曹小軍，王 萌

(1.中國(guó)中鐵一局集團(tuán)有限公司，西安 710054;2.北京市八一中學(xué)，北京 100080)

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)在水平層狀砂泥巖黃土地區(qū)的應(yīng)用

曹小軍1，王 萌2

(1.中國(guó)中鐵一局集團(tuán)有限公司，西安 710054;2.北京市八一中學(xué)，北京 100080)

采用TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧道工作面前方100～200 m范圍內(nèi)的圍巖變化情況，為后續(xù)的施工提供參考。本文把TSP系統(tǒng)在太中銀鐵路魏家樓隧道不良地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)中的結(jié)果同開挖結(jié)果進(jìn)行比較，說明TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，確保了隧道的施工安全。

TSP系統(tǒng) 破碎帶 砂泥巖 老黃土

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)近年來在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。隧道在開挖的過程中，可對(duì)掌子面前方巖性進(jìn)行比較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，能有效防止發(fā)生工程事故，加快工程進(jìn)度，同時(shí)也能減少工程造價(jià)。

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。在設(shè)計(jì)的震源點(diǎn)(通常在隧道的左邊墻或右邊墻，大約24個(gè)炮點(diǎn))用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生地震波。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性變化等)時(shí)，一部分地震信號(hào)反射回來，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的地震檢波器接收。數(shù)據(jù)通過TSP win軟件處理，便可了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等)、位置和規(guī)模。

1 工程概況

太中銀鐵路魏家樓1號(hào)隧道、魏家樓2號(hào)隧道、魏家樓3號(hào)隧道位于陜西省橫山縣魏家樓鎮(zhèn)境內(nèi)，魏家樓1號(hào)隧道全長(zhǎng)808 m;魏家樓2號(hào)隧道全長(zhǎng)823 m;魏家樓3號(hào)隧道全長(zhǎng)808 m;魏家樓1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)隧道通過陜北黃土高原，溝壑縱橫，地形起伏，沖溝發(fā)育;隧道所在范圍內(nèi)地層巖性為：上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土、中更新統(tǒng)風(fēng)積層老黃土及沖洪積層、細(xì)圓土、下伏三疊系上統(tǒng)砂巖夾泥巖;隧道通過的基巖主要以泥巖夾砂巖，產(chǎn)狀平緩，基本為水平層理，泥巖、砂巖互層，薄層至厚層不等，節(jié)理發(fā)育，泥質(zhì)膠結(jié)，呈碎塊狀，壓碎、鑲嵌結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生掉塊、坍塌。

1.1 水平層狀砂泥巖淺埋段探測(cè)案例

1.1.1 地質(zhì)預(yù)報(bào)情況

在掌子面 DK331+931處施作TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，接收器位置在 DK331+876，設(shè)計(jì)為 24個(gè)炮點(diǎn)，1個(gè)接收器(檢波器)接收;本次探測(cè)接收器耦合良好，TSP觀測(cè)系統(tǒng)符合要求，裝藥量為100 g，系統(tǒng)記錄了22炮有效數(shù)據(jù)，本次檢測(cè)采用的設(shè)備為 TSP203，原始記錄數(shù)據(jù)見圖1～圖3，圖4為經(jīng)過后處理得出的2D成果顯示及巖石力學(xué)參數(shù)曲線。

圖1 檢波器原始記錄

1.1.2 推測(cè)的預(yù)報(bào)結(jié)論

1)DK331+931—DK331+963(32 m)范圍內(nèi)巖性為弱風(fēng)化砂巖夾泥巖，巖體強(qiáng)度較掌子面巖體強(qiáng)度有明顯的降低趨勢(shì)，巖體破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，強(qiáng)烈建議加強(qiáng)初期支護(hù)工作。

2)DK331+963—DK331+993(30 m)范圍內(nèi)巖性分析為弱風(fēng)化砂巖夾泥巖，巖體強(qiáng)度與掌子面巖體強(qiáng)度基本一致，巖體較破碎，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，建議加強(qiáng)初期支護(hù)工作。

3)DK331+993—DK332+051(58 m)范圍內(nèi)巖性分析為弱風(fēng)化砂巖夾泥巖，巖體強(qiáng)度與掌子面巖體強(qiáng)度有所升高，巖體較破碎～較完整，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，建議加強(qiáng)初期支護(hù)工作。

根據(jù)二維視圖分析，隧道掌子面前方DK331+931～DK331+963段32 m范圍內(nèi)巖體強(qiáng)度明顯降低，應(yīng)予以高度重視，強(qiáng)烈建議加強(qiáng)初期支護(hù)工作。

1.1.3 開挖驗(yàn)證

隧道掘進(jìn)至DK331+993時(shí)，掌子面后方30 m以外，DK331+963—DK331+993段拱部初期支護(hù)出現(xiàn)開裂、掉塊等現(xiàn)象，安全員立即通知洞內(nèi)作業(yè)人員以及相關(guān)機(jī)械設(shè)備立即撤離出隧道，隨后立即組織人力、物力、機(jī)械設(shè)備對(duì)該段初期支護(hù)進(jìn)行加固;DK331+963—DK331+993開挖后的地質(zhì)素描顯示該段為弱風(fēng)化砂巖夾泥巖，水平層狀，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

后來根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙以及地表探勘，確定該段為淺埋段，該段拱部以上1 m范圍以外為強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖，隨著時(shí)間的推移，拱部發(fā)生了較大的沉降，這是導(dǎo)致初期支護(hù)開裂的主要原因;在本次處理當(dāng)中未發(fā)生人員和設(shè)備的損失，由于提前預(yù)知了地質(zhì)情況，起到了一定的預(yù)警作用。

1.1.4 預(yù)報(bào)結(jié)論分析

從二維視圖成果顯示及巖石力學(xué)參數(shù)曲線可以看出，在DK331+963—DK331+993(30 m)范圍內(nèi)的(縱波、橫波波速、密度。動(dòng)態(tài)楊氏模量的巖石力學(xué)曲線都呈階梯狀下降趨勢(shì)，表明該段巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。

圖2 檢波器線性頻譜圖

圖3 縱波提取的反射層

圖4 2D成果顯示及巖石力學(xué)參數(shù)曲線

1.2 水平層狀砂泥巖黃土過渡地段探測(cè)案例

1.2.1 地質(zhì)預(yù)報(bào)情況

在掌子面 DK331+192處施作TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，接收器位置在 DK331+145，設(shè)計(jì)為 24個(gè)炮點(diǎn)，1個(gè)接收器(檢波器)接收;本次探測(cè)接收器耦合良好，TSP觀測(cè)系統(tǒng)符合要求，裝藥量為100 g，系統(tǒng)記錄了15炮有效數(shù)據(jù)。原始記錄數(shù)據(jù)見圖5～圖7，圖8為經(jīng)過后處理得出的2D成果顯示及巖石力學(xué)參數(shù)曲線。

圖5 檢波器原始記錄

1.2.2 推測(cè)的預(yù)報(bào)結(jié)論

1)DK331+192—DK331+228(36 m)范圍內(nèi)巖性為弱風(fēng)化砂巖夾泥巖，巖體強(qiáng)度與掌子面巖體強(qiáng)度基本一致，巖體較破碎，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，建議加強(qiáng)初期支護(hù)工作。

2)DK331+228—DK331+315(87 m)范圍內(nèi)巖性分析為弱風(fēng)化砂巖夾泥巖，巖體強(qiáng)度較掌子面巖體強(qiáng)度高一些，巖體較破碎，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，建議加強(qiáng)初期支護(hù)工作。

圖6 檢波器線性頻譜圖

圖7 縱波提取的反射層

圖8 2D成果顯示及巖石力學(xué)參數(shù)曲線

3)DK331+315—DK331+330(15 m)范圍內(nèi)巖性分析為弱風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥巖，巖體強(qiáng)度較掌子面巖體強(qiáng)度有所下降，巖體破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，建議加強(qiáng)初期支護(hù)工作。

4)DK331+330—DK331+345(15 m)范圍內(nèi)巖性分析為強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥巖、老黃土過渡段，巖體強(qiáng)度較掌子面巖體強(qiáng)度有大幅度下降，巖體破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，建議加強(qiáng)初期支護(hù)工作。

根據(jù)二維視圖分析(圖8)，隧道掌子面前方DK331+315—DK331+345段30 m范圍內(nèi)巖體強(qiáng)度明顯降低，應(yīng)予以高度重視，強(qiáng)烈建議加強(qiáng)初期支護(hù)工作，確保隧道施工安全。

1.2.3 開挖驗(yàn)證

隧道掘進(jìn)至DK331+320時(shí)，巖體強(qiáng)度大幅度降低，掌子面為強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖互層，隧道掘進(jìn)至DK331+340時(shí)，掌子面出現(xiàn)老黃土，及時(shí)地加強(qiáng)了該段初期支護(hù)工作，確保了隧道的施工安全。

1.2.4 預(yù)報(bào)結(jié)論分析

從二維視圖成果顯示及巖石力學(xué)參數(shù)曲線可以看出，在DK331+315—DK331+345(30 m)范圍內(nèi)縱波、橫波波速、密度。動(dòng)態(tài)楊氏模量的巖石力學(xué)曲線都呈階梯狀下降趨勢(shì)，表明該段巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，為弱風(fēng)化砂泥巖、強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖、黃土的過渡段。

2 結(jié)語

在地質(zhì)預(yù)報(bào)后處理分析解析過程當(dāng)中，波速是最重要和最直接的參數(shù)之一，其余的巖石力學(xué)參數(shù)都是根據(jù)波速用經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)得出(密度、動(dòng)態(tài)楊氏模量、靜態(tài)楊氏模量、泊松比、縱橫波速比值、拉梅系數(shù)、體積模量、剪切模量)，不同的巖石由于物理性質(zhì)的不同，地震波傳播速度不同;一般情況下變質(zhì)巖和火成巖的速度大于沉積巖的速度，沉積巖中石灰?guī)r的波速大于頁巖的速度，頁巖的速度大于砂巖的速度，砂巖的速度大于水中的速度，水中的速度大于空氣中的速度。同一種巖體的速度波動(dòng)較大，這是受巖石的強(qiáng)度、節(jié)理發(fā)育程度、風(fēng)化程度等等因素的影響。

目前TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)能夠提前提供隧道前方和周邊的巖石力學(xué)參數(shù)，經(jīng)過資料解釋，得出不良地質(zhì)體的位置和范圍。但是要想提高TSP探測(cè)的準(zhǔn)確性，還必須在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)采集到高信噪比的原始數(shù)據(jù)，并結(jié)合物探解析資料和隧道區(qū)域地質(zhì)概況判定，不斷在實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高探測(cè)的準(zhǔn)確性。

［1］張玉芬.反射波地震勘探原理和資料解釋［M］.北京：地質(zhì)出版社，2006.

［2］單娜琳，程志平，劉云禎.工程地震勘探［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

［3］李錄明，李正文.地震勘探原理、方法和解釋［M］.北京：地質(zhì)出版社，2005.

［4］周大勇.向莆鐵路巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)［J］.鐵道建筑，2010(4)：56－58.

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U452.1+1

B

1003-1995(2011)03-0051-03

2010-11-20;

2010-12-25

曹小軍(1981— )，男，陜西大荔縣人，工程師。

(責(zé)任審編 王 紅)