TSP超前地質預報技術在陽山隧道中的應用

中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039

貴州是我國喀斯特地貌分布最廣泛的省份之一，充足的降水和地表的石灰巖巖層為巖溶發育提供了適宜條件。在隧道施工過程中，因巖溶發育和巖層變化導致的突水突泥、冒頂塌方等事故經常會造成較大的人員傷亡和經濟損失。TSP技術是一種應用于整個隧道長距離、大范圍探測的超前地質預報方法，其主要目的是探測掌子面前方100～150m內大的斷層及其破碎帶、巖性接觸帶、巖層分界面、裂隙發育、巖溶等情況，可以粗略劃分地層界限、圍巖等級，目前超前地質預報各類技術屬于應用最普遍的技術方法[1-3]。

1 工程背景

陽山隧道位于貴州省畢節市七星關區南部新區北部，穿過陽山森林公園，最大埋深為190m。工程區域處于南嶺東向構造帶的北部，川黔南北向構造帶和滇西南北向構造帶之間，分布有人工填積層、第四系殘坡積層、三疊系上統須家河組和三疊系中統關嶺組地層。隧道南線起止里程為SK0+490～SK2+331，長為1841m。因隧道灰巖段巖溶發育，灰巖與砂巖交界的巖性接觸帶裂隙發育、巖體破碎、自穩性差，并且導水裂隙發育，有突水和涌水的可能，對隧道施工造成了很大的安全隱患[4]。

2 TSP工作原理

TSP技術采用了回聲測量的地震波反射原理[5]。通常在隧道的邊墻上開鑿一定數量的炮孔，用微量炸藥激發產生地震波，利用其在巖石中以球面波形式傳播的方式對掌子面前方未開挖的一定范圍進行探測。當地震波遇到斷層及其破碎帶、巖性接觸帶、巖層分界面、裂隙發育、巖溶等不良地質體時，能夠反射回一些地震信號，而其他信號會折射到前方介質中，那些返回的地震波信號可以采用高靈敏度的地震檢波器收集。反射地震波信號的返回時間和反射界面的距離成正比，通過一定的處理分析就可以得到前方地質情況的客觀探測結果。

陽山隧道出口南線掌子面的TSP超前地質預報探測采用TSP-203超前地質預報系統[6]，儀器參數設置如表1所示。該系統在現場探測時，由邊墻布置的24個炮點震源、1個安裝在接收孔內的三維地震波接收傳感器（X、Y、Z方向）、數據信號接收主機及附帶的數據采集處理系統組成，如圖1所示。

表1 TSP-203系統設置參數

圖1 TSP-203探測原理示意圖

3 現場條件及工作布置

探測陽山隧道出口南線掌子面里程為SK2+015，圍巖以灰色砂巖夾黑色泥巖為主，拱部存在少量灰巖分布，圍巖節理較發育、破碎，掌子面有滴水、滲水現象，產狀110°∠45°，主體為Ⅳ級圍巖。根據現場施工條件布置了1個接收孔（孔深2m）和24個炮孔（孔深1.5m，間距1.5m），最小偏移距為11.6m，第1個炮孔距上臺階掌子面5.3m，最后1個炮孔距離接收孔16m，每個炮孔炸藥用量為60g，采用瞬發雷管逐個引爆觸發震動，通過接收孔內的檢波器接收返回的地震波數據，如圖2所示。

圖2 觀測系統布置平面示意圖

4 成果解釋

檢波器采集的地震波數據使用TSP探測系統相應的處理軟件經過濾波、初至拾取、炮能量均衡、Q評估以及波場分離（包括反射波提取、縱橫波分離）、速度分析后得到相關波（P、SH、SV）的深度偏移剖面及其反射界面，并且通過計算得到相關的巖石力學參數和相關的2D結果圖。

采集地震記錄數據基本無直流偏移分量干擾（如圖3所示），剔除了部分因放炮質量較差、干擾嚴重的數據，其他炮采集的數據質量良好。由圖3可知，首波和反射波提取線位置符合設置的觀測系統地震波傳播規律。

圖3 原始地震記錄（X、Y、Z三分量）

通過處理有效炮采集的地震數據，可得物探成果圖，如圖4、圖5所示，并由軟件計算出相應的巖體物性參數，如圖6所示。由圖4和圖5分析可知，在掌子面正前方0～30m內存在較多明顯的P波、SH波、SV波反射界面異常，P波反射界面較明顯，波速有明顯上升趨勢，泊松比出現明顯波動，結合現場情況推斷此段巖體完整性差，應為巖性接觸帶，導水裂隙發育，巖層含水較豐富；掌子面正前方30～40m內異常不明顯；掌子面正前方40～55m內存在兩組較強的負反射界面，推斷巖體裂隙發育，圍巖完整性差；掌子面正前方55～100m內異常不明顯。再結合圖6相應的巖體物性參數計算結果，可得TSP成果表，如表2所示。

圖5 地震資料處理2D結果顯示

圖6 巖石物理參數曲線圖

表2 TSP成果表

根據以上物探解釋成果，在此次超前探測地質預報范圍內（SK2+015～SK1+915），可得出以下結論與建議：

（1）SK2+015～SK1+985段為灰巖和砂巖的巖性接觸帶，圍巖節理裂隙發育，巖體破碎，導水裂隙發育，巖層含水較豐富，具體圍巖等級視出水量進行調整，需要加強支護，及時封閉成環。

（2）鑒于該探測段SK2+015～SK1+985段，共30m，導水裂隙發育，巖層含水較豐富，存在突水和涌水的風險，需要嚴格做好超前鉆探工作，驗證物探結果，開挖后應及時進行有效支護、注漿堵水和排除積水。

（3）針對上述TSP超前地質預報地段的探測情況，建議在隧道開挖過程中要密切關注掌子面巖性接觸帶的圍巖變化情況，針對局部的破碎裂隙、充填裂隙，易發生掉塊和垮落，建議適當進行加強支護，發現異常立即上報；針對局部滲水量較大的位置應提前開展鉆探驗證，結合物探和鉆探成果，采取有針對性的措施進行處置，盡量采用短臺階開挖，應用超前錨桿或注漿小導管預支護，并及時采用鋼拱架進行支護，確保施工安全。

5 結束語

TSP超前地質預報技術在地質情況復雜的隧道施工過程中可以提供長距離、大范圍的探測，還可以對掘進工作面前方的斷層及其破碎帶、巖性接觸帶、巖層分界面、裂隙發育、巖溶等不良地質情況做出提前預警，為隧道安全施工、改善施工工藝和設計支護參數，并針對探測出的異常段采取進一步處置和防范措施提供可靠的參考依據，對隧道工程具有很強的實用效果和顯著的性價比。