TSP超前地质预报方法在隧道工程中的应用

公路隧道2011年第2期(总第74期)TSP超前地质预报方法在隧道工程中的应用郭彦刚白运郝霁昊(成都理工大学地球物理学院成都610059)摘要在隧道施工期地质超前预报中采用综合的预报方法对隧道开挖工作面前方地质条件(情况)进行及时准确的预报，TSP超前地质预报是目前应用最为广泛的长距离预报手段。本文主要从原理、数据采集和数据处理等方面进行了介绍，并结合工程实例分析说明其应用效果。关键词隧道施工超前地质预报TSP由于在隧道勘测设计阶段的地质工作量投入所该系统采用多波多分量高分辨率地震反射波限，勘察精度不够，使设计与实际不符的情况时有发法。地震波在设计的震源点用小量炸药激发产生。生，需要对复杂的地质情况作微观和定量的把握，另当地震波遇到岩石波阻抗差异界面(如断层、破碎带外人为作用(施工开挖)引起地质变化只有在施工期和岩性变化等)时，有一部分地震信号反射回来(图才能显现出来，所以在隧道施工期综合采用各种技1)，反射的地震信号将被高灵敏度的三分量加速度术、手段和方法对隧道开挖工作面前方地质条件(情地震传感器(检波器)接收并记录下来。由于接收的况)进行及时准确的预测，是提前采取预防措施、避地震波受到了掌子面前方围岩介质的改造，就带有免灾害的发生或在一定程度上减少因灾害造成的损与围岩构造、岩性等有关的信息：如反射波的传播速失、保证隧道施工安全的需要，是满足环境生态保护度、延迟时问、波形、强度和方向等。从地震记录中和安全生产的要求，也是质量控制管理中不可缺少提取这些信息，就有可能推断解释掌子面前方地质的一环。TSP方法目前广泛应用于隧道施工期地构造形态及围岩的力学物理参数。质超前预报中，该方法基于地震波在岩石介质中的TSP超前预报系统分数据采集系统和处理系传播特性，采用在隧道围岩以排列方式激发地震波统两部分。TSP采集系统由记录仪、接收仪和启爆的形式，在传播过程中遇到波阻抗面产生反射现象，装置等组成，通常要求采用两个接收仪，接收仪孔和通过信号采集系统接收反射信号，判断隧道掌子面爆破孔分别布置在掌子面附近两面的边墙上，一般前方反射层(断层、软弱夹层等)距隧道掌子面的距小于等于24个炮点。接收仪是用来接收地震信号离来进行隧道施工期地质超前预报。TSP法具有的仪器，安装在一个被水泥或两节环氧树脂夹固定适用范围广、超前预报距离较长、对隧道施工干扰在岩层上的管套里面。启爆装置是由一个常规的带小、探测时间短，一次完整的探测仅需45min、提交有发射回路的外部触发盒的爆破器组成。为确保采资料及时、经济等优点，适用于划分地层界线、查找集到的信号质量，提高预报效果，首先应确保有效炮地质构造、探测不良地质体的厚度和范围。孔的数量，严格按照TSP预报的几何参数对每个炮孔的深度、倾斜角度、炮孔间距与距地高度、距参考1TSP隧道超前地质预报系统原理点距离等进行误差校正；其次为确保地震波信号的及方法效果，应选取规定的引爆雷管及炸药等。套管的埋TSP(TunnelSeismicPrediction)是瑞士安伯设应力求与周围的介质紧密接触并且锚固剂的波阻格测量公司于20世纪9O年代初期研制开发的一套抗应和岩石介质的波阻抗尽可能相近，为防止钻孑L超前预报系统设备。是专门为隧道超前地质预报所底部出现未灌实的现象，锚固时应设排气管。设计，它能长距离预报隧道施工前方的地质变化：如采集的数据采用TSPwin专用软件进行处理，断层破碎带、软弱岩层及其他不良地质地段，其准确基本处理流程包括11个主要步骤，即：数据设置、带预报范围为掌子面前方100—150m，在坚硬岩层甚通滤波、初至拾取、拾取处理、炮能量均衡、Q估计、至可达200m。能够为隧道施工方提供可靠的地质反射波提取、纵横波分离、速度分析、深度偏移、提取资料，指导隧道安全施工。反射层。TSP不是采用走时曲线分析方法，而是采·3O· 郭彦刚，等TSP超前地质预报方法在隧道工程中的应用为坡残积层覆盖。根据设计资料，隧道区出露地层为新生界第四系全新统坡残积层、坡洪积层、瑶山群第一段等。隧道区位于深大断裂北侧的由一系列北西～南东向褶皱、断裂构成的新现～河口帚状构造中，处于龙古口～坝洒断裂与泥嘎～洞坪断裂间。场地测得岩石片理产状为64。～68。61。～64。，发育三组优势节理，各组节理隙面较平整，闭合～微张，在裂隙切割下，岩体以块碎状为主。隧址区地震基本烈度图1TSP探测原理图为VI度。用深度偏移成像的方法。在偏移成像之前进行二维隧址区地下水类型主要有松散堆积层孑L隙潜水Radon变换，利用视速度的差异，消除隧道走向近乎和基岩裂隙水两种。松散堆积层孔隙潜水主要赋存平行的反射界面，该方法对纵、横波P、SV、SH分别于坡残积层和坡洪积层中，接受降水的补给，顺地形进行处理。向坡下谷底及下卧岩层排泄，因地层透水性差，厚度处理的最终成果包括P波、SH波、SV波的时小，且补给有限，故水量贫乏。基岩裂隙水赋存于窑间剖面、深度偏移剖面，提取的反射层、岩石物理力山群第一段片麻岩的裂隙中，接收上覆松散层地下学参数等，以及显示掌子面前方与隧道轴线相交的水、降水及测向地下水的补给，水含量较大。反射同相轴及地质解译的二维或三维成果图。界面2．2掌子面地质描述反射波是以接收点为圆心，一系列的圆弧表示振幅掌子面(K132+894)出露褐黄色、灰白色片麻能量的强弱，蓝色与红色表示反射波相位的差异，其岩，主要矿物成分为长石、角闪石、石英，含少量云中颜色越深，表示振幅能量越强，反之，能量越弱，其母，呈砾状变晶片麻结构。节理、裂隙发育，结构松中弧顶位置能量最强，则其代表界面则是以该弧顶散，较破碎，含少量裂隙水。片理产状为64。62。。为切点的切线。岩性参数图中依次分别表示的是纵开挖后掌子面呈块碎状镶嵌结构，自稳性较差。波波速、纵横波速度比、泊松比及岩石密度；二维成2．3预报结果果图由俯视图和仰视图组成，三角符号代表的是通采集的TSP数据，通过TSPwin软件进行处过纵波提取的，灰色部分为掌子面至检波器段的隧理，获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移道示意图。剖面和反射层提取以及岩石物理及力学参数等成果通过分析反射波速，即可进行时深转换。由隧(图2、图3、图4)。预报距离为100m(即K132+道轴的交角及洞面的距离来确定反射层所对应界面894～K132+794)的空间位置和规模，在成果解释中，以P波资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释。解释中，遵循以下准则：①正反射振幅表明岩层变硬，负反射振幅表明岩层变软；负反射与正反射的组合表明该位置有断裂(断层)。②若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。③Vp／Vs增加或6突然增大，常常由于流体的存在而引起。④若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。图2P波深度偏移剖面2TSP在隧道工程中的应用在成果解释中，以P波资料为主对岩层进行划2．1工程地质概况分，结合横波资料对地质现象进行解释。解释成果隧道区属剥蚀性构造中山地貌，位于山地向河如下(分成4段：K132+894～Kl32+881段、K132谷的过渡带上，隧道穿越一近南北向山梁，进出口均+881K132+855段、K132+855~K132+825段·31· 公路隧道2011年第2期(总第74期)碎，节理、裂隙面结合差，呈碎裂结构，含少量裂隙水，自稳性差。围岩纵波速度Vp一3800m／s，密度．0—2．43g／cm3，杨氏模量E一3GPa。围岩级别为Ⅳ级。K132+825K132+794(31m)段隧道围岩为浅埋弱风化片麻岩，较坚硬。节理、裂隙较发育，岩体较破碎，块碎状结构，含少量裂隙水，自稳性较差。围岩纵波速度vp一3900，密度p一2．45g／cm。，杨氏模量E一8GPa。围岩级别为Ⅳ级偏强。建议在预报范围内按Ⅳ级围岩进行施工，在开图3提取的反射层挖时应弱爆破，避免强烈扰动围岩，注意拱顶和侧壁的稳定性。随后的施工中发现，地质预报结果和实际状况较为吻合。3结语TSP超前地质预报法尤其适用于对掌子面前方不整合接触带、断层破碎带等界面差异性进行探测和判定。要求岩性界面的倾角应大于35。，构造走向与隧道轴线的夹角大于45。。通过TSP超前预报，能够及时了解掌子面前方的地质情况，为隧道施工和及时地调整支护参数提供依据，有效控制了地质事故的发生，降低成本，提高隧道掘进进度，将风险降低到最小。TSP方法的局限性在于探测成果的多解性，在探测成果图中，断层、节理、软弱岩层界面或其他界面，都以相近异常带的形式出现，差别甚小。将地质综合分析贯穿到长期、中期、短期和临兆图4岩性参数图及二维成果图超前地质预报4个阶段中，实行地质、物探、钻探三和K132+825～K132+794段，其中围岩较差的是结合，优化物探组合，采用综合的预报方法才能取得K132+894～K132+881段和K132+855～K132最佳的预报效果。+825段)：K132+894～K132+881(13m)段隧道围岩为参考文献浅埋强风化片麻岩，较软。节理、裂隙发育，岩体破[1]赵永贵，刘浩，孙宇，等．隧道地质超前预报研究进碎，节理、裂隙面结合差，呈碎裂结构，含少量裂隙展[J]．地球物理学进展，2003，(18)：460—464．水，自稳性差。围岩纵波速度==：3710m／s，密度』0[2]何振起，李海，梁彦忠．利用地震反射法进行隧道施—2．42g／cm。，杨氏模量E=4GPa。围岩级别为Ⅳ工地质超前预报口]．铁道_T程学报，2000，(4)：81—85．级。E3J交通部重庆公路科学研究所．JTJ04294，公路隧道施K132+881K132+855(26m)段隧道围岩为工技术规范[S]．北京：人民交通出版社，1995．浅埋弱风化片麻岩，较坚硬。节理、裂隙较发育，岩[4]王俊茹．工程与环境地震勘探技术[M]．北京：地质出体较破碎，块碎状结构，含少量裂隙水，自稳性较差。版社，2001．围岩纵波速度Vp一3900m／s，密度．0—2．44g／cm。，[5]刘志刚，赵勇．隧道隧洞施_【地质技术[M]．北京：中杨氏模量E一6GPa。围岩级别为Ⅳ级偏强。国铁道出版社，2001．K132+855～K132+825(30m)段隧道围岩为[6]孙广忠．工程地质与地质工程[M]．北京：地震出版社，浅埋强风化片麻岩，较软。节理、裂隙发育，岩体破]993．·32·