TSP超前地質預報在隧道中的研究與應用

(武漢理工大學土木工程與建筑學院 湖北 武漢 430070)

TSP地震反射波法是以地震波反射理論為基礎，由人工激發震源產生地震波，其產生的反射波等的性質與圍巖產狀密切相關，由此產生的不同數據經過設備的數據采集系統，后經計算機處理后形成反射波波形圖、反射能量的影像圖、隧道平面圖剖面圖等，以供工程技術人員解譯[1]-[2]。該方法探測精度高且距離遠，能夠探測掌子面前方約100m-200m范圍內的不良地質情況[3]。

本次以TSP超前預報為主導，對掌子面前方100～200m范圍內的地質情況作出預報并分析，

一、工程概況

隧道所在區域位于湖北省西北部，市域內地形總體上呈心形，平均海拔高度400m。項目區內沿路線地層主要分為第四系沖洪積物和殘坡積物，武當山群擋魚河組絹云母石英片巖、變粒巖等。路線所經區域地表水系較發育，受水補給為主，季節性強，富水性弱，屬東亞副熱帶季風氣候區，降水量集中， 5～10月降水占全年的70～80%；冬季嚴寒，少雨雪。

該隧道為一座中隧道，設計里程為：K0+417～K1+055，采用一級公路技術標準，單洞雙向兩車道，設計車速60km/h，設計進出口標高分別為175.034m和193.257m，最大埋深72.55m，隧道內輪廓為13.5m×5m。

二、TSP超前地質預報

本次預報采用TSP203超前預報系統，對隧道進口端K0+633～+810段進行超前預報。掌子面為發育二組結構面，其產狀為：18°∠74°、195°∠70°。呈塊狀～鑲嵌狀結構，主節理間距5～30cm，延伸長度0.5～1米。掌子面干燥。接收器在K0+577，掌子面在K0+633。

以下圖1為本次預報的部分數據處理和分析：

圖1 2D及巖石力學參數成果圖

通過對TSP測試圖分析，關鍵路段預報地質情況如下：

(1) K0+694～+756段，反射面密集，且以負反射為主，Vp不變，Vs時高時低，μ、E均降低，推測該段節理、裂隙發育，巖石強度降低，有少量裂隙水，Vp為4.2km/s。

(2) K0+756～+782段，反射面較密集，Vp明顯降低，μ、E均降低明顯，節理、裂隙發育，輕微裂隙水，Vp為3.9km/s。

重點里程路段及異常段：K0+756～K0+782段，圍巖穩定性差，易發生拱頂掉塊或小坍塌。

對隧道進口端K0+936～K1+055進行超前預報。掌子面圍巖為中風化石英片巖，巖體節理、裂隙發育，產狀：18°∠50°、195°∠62°，呈塊狀-鑲嵌結構，掌子面潮濕。接收器位置在+882，掌子面位置在+936。

以下圖2為本次預報的具體分析：

通過對TSP測試圖分析，關鍵路段預報地質情況如下：

(1)K0+960～K1+000段，反射面密集，Vp明顯降低，μ、E較前段降低，推測節理、裂隙發育，圍巖破碎，局部輕微裂隙滲水，Vp3.2～3.6km/s。

(2)K1+032～+055段，反射面稀疏，ρ、μ、E降低，推測巖石節理發育，以強風化為主，輕微裂隙滲水。Vp3.0 km/s。

重點里程路段及異常段：K0+960～+970(拱頂部差，強風化)，K0+982～K1+000(左側及拱頂部差)，K1+020～+055(整體差)。

圖2 2D及巖石力學參數成果圖

三、TSP超前預報與開挖揭露的地質情況分析

圖3 開挖與預測掌子面情況對比

預報效果分析：

1、 地層巖性及巖性變化：K0+720～+730、K0+756～+782、K0+960～+982段，預報巖性變弱；K0+633～+694段巖性較強。

2、 節理裂隙：K0+756～+782、K0+950～+970段節理裂隙發育，巖石破碎，開挖時，拱頂會有掉塊或小坍塌發生，容易出現楔形體剪切破壞。

但預測精度還有待提高，如：K0+772樁號發生坍塌，比預測結果推遲4m左右；K0+977樁號坍塌，比預測結果提前5m左右。

四、結論

(1)需結合工程地質法和掌子面素面等方法，綜合考慮炮檢器位置，將接收器和爆破孔安置在隧道地質復雜、巖石破碎、節理裂隙較發育的一側；

(2)對節理裂隙破碎帶的探測分析應結合速度云圖、反射層位圖及2D及巖石力學參數圖，并同時考慮本里程段信息和附近反射面信息；

(3)本次采用TSP超前預報，提前6～42天共4次成功且較準確預報了掌子面前方的斷層破碎帶，為實際工程的開挖和支護(加固)提供了準確的依據。