陳 劍，吳 立，2，徐昌茂，2，袁 青，鄧 星

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢 430074;2.巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，湖北武漢 430074)

高速鐵路隧道工程地質(zhì)條件復(fù)雜，災(zāi)害源多、開挖斷面大及施工工序復(fù)雜等顯著特點(diǎn)決定了高速鐵路隧道開挖具有高風(fēng)險(xiǎn)性。在隧道開挖過(guò)程中，由于對(duì)開挖面前方地質(zhì)體特性認(rèn)識(shí)的不足而引起的各類工程事故不計(jì)其數(shù)［1-2］。為減少隧道開挖過(guò)程中的盲目性，加強(qiáng)對(duì)掌子面前方圍巖地質(zhì)情況的掌握和監(jiān)控，已開發(fā)出諸多超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，如地質(zhì)調(diào)查、超前鉆探、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)和彈性波探測(cè)等。在眾多的預(yù)報(bào)手段中，TSP作為當(dāng)今較為成熟的中長(zhǎng)期地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，自1994年應(yīng)用至今，在國(guó)內(nèi)外各類工程中進(jìn)行了上千次富有成效的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益［3］。本文介紹TSP的基本原理，總結(jié)其解譯原則和注意事項(xiàng)。并結(jié)合滬昆客專轎頂坡隧道工程實(shí)例，將TSP探測(cè)結(jié)果與隧道開挖情況進(jìn)行對(duì)比，以期為同類工程施工提供借鑒。

1 TSP的基本原理

TSP和其它反射地震波法一樣，采用了回聲測(cè)量原理。地震波在指定震源點(diǎn)用小藥量激發(fā)產(chǎn)生，震源點(diǎn)通常布置在離不良地質(zhì)體較近的一側(cè)邊墻，一般18～24個(gè)炮點(diǎn)布成一條直線，接收點(diǎn)和炮點(diǎn)在同一水平面(如圖1所示)。地震波以球面波的形式在巖體中傳播，一部分向接收器方向前進(jìn)形成直達(dá)波，TSP以直達(dá)波作為計(jì)算波速的依據(jù)。一部分沿掌子面前方繼續(xù)傳播，當(dāng)遇到巖石物性界面如斷層破碎帶、溶洞、暗河、巖溶陷落柱、不同巖性接觸面等不良地質(zhì)界面時(shí)，一部分地震信號(hào)將反射回來(lái)，一部分折射進(jìn)入前方巖體。反射地震信號(hào)將被1～2個(gè)高靈敏度的三分量(X，Y，Z方向)檢波器接收，反射信號(hào)的傳播時(shí)間和到反射界面的距離成正比，由此可確定界面的位置［4］。反射波的能量大小、波形及傳播速度與相關(guān)地質(zhì)界面的性質(zhì)和產(chǎn)狀密切相關(guān)，因而可以判斷出探測(cè)范圍內(nèi)各種地質(zhì)體的性質(zhì)和規(guī)模。通過(guò)TSPwin軟件處理，可以獲得P波、SH波、SV波速度剖面圖，能量深度偏移圖，反射層提取圖，巖石物理力學(xué)參數(shù)和二維推斷分析圖以及反射層在探測(cè)范圍內(nèi)的空間分布［5］。

圖1 TSP原理示意

2 地質(zhì)概況

2.1 地貌與地層

隧道地貌類型單一，為構(gòu)造侵蝕溶蝕低山—丘陵溝谷地貌，山脊走向大致呈北東—南西向。沿線自然坡度 25°～37°，局部為55°以上的陡崖。

除大部分平緩斜坡表層有少量第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Qel+dl4)外，大部分地段基巖裸露，基巖主要為寒武系中下統(tǒng)碳酸鹽巖組。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧道通過(guò)地段基本處于以元古界板溪群五強(qiáng)溪組(Ptbnwl)為核部，震旦系—寒武系地層為翼部的新晃復(fù)背斜的西北翼。地層基本為單斜巖層，整體傾向西北，產(chǎn)狀較為半緩。

隧道區(qū)有多條斷裂帶通過(guò)，斷層破碎帶巖體破碎，結(jié)構(gòu)松散，透水性強(qiáng)，圍巖自穩(wěn)能力差。洞身分布的斷層角礫結(jié)構(gòu)松散，易塌方、涌水，對(duì)隧道施工有一定影響。

2.3 水文地質(zhì)特征

隧道區(qū)斷裂破碎帶發(fā)育，平面延伸長(zhǎng)，切割錯(cuò)動(dòng)地層，長(zhǎng)期接受大氣降水和地下水的下滲補(bǔ)給，含水量豐富。但隧道區(qū)斷層為壓扭性，破碎帶內(nèi)巖石膠結(jié)較好，裂隙寬度較小，使其富水性和透水性不均勻。

3 實(shí)例分析

3.1 TSP203觀測(cè)系統(tǒng)的布置

本次 TSP預(yù)報(bào)范圍為 DK418+649—DK418+769。根據(jù)前期勘察資料及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查分析，確定不良地質(zhì)體與隧道軸線的方位關(guān)系，并以此為據(jù)選取隧道進(jìn)口的右邊墻為探測(cè)壁。接收器里程為DK418+601，第一個(gè)炮點(diǎn)距接收器18 m，設(shè)置1排20個(gè)炮點(diǎn)，炮口均在同一直線上。炮點(diǎn)間距1.5m，孔深1.5m，孔徑42 mm，向下傾斜10°左右。接收器套管放入打好的孔中，套管與圍巖耦合良好，向上傾斜15°左右。把接收器放入套管內(nèi)，對(duì)好方向，接收信號(hào)線一端連接接收器，另一端連接記錄單元。將乳化炸藥、瞬發(fā)電雷管制成炸藥包(藥量75～100 g)，采用木制炮棍將炸藥包安放到位，起爆線一端連接雷管角線，另一端連接觸發(fā)盒。引爆前，炮孔用水充填，封住炮口。連續(xù)激發(fā)20炮，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最終結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 巖體物理性質(zhì)參數(shù)

圖3 二維推斷分析圖

3.2 解譯預(yù)報(bào)與開挖驗(yàn)證

3.2.1 解譯原則

獲取上述數(shù)據(jù)后，需要結(jié)合具體的工程實(shí)例對(duì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯。根據(jù)本標(biāo)段多次TSP預(yù)報(bào)成果和經(jīng)驗(yàn)，本區(qū)段灰?guī)r地區(qū)Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖的臨界波速在5.0 km/s左右。解譯過(guò)程中，堅(jiān)持以下經(jīng)驗(yàn)原則:①堅(jiān)持以縱波波速Vp值作為初步判斷圍巖情況的依據(jù)，Vp值越大表明巖體越堅(jiān)硬致密，Vp值降低表明巖體裂隙度、孔隙度增加，密度和楊氏模量降低。同時(shí)，以已開挖圍巖段直達(dá)波速和圍巖級(jí)別作為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合前期經(jīng)驗(yàn)值，初步判斷掌子面后方圍巖級(jí)別。②巖體含水狀態(tài)與橫波速度密切相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，若橫波反射明顯比縱波強(qiáng)，表明巖體飽含水?？v橫波波速比Vp/Vs或泊松比突然變大常常是由于巖體內(nèi)的流體引起，流體的性質(zhì)根據(jù)其變化幅值的大小體現(xiàn)出來(lái)。③總體上，縱橫波波速比Vp/Vs與泊松比成正相關(guān)，與巖體的密度和彈性模量成負(fù)相關(guān)。④巖體物理性質(zhì)參數(shù)只能作為初步判定依據(jù)，同時(shí)要結(jié)合深度偏移剖面圖、反射層提取圖及其3D視圖相互驗(yàn)證，力求解譯的全面性和準(zhǔn)確性。⑤巖體的縱波速度Vp值只能作為判斷圍巖級(jí)別的初步依據(jù)而不是唯一依據(jù)，例如，一段干燥、節(jié)理密度為3條/m的Ⅲ級(jí)圍巖的縱波速度可能比一段飽含水、節(jié)理密度為5條/m的Ⅳ級(jí)圍巖縱波速度低得多。⑥巖體物理性質(zhì)參數(shù)在某區(qū)段內(nèi)頻繁波動(dòng)，基本可判斷此區(qū)段圍巖破碎或軟硬巖互層。⑦圍巖分級(jí)不僅與圍巖波速有關(guān)，而且與巖層的陡緩程度也有很大關(guān)系。在圍巖波速相同的情況下，產(chǎn)狀平緩的圍巖通常比陡立的圍巖級(jí)別高半級(jí)左右。

3.2.2 預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖情況對(duì)比分析

滬昆高速鐵路長(zhǎng)昆湖南段轎頂坡隧道起訖里程DK418+009—DK419+928，全長(zhǎng)1 919 m，最大埋深102 m。本次預(yù)報(bào)范圍內(nèi)隧道埋深為42.5～85.0m。勘察結(jié)論為DK418+649—DK418+769段圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，巖性為薄層灰?guī)r夾泥灰?guī)r，弱風(fēng)化，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖體較完整，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，塊狀結(jié)構(gòu)。地下水主要為巖溶裂隙水，以股狀淋水為主。

掌子面DK418+649圍巖為弱風(fēng)化灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，薄層狀，產(chǎn)狀平緩，裂隙發(fā)育，裂隙傾角較陡。從掌子面觀察看，巖石溶蝕以豎向裂隙溶蝕為主，層間溶蝕較弱。掌子面局部輕微滲水。

根據(jù)以上解譯原則，結(jié)合深度偏移剖面解譯標(biāo)志［6］，同時(shí)對(duì)預(yù)報(bào)段圍巖的地質(zhì)素描整理分析，得出本次TSP探測(cè)結(jié)果與開挖情況對(duì)照表，見(jiàn)表1。

表1 轎頂坡隧道TSP203預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖情況對(duì)照

由表1可見(jiàn)，除DK418+665—DK418+673段地下水預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際情況有所偏差外，其余段TSP地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖情況一致。本次探測(cè)基本查明了預(yù)報(bào)范圍內(nèi)圍巖的地質(zhì)情況，探明了隧道掌子面前方軟弱巖層、溶蝕孔洞、節(jié)理裂隙發(fā)育帶的分布范圍及規(guī)模，推斷出了地層含水狀態(tài)，概略地確定出圍巖級(jí)別。不僅彌補(bǔ)了初期勘察在水文地質(zhì)方面精度不足的缺陷，還能夠積極指導(dǎo)施工。

4 結(jié)論與建議

TSP作為當(dāng)前較為成熟的中長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，具有探測(cè)不良地質(zhì)種類多，探測(cè)距離遠(yuǎn)，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)施工影響小，提交成果及時(shí)和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)［7］。但也存在一些技術(shù)缺陷，如成本高，預(yù)報(bào)工序多、操作復(fù)雜，直線觀測(cè)方式不盡合理，解譯主觀性強(qiáng)等。

1)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)過(guò)程中，嚴(yán)格遵循相關(guān)行業(yè)規(guī)范規(guī)定，建立健全超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)督體系，保證預(yù)報(bào)所采取數(shù)據(jù)的真實(shí)性及合理性。

2)改進(jìn)TSP現(xiàn)有單一的觀測(cè)方式或數(shù)據(jù)處理軟件。由于TST觀測(cè)系統(tǒng)比直線布置的觀測(cè)系統(tǒng)優(yōu)越，能獲得不同橫向偏移距的資料，能可靠地確定前方圍巖的速度分布，提高地質(zhì)體的定位精度，保證偏移圖像位置的真實(shí)性，因此可以采用TST數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)TSP原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)比分析得出解譯成果。這需要廠商間加強(qiáng)合作，提高其軟硬件的兼容能力。

3)聘用地質(zhì)工作經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和解譯，力求解譯得全面具體。同時(shí)應(yīng)結(jié)合地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水、超前鉆孔等手段，相互驗(yàn)證，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

［1］王夢(mèng)恕.中國(guó)隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2010:914-915.

［2］賀志軍.山嶺鐵路隧道工程施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及其應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2009.

［3］林建林，李庶林，焦玉勇，等.TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，18(增刊):220-227.

［4］贠永峰，張存亮.TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在東塘溝隧道中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2011(6):71-74.

［5］劉志剛，凌宏億，愈文生.隧道隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2011:256～258.

［6］許振浩，李術(shù)才，張慶松，等.TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)地震波反射特性研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008，4(4):640-644.

［7］劉志剛，劉秀峰.TSP(隧道地震勘探)在隧道隧洞超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(8):1399-1402.