TSP203在小角度不整合帶隧道中的應用研究

梅 華 鄭立孝 劉文祥

(湖南工學院 建筑工程與藝術設計學院 湖南衡陽 421002)

0 引言

目前， TSP探測系列在很多隧道施工過程中對水文地質情況進行了比較準確的預報，并得出了很多有價值的探測經驗和解譯規律[1-4]。然而，TSP作為一種物探方法，其探測和解譯結果的多解性與隨機性特點[5-6]，除與實際操作者的知識經驗、儀器的精度等有關外，主要還是取決于自然環境和地質條件的復雜性[5-7]。所以，開展不同地質情況下的TSP探測和解譯成果研究，不斷地積累該方面的工程實踐資料，對提高TSP探測精度和解譯成果的準確性具有非常重要的意義。

本文以十天高速公路小川隧道超前地質預報為工程實例，通過TSP探測成果與實際開挖結果對比分析，力求得出在小角度不整合帶地質情況下隧道TSP探測成果圖特點及探測準確性。通過對TSP的實例預報分析，為該隧道的施工提供幫助，也為今后類似工程的探測和研究提供參考。

1 工程概況

小川隧道位于甘肅省隴南市成縣，隧址區位于徽成盆地西南部與秦嶺山地交匯處，山高溝深，溝壑縱橫，地下水豐富，氣候溫暖濕潤，植被覆蓋率較高。隧道為分離式雙洞特長隧道，長3428.5m，最大埋深為360m。地層巖性主要為中、上石炭統(C2+3)中厚層～塊狀灰巖，中厚層～薄層狀碳質板巖及中厚層狀砂巖，主要分布于隧道洞身段；新近系(N2)泥巖、泥質砂巖、砂巖及礫巖，主要分布于出口段及洞身段的平緩地帶，不整合于石炭系地層之上；第四系晚新統風積層(Q3col)黃土主要分布于山頂等較高位置；第四系全新統坡積層(Q4dl)，分布于斜坡及槽谷地帶。地表水主要為水流量較小的沖溝季節性流水及泉水，地下水有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水、碳酸巖巖溶裂隙水。圍巖劃分為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。

2 TSP203超前地質預報

2.1 現場數據采集與處理

圖4 巖體物理力學參數圖

在隧道出口段TSP探測試驗中，由于隧道內右壁靠近左線隧道，炮孔和接收孔均布置于上臺階的左側壁上。掌子面里程為YK607+673，接收器里程為YK607+727，布設24個激發炮孔，1個接收孔，預報里程范圍為YK607+673～+573。依據規定對觀測系統布置好后，按要求安裝套管和接收器，并裝藥激發和數據采集。

2.2 解譯分析與預報

由三波的深度偏移圖(圖1～圖3)可知，P波深度偏移圖中有很多較寬的負反射條帶，表明存在巖性由強變弱的趨勢；SH波和SV波正前方反射條帶存在明顯異常凹凸現象。

圖1 P波深度偏移圖

圖2 SH波深度偏移圖

圖3 SV波深度偏移圖

由巖體物理力學參數圖(圖4)可知，距離掌子面較近范圍的參數相對波動較小，較遠處的參數相對波動較大，這與圍巖的特點和地震波以球面傳播有關。

圖5 縱視圖與俯視圖

由縱視圖和俯視圖(圖5)可知，反射界面分布比較雜亂，規律性較差，多個反射界面相互交叉，與隧道軸線夾角離散性較大，均由P波、SH波和SV波各一個反射界面組成，每組反射界面內的3個反射界面相距較近，與隧道軸線夾角相差不大。

根據以上分析，可得出YK607+573～+673段TSP超前地質預報結論，具體如表1所示。

表1 小川隧道TSP預報結果

3 實際開挖情況分析

3.1 掌子面描述情況

小川隧道(右線)在里程為YK607+673～YK607+573段開挖施工過程中，上臺階共進行了30次開挖施工循環，掌子面地質描述連續進行了31次，每兩次描述平均間距為3.3m。描述時間為每次上臺階開挖完畢。

根據描述結果分析得出，該段隧道地層巖性主要為石炭系(C2+3)塊狀灰巖和新近系(N1)厚層礫巖。其中灰巖有方解石巖脈，出露于掌子面左下半部分，飽和單軸抗壓強度為60～85MPa，屬于較堅硬巖，無貫通型節理裂隙；礫巖出露于掌子面右上半部分，膠結性差，遇水易軟化，單軸抗壓強度約40MPa，屬于較軟巖，節理裂隙較多寬度較大，產狀均為330°∠80°，裂隙閉合，內有泥質/鈣質充填物。灰巖層呈巨厚層狀，礫巖巖層有明顯層里構造，走向為NE55°或SW235°，傾向為SE145°，傾角為3°，走向近似平行隧道軸線。上覆新近系(N1)礫巖地層和下伏石炭系(C2+3)灰巖地層之間為缺失不整合接觸帶，產狀均為188°∠25°，厚度變化較大，為8cm～45cm，微風化，出露較良好。YK607+642～+629.2段掌子面中部不整合帶下盤存在多處較大滲水，呈面流狀，拱頂滴水較多，如圖6所示。

圖6 YK607+629.2掌子面中部

圖7 實際開挖掌子面不整合面隨里程變化趨勢

3.2 不整合帶TSP探測效果分析

3.2.1不整合帶空間分布探測效果分析

由地質描述結果可知，不整合帶兩側巖體強度差異較大，且節理裂隙也有所不同，圍巖情況相差較大。本段P波深度偏移圖中右側反射條帶相對較密集且強度稍大，這與不整合接觸面及影響帶位于TSP觀測系統右側吻合。深度偏移圖中負反射條帶相對較多且能量較大，與掌子面描述的較硬巖灰巖減少的實際情況相對應。由于不整合帶填充效果較好，且不整合接觸面走向與隧道軸線呈小角度相交，TSP探測的深度偏移圖等成果圖中也沒有出現明顯的差異分界面。因此，通過分析和相關資料顯示，TSP無法準確探測出不整合分界面的位置和空間展布狀態。

根據巖體物性參數圖可知，YK607+620位置巖體物性參數下降幅度很大，跟TSP的直觀性解譯結果為YK607+620～+573段巖體強度降低，存在明顯巖性分界面。實際開挖是在YK607+673～+622.4段不整合接觸帶分界面呈向左下角下降趨勢，至YK607+622.4以后掌子面中部地面2.1m以上均為新近系礫巖，灰巖所占比例降低，在TSP探測范圍內沒有存在明顯的巖性變化。根據以上分析和TSP儀器特點對此分析，可能是地震波由灰巖巖層進入礫巖巖層導致。由于觀測系統是布置于左側壁灰巖中，且不整合分界面位于右上角一定距離，根據地震波在巖體中沿球面向前擴散，即地震波在巖體內激發后是向整個空間傳播，而TSP接收器卻只能接收到前方一定范圍內的地震波，所以，在靠近掌子面附近一定距離內與隧道前方大角度擴散的地震波無法被接收，只有隧道前進方向部分地震波才能被接收。

3.2.2不整合帶地下滲水探測效果分析

TSP預報有無地下水效果還是比較準確，但是對于含水量的多少則存在一定的誤差，YK607+ 673～+629.2段探測的淋雨狀或局部涌水與實際開挖滲水存在一定的出入，可能原因為地質情況的復雜性導致地下水徑流的不確定性，以及儀器本身的局限性，或解譯規律的不完善。

對于TSP預測少量地下水無法明確辨識出來。通常判斷地下水是根據物性參數圖中橫波下降幅度較縱波大判斷，即VP/VS或μ呈現明顯的增大。VP/VS或μ呈現明顯的增大，并不一定是含有地下水，并且地下水的含量也無法根據VP/VS或μ的變化幅度來判斷。

3.2.3不整合帶節理裂隙發育探測效果分析

YK607+673～+632段節理裂隙發育密集帶，判斷依據為該段縱視圖中存在很多正負反射界面，縱橫波反射均有，且反射界面延伸性較差，相互交錯，存在部分位置聚集現象；其次為物性參數波動較頻繁，幅度較明顯；深度偏移圖顯示為正負反射條帶相間。實際開挖情況為該段節理裂隙發育，部分位置節理裂隙密集發育帶，且其閉合性較好，為泥質/鈣質充填。但實際開挖較大的節理裂隙相對較少，尤其是YK607+640～+632段預報與實際相差較大，分析其部分反射界面應為不整合帶界面，且由于不整合帶部分里程位置存在灰巖與礫巖過渡區域，巖體均勻性較差，導致產生較多的反射界面。

YK607+620～+573段物性參數波動頻繁且幅度較大預測為節理裂隙較發育，實際開挖情況為1～2條較大節理裂隙，較多較小節理裂隙，預報結果基本準確。但認為TSP物性參數波動幅度較大并不是節理裂隙導致，而是地震波在灰巖和礫巖兩類差異較大巖層中所致。

4 結論

通過以上分析得出以下結論：

(1)TSP203系統對與隧道軸線呈小角度不整合帶探測，P波深度偏移圖負反射條帶很多且較寬，S波反射條帶存在明顯凹凸現象，巖體物理力學參數相對波動較大，反射界面較多且分布較雜亂。

(2)對于不整合接觸面走向與隧道軸線呈小角度相交的情況，不整合分界面的位置和空間展布狀態需要根據TSP探測與前期開挖掌子面描述、地質勘察才能確定；TSP能較準確預報不整合帶處地下水的存在，但對于地下水的水量無法準確預報；TSP對于不整合帶附近節理裂隙的預報結果基本準確，但解譯結果會受到不整合面的影響。

(3)通過實例分析表明，TSP能較準確地進行地質超前預報，但對于差異性不太明顯的地質體，其預報結果與實際開挖情況存在一定差異，對于該問題的解決還需進行進一步研究。