T S P超前探測(cè)在巨跨地下隧洞中的應(yīng)用探析

李兆龍

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司隧道設(shè)計(jì)分公司，天津 300133）

1 引言

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，大規(guī)模的交通、水利、儲(chǔ)庫(kù)等地下隧洞大量出現(xiàn)，使隧洞的建設(shè)也越來越趨于深埋、超長(zhǎng)、巨跨、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，尤其是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的增加，隧洞開挖斷面面積不斷增大，跨度在30 m以上的巨跨隧洞屢見不鮮，其設(shè)計(jì)與施工難度較常規(guī)隧洞有較大增加[1]。因此，在施工期更好地進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是對(duì)巨跨隧洞施工安全的強(qiáng)有力保障。現(xiàn)有超前地質(zhì)探測(cè)中，TSP（隧道地震預(yù)測(cè)系統(tǒng)）探測(cè)是其中使用最為廣泛的一種方法[2]，但對(duì)于巨跨地下隧洞而言，其橫向范圍的地質(zhì)情況同樣存在較大差異，而常規(guī)TSP探測(cè)方法在橫向上的探測(cè)范圍有限，解譯效果欠佳。因此，亟須對(duì)現(xiàn)有TSP探測(cè)方法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而解決其在巨跨隧洞超前探測(cè)的局限性問題。

2 T S P原理

TSP于2002年前后被引入我國(guó)，其基本原理是利用人工激發(fā)的地震波向前傳播，在地震波遇到地質(zhì)結(jié)構(gòu)面（如地層界面、斷層、節(jié)理、溶洞等）時(shí)發(fā)生反射，通過預(yù)先安裝的檢波器將反射波的傳播速度、強(qiáng)度、時(shí)間、波形等數(shù)據(jù)記錄下來，再經(jīng)過相應(yīng)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后形成波形圖等，用來解譯前方的地質(zhì)情況，即數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)處理—成果解譯3部分[3]。

3 存在的問題

從TSP探測(cè)的基本原理可以看出，影響其探測(cè)成果最重要的因素是所采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量。對(duì)于常規(guī)地下隧洞，其跨度大都在15 m以下。在檢波器、震源激發(fā)孔設(shè)置合理，TSP儀器參數(shù)調(diào)整適當(dāng)?shù)那闆r下，往往能準(zhǔn)確獲取隧洞開挖前方各種地震參數(shù)，并形成探測(cè)報(bào)告，判斷前方50～200 m范圍的地質(zhì)情況[4，5]。

對(duì)于跨度大于40 m的巨跨地下隧洞，常規(guī)的施工方法往往采用減跨、分部的開挖方式（見圖1），將巨跨隧洞分為左、中、右3個(gè)導(dǎo)洞進(jìn)行開挖，一般按順序先開挖兩側(cè)的導(dǎo)洞（1、2號(hào)），后開挖中間導(dǎo)洞（3號(hào)）。

圖1 巨跨地下隧洞開挖分步示意圖

由于跨度巨大，按常規(guī)思路，對(duì)于巨跨隧洞的TSP探測(cè)一般有兩種方法。其一，對(duì)每一個(gè)導(dǎo)洞分別進(jìn)行TSP探測(cè)，這樣做耗時(shí)費(fèi)力，且往往存在幾次探測(cè)結(jié)果互相疊加，影響最終的解譯；其二，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選擇其中1個(gè)先行開挖的導(dǎo)洞進(jìn)行TSP探測(cè)，形成地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，供其他2個(gè)導(dǎo)洞參考，這種方法由于在其橫向上缺乏足夠的地震波反射，因此，橫向范圍內(nèi)的探測(cè)精度較差，無法準(zhǔn)確查明其他2個(gè)導(dǎo)洞前方開挖范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，其成果的參考意義較小。

4 解決方案

對(duì)于巨跨地下隧洞的TSP探測(cè)，必須進(jìn)行一定的優(yōu)化調(diào)整，確保在成本增加不大的前提下，提高其探測(cè)范圍和探測(cè)精度。

前文提到，巨跨隧洞開挖一般采用分導(dǎo)洞開挖的方式進(jìn)行減跨，常規(guī)做法是先開挖兩側(cè)導(dǎo)洞，后開挖中間導(dǎo)洞。因此，在進(jìn)行巨跨隧洞TSP探測(cè)時(shí)，選擇一側(cè)導(dǎo)洞（如1號(hào)導(dǎo)洞）按常規(guī)方法合理布置TSP激發(fā)孔及檢波器孔（檢波器1和4），同時(shí)，在另一側(cè)（如2號(hào)導(dǎo)洞）內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)奈恢迷鲈O(shè)2個(gè)檢波器（檢波器3和4），即現(xiàn)場(chǎng)采用4個(gè)檢波器同時(shí)進(jìn)行地震波數(shù)據(jù)采集（見圖2）。對(duì)不同檢波器所采集的數(shù)據(jù)兩兩組合進(jìn)行處理、解譯，便能得到3個(gè)導(dǎo)洞的不同探測(cè)成果，其中，檢波器1、2的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)1號(hào)導(dǎo)洞，檢波器1、3的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)3號(hào)導(dǎo)洞，檢波器3、4對(duì)應(yīng)2號(hào)導(dǎo)洞。這樣，在幾乎不增加額外成本的情況下，即完美解決了常規(guī)TSP在巨跨隧洞橫向探測(cè)范圍和精度上的缺陷。

圖2 巨跨隧洞T S P探測(cè)檢波器與激發(fā)孔平面布置示意圖

5 工程案例

根據(jù)上述對(duì)巨跨地下隧洞TSP探測(cè)的優(yōu)化和調(diào)整，在某工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。該工程跨度40 m以上，場(chǎng)地位于喀斯特侵蝕剝蝕中山區(qū)，其埋深85～210 m。地勘報(bào)告顯示，工程開挖范圍內(nèi)主要地層巖性為灰?guī)r，局部夾粉砂巖，場(chǎng)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，無較大規(guī)模斷裂構(gòu)造，節(jié)理裂隙較為發(fā)育。

該工程開挖方式與圖1所示基本一致。在其左側(cè)導(dǎo)洞（以開挖方向?yàn)閰⒖迹┌磧?yōu)化調(diào)整后的布設(shè)方式（圖2的方式）進(jìn)行TSP數(shù)據(jù)采集，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及結(jié)果解譯。其探測(cè)結(jié)果對(duì)比見表1。

表1 探測(cè)結(jié)果對(duì)比

上述結(jié)果對(duì)比后續(xù)實(shí)際開挖情況顯示，結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)情況基本一致。由此可見，左右兩側(cè)導(dǎo)洞的地質(zhì)情況明顯有所不同，因此，以左側(cè)導(dǎo)洞的探測(cè)結(jié)果為參考，推斷右側(cè)導(dǎo)洞地質(zhì)情況的常規(guī)探測(cè)方法是不可取的。另一方面，也印證了優(yōu)化調(diào)整過的TSP探孔布設(shè)和數(shù)據(jù)處理方法在巨跨地下隧洞超前探測(cè)上的可行性及其優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié)語

隨著地下工程建設(shè)的高速發(fā)展，超大跨度地下工程建設(shè)還將得到更廣泛的推廣，跨度在40 m以上的巨跨地下隧洞必然會(huì)越來越多，這對(duì)巨跨地下隧洞在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中的探測(cè)精度及探測(cè)效率也提出了更高的要求，本文對(duì)常規(guī)的TSP探測(cè)方法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使其在跨度40 m以上巨跨地下隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施中，具備探測(cè)范圍廣、精度高，探測(cè)效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)，在今后的類似工程建設(shè)過程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際合理布置、使用，必將使TSP探測(cè)在巨跨地下隧洞建設(shè)應(yīng)用中達(dá)到更佳的效果。