?Kezhang，Zhou?Hao，Lu?Ning，He?Zhonglian，Wang?Wei

（The?Fourth?Company?of?China?Eighth?Engineeing?Burrau?Ltd??Qingdao?266071?）

Abstract：?This?paper?simply?introduces?TSP?tunnel?geological?prediction?system?development?course，and?the?present?situation?of?the?application?of?this?technology?and?the?technical?principle?in?our?country.?Expounded?TSPs?application?steps?and?relative?merits?Combined?with?engineering?practice?and?which?shoud?notices?In?the?construction?engineering.?Based?on?the?TSP?and?geological?radar?specific?surveys?character?and?actual?results?obtained?make?contrast，got?the?conclusion?that?a?combination?using?can?increase?the?accuracy?of?Survey.?For?TSPs?application?in?engineering?as?well?as?with?other?survey?equipment?comprehensive?application?in?the?future?has?important?guiding?significance.

Key?words：?tunnel?geological?prediction;?TSP;?subway?construction;?principle;?technology

0??引言

超前地質(zhì)預報出現(xiàn)在上個世紀的中后期，是工程地質(zhì)學的一個分支，我國在這個方面的研究始于20世紀70年代以后，幾十年來地質(zhì)超前預報在我國也有了很大的發(fā)展。然而隨著近些年來鐵路、公路、城市軌道交通等的迅速發(fā)展，隧道的長度和埋深的不斷增大，隧道施工中出現(xiàn)的問題也越來越多。如果對這些問題處理不當，將有可能造成嚴重的工程問題和巨大的經(jīng)濟損失。為了避免因地質(zhì)問題而引起工程事故，超前地質(zhì)預報在工程施工中就顯得越來越重要。現(xiàn)在在我國應用的主要的地質(zhì)超前預報系統(tǒng)有負視角速度法、HSP、TSP、TGP、TST等[1]，其中TSP作為一種進入中國較晚的勘測技術，代表了中國地質(zhì)預報領域的先進水平。文本通過將TSP技術應用在地鐵工程中，驗證了TSP超前預報系統(tǒng)的效果。并提出了一些增強TSP勘測效果準確性綜合性勘測方法。

1??TSP的簡介及其工作原理

1.1??TSP簡介

二十世紀六十年代，美國國家安全局網(wǎng)羅了眾多資深地球物理學家應用地震波勘測技術來研究地層應力釋放現(xiàn)象及地層結構掃描成像。在此過程中形成了隧道反射層析掃描成像超前預報技術（Tunnel?Reflection?Tomography），簡稱TSP技術。TSP系統(tǒng)是一種新穎、快速、有效、無損的反射地震預報技術，以其簡單的操作，準確、全面、直觀的勘測結果，在國內(nèi)迅速發(fā)展起來。

1.2??TSP系統(tǒng)的工作原理

TSP隧道地質(zhì)超前預報系統(tǒng)是利用地震波的反射原理進行地質(zhì)預報的。預報時，通過錘擊或激震器產(chǎn)生的地震波，地震波在隧道中的巖體內(nèi)傳播，當遇到一個地震界面時，如斷層、破碎帶、溶洞、大的節(jié)理面等，一部分地震波就被反射回來，反射波經(jīng)過一個短暫時間到達傳感器后被接收并被記錄主機記錄下來，然后經(jīng)專門的3D軟件進行分析處理，對地震波進行疊加，就得到清晰的異常體的層析掃描三維圖像。再通過對異常體的里程、形狀、大小、走向，并結合區(qū)域地質(zhì)資料、跟蹤觀測地質(zhì)資料就可以確定隧道前方及周圍區(qū)域地質(zhì)構造的位置和特性。入射到邊界的反射系數(shù)計算公式如下：

式中R為反射系數(shù)，r為巖層的密度，V等于地震波在巖層中的傳播速度。地震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到一個高阻抗物質(zhì)時，反射系數(shù)是正的;反之，反射系數(shù)是負的。因此，當?shù)卣鸩◤能浶缘刭|(zhì)體傳播到硬質(zhì)地質(zhì)體時，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當巖體內(nèi)部有破裂帶時，回波的極性會反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學阻抗差別越大，反射波就越明顯，越容易被探測到[2]。

2??應用實例

2.1??預報地段

對某地鐵車站小導洞進行超前預報檢測，以對掌子面前方的地質(zhì)情況進行分析評估。預報內(nèi)容為地層巖性、地質(zhì)構造、不良地質(zhì)構造及地下水含量。預報長度110m。

2.2??地質(zhì)狀況

根據(jù)勘察資料，場地地層從上至下依次為：

（1）?第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml），主要由粘性土、灰?guī)r碎石、石英巖碎石、板巖碎塊及少量的生活建筑垃圾等組成的素填土;

（2）?第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）主要由稍濕的粉質(zhì)粘土，卵石組成;

（3）?震旦系長嶺子組板巖（Zwhc），長嶺子組上部為板巖夾黃色薄層泥灰?guī)r，局部夾薄層粘土質(zhì)粉晶灰?guī)r;

（4）?燕山期輝綠巖（βμ）。

2.3??數(shù)據(jù)采集與處理

本次測試安裝8個傳感器，左、右邊墻各4個;錘擊震源點共計12個，靠近掌子面的兩邊墻上各6個。勘測范圍：豎向為隧道中心線上下各20m，橫向為隧道中心線左右各20m?，縱向為110m。圖1為數(shù)據(jù)采集軟件工作界面。圖2是軟件操作界面示意。

圖1??數(shù)據(jù)采集界面

Fig.1??Data?Acquisition?Interface

圖2??軟件操作界面

Fig.2??Software?interface

2.4??分析結果

地震波波速圖，地震波層析掃描成像三維圖，圖中最上部分的條狀線顏色值從低到高，代表反射系數(shù)，地震波從高密度巖層向軟層傳播，反射系數(shù)為負，反之為正。

圖3??地震波波速圖

Fig.3??Seismic?wave?velocity

圖4??層析反射成像圖

Fig.2??Reflection?tomography?Image

2.5??預報結論與建議

通過對地震波波速，地震波反射掃描成像三維圖及掌子面資料分析，可以得出如下結論：

（1）?DK7+255.88～DK7+312.88段：該段巖層巖體較破碎，節(jié)理裂隙很發(fā)育，圍巖變化很小。

（2）?DK7+312.88～DK7+365.88段：該段巖層巖體極破碎，節(jié)理裂隙很發(fā)育，可能會產(chǎn)生細小斷層，含有少量的地下水，施工時容易產(chǎn)生掉塊，加強初期支護和排水工作。

（3）?由于車站為兩端對向開挖，進行TSP探測時，另一端DK7+312.88～DK7+365.88里程段已經(jīng)進行了導洞施工，完成了初期支護。相當于人為提高了該段的反射系數(shù)，測試結果顯示該段破碎程度明顯增大，但不是巖層的破碎，而是反射波作用到初支上的結果。