TSP203在隧道超前地質預報中的應用

賈光輝 管仁杰 李沼霏

(中鐵十六局集團第四工程有限公司,北京 101400)

0 引言

使用隧道地質超前預報系統(tunnel seismic prediction,TSP)203進行超前地質預報工作,是現階段在隱蔽工程及隧道超前地質預報工作中比較成熟的作業方式,可以有效準確地預報掌子面前長距離范圍內的地質情況,能為后續施工以及變更施工工藝提供數據支持和參考。

1 工程概況

中鐵十六局集團有限公司承建的太錫鐵路太子城至崇禮段工程,位于河北省張家口市崇禮區,南起崇禮鐵路太子城站,北迄崇禮區大夾道溝村崇禮站,太錫鐵路作為冬奧會的配套工程,必須于2021年底奧運賽事開始之前完成聯調聯試通車工作,時間緊任務重。該標段測區里程為DK53+035.74～DK68+900,正線全長15.864 km。其中和平隧道DK53+035.74～DK61+980,全長8.944 km。崇禮隧道DK62+310～DK67+800,全長5.490 km。根據施工圖紙和指導性施工組織設計,兩座隧道共設10個斜井(或橫洞),全長6.164 km;支洞9處,全長0.470 km,共計23個作業面同時施工。施工區域地形起伏較大,標高在1 100～2000 m之間,溝壑發育,部分沖溝切割較深,地勢較陡峭,山體植被覆蓋率較高,局部泉水發育,施工難度大。為保證現場施工安全性,項目要求做超前地質預報,保證工程順利進行。

2 工作原理

TSP203設備采用的是回聲測量原理。當地震波傳達到不同物質時,部分發射的信號經過物質反射被設備回收采集,其余部分發射波信號將繼續進入前方其他介質。反射回來的地震波信號被地震檢波器全部接收。儀器采集收回的地震波波形特征將與之對應的地質形態有相對關聯,波形信號在人為處理后,可以提取出掌子面前方地質的泊松比、波速度、反射系數及其地質資料情況,通過數據就可預報掌子面前方不良地質的地質形態、大小、走向、缺陷類型等,以便達到地質超前預報的目的。TSP203設備在超前地質預報工作中大多由現場炮組、三維接收信號波的傳感器、三維接收信號波的接收機及后期數據處理軟件系統四部分組成(圖1)。

圖1 TPS203系統的方法原理與野外布設圖

3 現場條件及工作布置

3.1 TSP測量系統的布置和量測

根據隧道走向及巖層狀況可在左右邊墻位置任選一側進行采集,第一個激發孔應布置在掌子面10 m范圍內的邊墻上,下一個激發孔與上個激發孔間距不應小于1 m大于2 m布置,要注意激發孔應做到口部比根部高10～15 cm,孔深設置1.5 m左右,連續布置至少20個偶數激發孔。在最后一個激發位置向洞口方向量測20 m分別在左、右兩側布置好地震波信息接收孔,接受孔徑為50 mm,深度深于激發孔的最深深度。激發孔與接收孔基本保持在同一個高度上。待孔全部鉆好后需要對孔間距進行量測。鉆孔完成后應注意保護,防止塌孔。詳細布置如表1和圖2所示。

表1 炮孔和接收器孔布置參數表

圖2 炮孔和TSP接收器孔分布

3.2 爆破要求

(1)遵守《爆破安全規程》的規定。

(2)保證乳化炸藥與炮孔嚴密耦合,用水注滿引爆激發孔。

(3)接收器孔用方木等固定,測量過程隧道中避免其他振動源干擾。

3.3 現場檢測探測所需的時間規劃

(1)鉆工鉆激發孔、接收孔及清孔的時間：約4 h。

(2)埋設接收器設備連接測試：30 min。

(3)藥包的埋設時間：30 min。

(4)放炮及數據采集的時間：40 min。

(5)清理爆破后現場的時間：10 min。

現場單次TSP探測總時間：350 min。

3.4 資料整理與提交

(1)數據檢測的波幅應在每個激發孔爆破前單獨進行現場調節,如果數據采集異常需要補炮進行重新采集。

(2)采集完成后及時進行波場現場粗處理,提取出反射界面。

(3)提交地質預報報告,內容包括：TSP野外記錄表、原始曲線圖、地震P波時距曲線圖、二維解釋成果圖(包含速度、泊松比、動態楊氏模量參數)和地質解譯結果。

4 檢測數據與分析示例

4.1 測點位置

該次預報起始里程在H6DK0+153-H6DK0+033里程處,需要在H6DK0+223里程布置信號波接收孔,本次信號波接收孔距掌子面70 m。測線測點布置在隧道單側邊墻的水平線上從外向里布置24個炮孔,最后一孔需在左右兩側邊墻各布置一個接收器鉆孔(左右邊墻對稱共計2個),接收器鉆孔距第一個炮孔位置15 m,炮孔間距1.5 m,炮孔高度2 m,最后一個炮孔距檢測面距離12 m,如圖3所示。本次地震波數據采集需要激發24炮,每激發孔藥量為50 g乳化炸藥及雷管擊發器一套,其中有20炮產生的地震波參與計算。

圖3 TSP203測線布置示意圖

4.2 資料分析

資料處理流程如圖4所示。

圖4 資料處理流程圖

成果解釋應以設計單位探測結果為主結合現場地質素描及數據分析進行解譯,同時遵循以下原則：

(1)無反射界面表明圍巖情況基本無變化;正反射振幅較強時表明掌子面前方圍巖變完整或變硬。負反射振幅較強時表明掌子面前方圍巖變破碎或變軟。

(2)縱橫波波速及動態楊氏模量降低說明掌子面前方圍巖將變破碎或變軟;反之則表明掌子面前方圍巖變完整或變硬。

(3)泊松比增大表明地下水發育。

4.3 結論建議

本次預報里程范圍為H6DK0+153-H6DK0+033,由測量數據可分析得出該段圍巖巖性為花崗片麻巖,節理裂隙發育一般,弱風化,巖體從較破碎往完整發育,地下水一般發育、裂隙滲滴水或線狀出水,圍巖穩定性一般,容易發生易掉塊,局部易塌方。H6DK0+127-H6DK0+114段圍巖以弱風化為主,局部強風化,節理裂隙發育,巖體破碎,圍巖穩定性差,易塌方,H6DK0+114-H6DK0+106段局部破碎,圍巖穩定性一般,局部易塌方,相比較施工圖實際地質情況要略差。

5 在隧道施工中的特殊案例

TSP203設備在太錫鐵路隧道超前地質預報工作中提前多次發現預報特殊地質災害情況。2020年6月19日于和平隧道二號斜井準確預測掌子面前35 m處存在較大溶腔發育,腔體內裂隙水充盈,初步預算涌水量達150～500 m3,發現問題后立即通知現場停止作業,報告項目部,配合設計單位積極進行專項地質災害應急方案啟動及方案編輯實施。隨后嚴格按照方案進行得當處理,發現預報里程處確實存在地質災害,裂隙水極發育,引流處理后發現呈股狀噴射。完全統計后涌水量達670 m3。由于預報及時,為施工安全做出警示,處理得當。未造成人員傷亡。節約資金約60萬元。并獲得項目部質量安全先進工作小組的稱號,為公司樹立了良好的企業形象,受到各界領導及其他公司的稱贊。TSP203的優勢被展漏無疑,幫助我們高效完成作業,給公司帶來榮譽與效益。

6 結束語

隨著鐵路隧道的高速發展,在隧道開挖過程中,安全高效成為最主要的施工作業要求。TSP203設備通過現場實測的長期試驗與改進,克服了一個個難題,相比其他方式更加簡潔安全,能高效地進行超前地質預報工作,為安全施工保駕護航。該技術成熟，可成為地質預報工作中的主要技術設備。