鄒 偉，雪飛勝，沈進喜

(湖南中大設計院有限公司，湖南長沙410075)

TSP203超前地質(zhì)預報系統(tǒng)在客運專線高風險隧道中的應用*

鄒 偉，雪飛勝，沈進喜

(湖南中大設計院有限公司，湖南長沙410075)

客運專線中存在較多的長大隧道，其隧道斷面大、埋深大，在地質(zhì)情況復雜的地區(qū)給隧道施工帶來安全隱患，因此，在隧道施工中開展超前地質(zhì)預報工作十分有必要。本文基于TSP203技術在滬昆客專某隧道進行了超前地質(zhì)預報，對掌子面前方的地質(zhì)情況作出了較為精準的預測，為指導隧道施工提供了可靠的依據(jù)，保證了隧道施工的安全。

隧道超前預報;TSP203;隧道施工;巖溶

根據(jù)國家《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》以及京津城際、武廣、京滬等高速鐵路的開通，標志著我國已全面進入高鐵時代，擁有世界上最龐大的高鐵網(wǎng)絡?？瓦\專線設計時速一般為250～350km/h，對勘察、設計、施工以及管理帶來了空前的挑戰(zhàn)。就目前已開通和在建的線路來看，其中橋梁和隧道的比重占整個線路里程較大，尤其是地質(zhì)條件十分復雜的長大隧道往往成為關鍵控制性工程。由于隧道施工速度越來越快，隧道埋深也越來越大，因此有效的探明掌子面前方的地質(zhì)情況，關系到施工安全、質(zhì)量以及進度的保證。目前利用物探進行超前地質(zhì)預報的方法較多，有地質(zhì)雷達法、瑞雷面波法、聲波法、TSP法等，大量的實踐證明［1－4］，TSP法是一種預報精度較高、技術成熟使用的物探方法，在目前客運專線建設中被廣泛采用。

一、TSP203預報系統(tǒng)的原理與特點

TSP－203系統(tǒng)就是專門為隧道超前地質(zhì)預報所設計，它能長距離預報隧道施工前方的地質(zhì)變化:如斷層破碎帶、軟弱巖層及其他不良地質(zhì)地段，其準確預報范圍為掌子面前方100～150m。TSP是一種用微量炸藥爆破產(chǎn)生地震波進行隧道地質(zhì)超前預報的技術，工作原理示意圖如圖1所示。其基本工作方法是沿平行隧道軸線方向在隧道側(cè)壁布置觀測系統(tǒng)，在炮孔中用炸藥人工激發(fā)地震波，地震波向隧道掌子面前方傳播，當遇到巖石彈性不同的分界面時，例如巖層分界面、斷層和巖溶等，就發(fā)生反射。再由專門的傳感器記錄地震信號，通過軟件分析地震信息，從而推斷和解釋掌子面前方地質(zhì)構造形態(tài)及圍巖的力學物理參數(shù)。TSP203技術相比其他物探技術而言，具有使用范圍廣、預報距離長、準確率高、對隧道工地干擾小以及提交成果及時等特點［5］。

二、工程地質(zhì)概況

本隧道為一特長隧道，位于在建滬昆客運專線云南段，全長14800m，最大埋深為750m。該段隧道洞身差主要穿越可溶巖地段，構造發(fā)育，主要穿過楊梅山－小達村斷層、發(fā)伍多－東鋪斷層、迤后所－羊洞斷層，大落沖斷層(F1)、(F2)和(F3)斷層，巖體破碎，富水或存水，施工中易產(chǎn)生坍方、掉塊及涌水涌泥等情況，風險評估為Ⅰ級風險隧道。本次采用TSP203方法對本隧道中地質(zhì)勘探巖性變化急劇，存在可溶巖以及夾煤層等不良地質(zhì)段的地質(zhì)情況進一步的探明，以便及時掌握和反饋隧道掌子面前方的地質(zhì)情況，調(diào)整防護措施，為優(yōu)化隧道施工組織、制定施工安全應急預案提供依據(jù)。勘探地質(zhì)情況如圖2所示，圖中P1q為灰?guī)r，強風化層，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，屬Ⅳ級軟石;P1l為砂巖、泥頁巖夾煤層，薄至中厚層狀，質(zhì)軟易風化，煤線厚度一般小于0.4m;C3mp為灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r、泥巖，中厚層狀，塊狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，屬Ⅳ級軟石;C2hn為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，中厚層狀，塊狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，致密質(zhì)堅性脆。

圖1 TSP法工作原理示意圖

圖2 勘探地質(zhì)情況

三、數(shù)據(jù)采集與分析處理

本次TSP203預報的地震波接收器里程位置在PDK979+120，掌子面里程位置為PDK979+187，設計為24炮，2個接收器接收。通過試驗，確定采用藥量為75ɡ乳化炸藥。數(shù)據(jù)采集時采用X－Y－Z三分量接收，采樣間隔62.5μs，記錄長度451.125ms。實際激發(fā)24炮，所記錄的23炮合格，可用于數(shù)據(jù)處理和解釋。

現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)采用TSPwim專用軟件進行處理，TSPwin軟件主要由數(shù)據(jù)庫、處理、計算反射界面三部分組成。① 數(shù)據(jù)庫:編輯現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)和定義觀測系統(tǒng)。② 處理:對原始數(shù)據(jù)進行放大、能量均衡、濾波等流程的處理。③ 計算反射界面:在波形處理后，從地震波形記錄中拾取縱波波至和橫波波至，根據(jù)爆炸點與檢波器的距離可分別計算各段圍巖的縱波速度vp和橫波速度vs。vp和vs值的大小綜合反映了圍巖的物理力學性質(zhì)，根據(jù)vp和vs值可直接計算動力學參數(shù)，即計算動彈性模量Ed、動剪切模量Gd和泊松比μd，計算式如下:

其中，ρ為圍巖的密度。

根據(jù)繞射重疊法原理(與常規(guī)地震反射資料處理中偏移流程的原理類似)計算反射界面與隧道的相對位置，即與隧道軸線的交角或至掌子面的距離。最后根據(jù)TSP法的原理和工作經(jīng)驗，把距離隧道軸線近、能量大的反射波組判釋為圍巖異常區(qū)，并綜合地震波速、反射波相位、泊松比和動態(tài)楊氏模量等參數(shù)對圍巖異常區(qū)的類別進行劃分。

四、預報成果與實際開挖情況對比

(一)預報成果解譯

TSP203系列的主要成果包括:三波速度剖面圖、三波速度偏移剖面圖、三波反射層提取剖面圖、物理力學參數(shù)與二維、三維推斷分析圖［6］。解釋原則如下所述:① 泊松比高說明有流體存在，縱波波速低說明有裂隙存在;②S波反射能量強，P波反射能量弱，說明有流體存在;③ S波反射能量弱，P波反射能量強，說明有裂隙存在;④反射波為正相位時，說明圍巖由軟弱巖層進入堅硬巖層;⑤ 反射波為負相位時，說明圍巖由堅硬巖層進入軟弱巖層;⑥當泊松比大于0.28或VP/VS突然增大時，前方地質(zhì)情況為有水或圍巖較破碎;⑦ 當靜態(tài)楊氏模量大于30時，石質(zhì)堅硬，反之，石質(zhì)較軟;⑧ 當反射界面較多且靜態(tài)楊氏模量和泊松比變化頻繁，幅度較大時，圍巖為破碎帶，若為負反射振幅時，圍巖為軟弱破碎帶。圖3為預報結果的二維視圖。

圖3 預報成果2D圖

TSP資料的解釋應該緊密結合施工設計資料及現(xiàn)場的地質(zhì)記錄，以現(xiàn)有的地質(zhì)資料指導資料的解釋，再根據(jù)TSP203的解譯原則以及對TSP203原理的理解的基礎上對預報進行解釋。其思路如下:首先利用P波速度對圍巖破碎的敏感性，預報構造破碎帶。斷層破碎帶、斷層群或密集節(jié)理帶，由于結果面發(fā)育，巖土松散、破碎而具有較差的力學性質(zhì)，P波波速較之兩側(cè)圍巖要低得多。其次利用SH波和SV波速度對充水地質(zhì)體的敏感性，預報充水地質(zhì)體。當巖石空隙空間充滿水時，含水巖石更容易壓縮，因此，P波可以通過巖石基質(zhì)和空隙中的流體來傳播，但速度一般要降低，而橫波只通過巖石基質(zhì)而很難通過空隙間的流體而傳播(橫波速度趨近于零)，故，相對于P波波速降低量來說，SH波和SV波波速降低得更多。第三綜合考慮三波反射層剖面圖以及三波能量參數(shù)對劃分結果進行分析驗證。本次預報的結果如下:①PDK979+187～PDK979+220段:圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶中等發(fā)育，存在溶蝕裂隙、軟弱夾層，中等富水，存在突泥、突水的可能，特別注意PDK979+198～PDK979+212，防止涌水，坍塌等情況發(fā)生;②PDK979+220～PDK979+265段:圍巖較破碎～破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在軟弱夾層、弱富水;③PDK979+265～PDK979+297段:圍巖破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖溶中等發(fā)育，其中PDK979+270～PDK979+280段存在溶洞、軟弱夾層或溶蝕裂隙、富水。由于本段地質(zhì)條件復雜，提高預報精度，此次預報距離為掌子面前方110m。

(二)實際開挖情況

①PDK979+187～PDK979+200段，圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，在開挖過程中掌子面有滲水現(xiàn)象;PDK979+200～PDK979+220段，圍巖極破碎，存在大量溶蝕裂隙，且裂隙水十分發(fā)育，隧頂及掌子面有大量出水現(xiàn)象，施工單位提前做好了防排水措施，但未見較大的溶洞出現(xiàn)，與預報結果相符。

②PDK979+220～PDK979+265段，圍巖相對轉(zhuǎn)好，但存在軟弱夾層，巖體局部破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，有少量裂隙水，但未見與地質(zhì)勘探結果中的煤線。由于TSP不能對煤層有較好的判別，因此本段TSP預測結果吻合較好。

③PDK979+265～PDK979+297段，圍巖破碎程度較高，存在大量的軟弱夾層，弱富水，由于提前做好了防排水措施，對施工影響不大;其中在PDK979+278附近，發(fā)現(xiàn)一寬度約為0.5m溶蝕裂隙，由于隨著掌子面的開挖裂隙水大量排出，對施工影響較小。與預測結果吻合，但與前期地質(zhì)勘探的巖性判斷有所出入。這是因為地質(zhì)勘探由于其精度所致，難免有所出入，而TSP203對于掌子面前方100～150m的圍巖破碎情況、斷層以及是否有水等預報較為精準。

五、結論

(1)此次運用TSP203技術成功的對地質(zhì)條件比較復雜的地段進行了預報，施工單位根據(jù)預報的結果，提前做好了防止措施，減少了施工時的風險，保證了施工人員以及隧道的安全。

(2)由于前提地質(zhì)勘探工作的精度限制，對于一些比較復雜的地質(zhì)無法做出比較詳細的判定，而TSP203技術作為中長期預報手段，其預報成果可以直接指導隧道的施工，對隧道的施工方案和施工措施的選擇，能夠提供積極的指導性建議。

(3)TSP技術作為一種物探方法，其預報的準確度與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及預報人員的工作經(jīng)驗息息相關，只有根據(jù)不同的地質(zhì)條件不斷積累經(jīng)驗，才能使預報更接近事實。同時，由于地下工程的隱蔽性以及物探的間接性與多解性，采用多種物探手段綜合預報是以后客運專線隧道超前地質(zhì)預報的發(fā)展趨勢。

［1］李堅.TSP法在鐵路客專專線隧道超前地質(zhì)預報工作中的應用前景［J］.鐵道勘察，2005，31(6):45－49.

［2］劉新榮，祝云華，陳金華，等，高壓富水區(qū)隧道超前地質(zhì)預報應用研究［J］.地球物理學進展，2008，23(4):1304 －1309.

［3］宋先海，顧漢明.我國隧道地質(zhì)超前預報技術評述［J］.地球物理學進展，2006，21(2):598 －604.

［4］Dickmann T，Sander B K.Drivage concurrent tunnel seisimic prediction(TSP) ［J］.Felsbau，1996，14(6):406 －411.

［5］胡輝榮，于貴.TSP203plus超前地質(zhì)預報系統(tǒng)在高竹頂隧道斷層中的應用［J］.鐵道工程學報，2011，(5):1 －4.

［6］劉志剛，凌宏億，俞文生.隧道隧洞超前地質(zhì)預報［M］.北京:人民交通出版社，2011.

2012－02－28

鄒偉(1986－)，男，湖南益陽人，碩士。