魏四平，吳景華

(長春工程學(xué)院勘查與測繪工程學(xué)院，長春 130021)

TSP技術(shù)在引水隧洞超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

魏四平，吳景華

(長春工程學(xué)院勘查與測繪工程學(xué)院，長春 130021)

TSP技術(shù)是隧道施工中一項(xiàng)常用的超前地質(zhì)探測技術(shù)。在隧道工程中，為了能夠高效且安全地進(jìn)行施工，采用TSP超前預(yù)報(bào)技術(shù)探測隧道周邊及掌子面前方未開挖的巖體及其狀態(tài)，為隧道施工提供更多的信息和依據(jù)，確保施工安全順利地進(jìn)行。以新疆某輸水隧道工程為依托，針對(duì)TSP技術(shù)在隧道圍巖地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及成果編譯，最后在實(shí)際開挖中揭露真實(shí)的圍巖情況，驗(yàn)證TSP技術(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為TSP技術(shù)在實(shí)際隧道中的應(yīng)用提供借鑒作用。

TSP技術(shù)；超前預(yù)報(bào)；輸水隧洞應(yīng)用

0 引言

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的進(jìn)展，生態(tài)環(huán)境也越來越受到重視。輸水隧洞工程則是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要工程。在隧洞施工過程中，頻發(fā)的突發(fā)事故給隧洞施工帶來了很多困難，通過科學(xué)的、先進(jìn)的隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法來有效準(zhǔn)確地預(yù)測隧道掌子面前方巖體及其狀態(tài)，提前預(yù)報(bào)出施工階段可能遇到的不良或者特殊的地質(zhì)問題來為前方施工提供相應(yīng)建議[1]。

本文運(yùn)用TSP203系統(tǒng)對(duì)輸水隧洞地質(zhì)探測的實(shí)例進(jìn)行分析，介紹了TSP系統(tǒng)原理及其對(duì)地質(zhì)圖像進(jìn)行成果解譯和分析的情況，驗(yàn)證了TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)輸水隧洞圍巖情況探測的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。

1 TSP原理

瑞士安伯格公司生產(chǎn)的TSP203 plus型隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，主要是通過小藥量爆破所產(chǎn)生的地震波信號(hào)會(huì)在隧道巖體中傳播，因巖層中存在斷層或者含水量過高的裂隙及溶洞，其會(huì)使波的傳播發(fā)生某種變化，一部分信號(hào)將會(huì)在上述斷層或者不同性質(zhì)的巖層處發(fā)生反射，而其他部分將會(huì)繼續(xù)傳播[2]。反射信號(hào)經(jīng)過一定時(shí)間的傳播將會(huì)傳輸?shù)礁呔鹊慕邮諆x器。假定聲波在巖石中的傳播速度已知，通過分析反射波所需的時(shí)間就可以計(jì)算出不連續(xù)界面(層理面和節(jié)理面，特別是斷層破碎帶界面及溶洞等)的具體位置[3]。通過TSPwin處理軟件進(jìn)行分析處理，隨后的評(píng)估子程序會(huì)以圖標(biāo)形式展現(xiàn)出來[4]，用以判斷分析引水隧洞地質(zhì)情況。

2 工程概況

該工程是新疆某流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程一期工程輸水隧洞I標(biāo)工程。隧洞洞長41.823 km，最大埋深約2 268 m；隧洞為無壓洞，縱坡1/564.8。隧洞斷面為圓形，洞徑5.3～5.9 m。其中該標(biāo)段洞長5.2 km，隧洞經(jīng)過的主要地層巖性為：石炭系(C1ab)英安質(zhì)凝灰?guī)r、第三系(N1+2)黏土巖、砂礫巖、泥質(zhì)砂巖等。隧洞區(qū)地層走向近東西或北西，傾角中等—較陡。巖層擠壓褶皺強(qiáng)烈，次級(jí)褶皺和斷層發(fā)育，背向斜構(gòu)造形跡不完整。隧洞沿線地下水系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，第三系巖層中分布有多層孔隙水和裂隙承壓水，且水頭較高。

3 TSP現(xiàn)場布置參數(shù)

本次TSP預(yù)報(bào)炮孔設(shè)在面向掌子面右壁，共激發(fā)24炮，由外向內(nèi)依次放炮制造出小型地震波。探測時(shí)掌子面樁號(hào)為D1+868.7。具體布置參數(shù)詳見表1。

4 地質(zhì)成果解譯及分析

TSP系統(tǒng)輸出成果圖詳如圖1～4所示。

表1 TSP系統(tǒng)現(xiàn)場布置參數(shù)

圖1 深度偏移剖面

圖2 提取的反射界面

圖3 巖體物性圖

圖4 2D結(jié)果顯示

5 地質(zhì)解譯結(jié)論

通過對(duì)探測區(qū)域的地震波反射掃描成像信息進(jìn)行地質(zhì)成果解譯及分析可以得出如下結(jié)論。

5.1 K1+868.7～K1+890段

巖體物性圖中該段縱波波速持續(xù)大幅下降，從高點(diǎn)約5 800 m/s下降至約4 800 m/s左右，橫波波速略有波動(dòng)，無明顯變化，推測圍巖的孔隙度有所增加或有擠壓帶出現(xiàn)。橫縱波速變化走勢不同步，推測圍巖中賦存有裂隙水。2D反射層位圖顯示正反射層較多，故推測該段巖層巖質(zhì)較堅(jiān)硬，結(jié)合縱波速度推斷圍巖類別為Ⅲ類。設(shè)計(jì)圍巖類別為Ⅲ類。

5.2 K1+890～K1+918段

巖體物性圖中該段各項(xiàng)參數(shù)基本保持平穩(wěn)，無明顯變化，推測圍巖可能為層狀或塊狀巖石，整體完整性較好，故推斷圍巖類別為Ⅲ類。設(shè)計(jì)圍巖類別為Ⅲ類。

5.3 K1+918～K1+960段

若頂點(diǎn)在線段BC上時(shí)，則頂點(diǎn)坐標(biāo)為(1，4)，如圖4，將頂點(diǎn)(1，4)代入拋物線，得4=a-2a-3a，解得a=-1．

巖體物性圖中該段縱波波速呈現(xiàn)階梯式多段上升變化，最終最大值約為5 800 m/s，橫波波速略有小幅輕微上升。泊松比和縱橫波速比也表現(xiàn)為階梯上升，但各個(gè)階段大體平穩(wěn)，只在局部出現(xiàn)反射面，表明局部區(qū)域裂隙可能比較發(fā)育，較上段圍巖完整性有所下降。泊松比突然增大常常由于流體的存在引起，在該階段泊松比急劇增大區(qū)域賦存有裂隙水或小股涌水，推斷圍巖類別為Ⅲ類偏弱。設(shè)計(jì)圍巖類別為Ⅲ類。

5.4 K1+960～K1+986段

巖體物性圖中該段縱波波速較穩(wěn)定，但橫波波速在整體呈現(xiàn)平穩(wěn)的同時(shí)，局部發(fā)生突變，并且該處反射面較密集，2D反射層位圖顯示正負(fù)反射交替出現(xiàn)，表明局部區(qū)域裂隙發(fā)育，可能出現(xiàn)軟弱圍巖。在泊松比突變增大區(qū)域可能存在裂隙水，推斷圍巖類別為Ⅲ類。設(shè)計(jì)圍巖類別為Ⅲ類。

6 開挖結(jié)果

6.1 樁號(hào)1+868.7～1+891.0段

隧洞圍巖巖性為(C1ab-Ⅰ)灰—青灰色凝灰?guī)r，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，薄層狀結(jié)構(gòu)，呈微風(fēng)化—新鮮狀。

此段發(fā)育2條擠壓帶，產(chǎn)狀為NE80°SE∠75°，填充片狀巖塊、巖屑；產(chǎn)狀為NW310°SW∠70°，填充片狀巖塊、巖屑。

主要發(fā)育4組裂隙：第1組裂隙產(chǎn)狀為NW320°～340°NE∠50°～85°，裂隙面平直光滑，無填充，間距0.1～0.2 m，局部間距<0.1 m，為節(jié)理密集帶；第2組裂隙產(chǎn)狀為NW310°～320°SW∠60°～85°，裂隙面平直光滑，無填充，間距0.1～0.2 m，局部間距<0.1 m，為節(jié)理密集帶；第3組裂隙產(chǎn)狀為NE20°～80°SE∠65°～70°，裂隙面平直光滑，無填充，間距<0.1m，為節(jié)理密集帶；第4組裂隙產(chǎn)狀為NW340°～350°NE∠20°～30°，裂隙面平直光滑，無填充，間距0.1～0.3 m。該段巖體主要為薄層狀結(jié)構(gòu)，頂拱節(jié)理密集帶較發(fā)育，局部發(fā)育緩傾角裂隙。

6.2 樁號(hào)1+891.0～1+922.0段

隧洞圍巖巖性為(C1ab-Ⅰ)灰—青灰色凝灰?guī)r，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，薄層狀結(jié)構(gòu)，呈微風(fēng)化—新鮮狀。

此段主要發(fā)育4組裂隙：第1組裂隙產(chǎn)狀為NW310°～340°NE∠50°～80°，裂隙面平直光滑，大部無填充，局部張開，填充方解石，間距0.1～0.2 m；第2組裂隙產(chǎn)狀為NE45°～80°SE∠45°～80°，裂隙面平直光滑，無填充，間距0.1～0.2 m，局部間距<0.1m，為節(jié)理密集帶；第3組裂隙產(chǎn)狀為NW340°～350°NE∠5°～25°，裂隙面平直光滑，無填充，間距0.1～0.2 m；第4組裂隙產(chǎn)狀為NE10°～60°SE∠15°～40°，裂隙面平直光滑，無填充，間距0.1～0.3 m。該段頂拱節(jié)理密集帶稍發(fā)育。

圍巖大部潮濕，以滴水為主。該段巖體主要為薄層狀結(jié)構(gòu)，整體上大部巖體稍完整。圍巖類別為Ⅲ類。

6.3 樁號(hào)1+922～1+950段

隧洞圍巖巖性為(C1ab-Ⅰ)灰—青灰色凝灰?guī)r，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，薄層—中厚層狀結(jié)構(gòu)，呈微風(fēng)化—新鮮狀。

此段主要發(fā)育4組裂隙：第1組裂隙產(chǎn)狀為NW320°～340°NE∠65°～80°，裂隙面平直光滑，大部無填充，局部張開，填充方解石，間距0.1～0.3 m；第2組裂隙產(chǎn)狀為NE20°～80°SE∠60°～75°，裂隙面平直光滑，無填充，間距0.1～0.3 m；第3組裂隙產(chǎn)狀為NE10°～60°SE∠8°～40°，裂隙面平直光滑，無填充，間距0.1～0.2 m；第4組裂隙產(chǎn)狀為NW330°～340°SW∠40°～75°，裂隙面平直光滑，無填充，間距0.2～0.3m。另外發(fā)育2組零星裂隙：第1組裂隙產(chǎn)狀為NW350°NE∠35°～40°，裂隙面平直光滑，無填充，間距0.2～0.3 m；第2組裂隙產(chǎn)狀為NE40°～80°NW∠40°～85°，裂隙面平直光滑，無填充，間距0.5～0.7 m。

圍巖大部潮濕，以滴水為主，局部有線狀流，樁號(hào)1+933～1+935右壁有股狀涌水，Q=1～3L/min。該段巖體主要為薄層—中厚層狀結(jié)構(gòu)，整體上大部巖體較完整。圍巖類別為Ⅲ類。

6.4 樁號(hào)1+950～1+988.7段

隧洞圍巖巖性為(C1ab-Ⅰ)灰—青灰色凝灰?guī)r，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，薄層—中厚層狀結(jié)構(gòu)，呈微風(fēng)化—新鮮狀。

此段主要發(fā)育3組裂隙：第1組裂隙產(chǎn)狀為NW275°～340°NE∠65°～85°，裂隙面平直光滑，大部無填充，局部張開，填充方解石，間距0.1～0.2 m；第2組裂隙產(chǎn)狀為NE35°～80°SE∠80°～85°，裂隙面平直光滑，填充方解石，間距0.1～0.2 m；第3組裂隙產(chǎn)狀為NE10°NW∠20°～30°，裂隙面平直光滑，無填充，間距0.2～0.7 m。該段巖體主要為薄層—中厚層狀結(jié)構(gòu)，整體上大部巖體較完整，半孔率達(dá)90%。圍巖類別為Ⅲ類。

該段圍巖大部潮濕，大部圍巖有線狀流。整體上大部巖體較破碎—較完整。圍巖類別為Ⅲ類。

開挖揭露的實(shí)際圍巖狀態(tài)詳如圖5所示。

圖5 實(shí)際揭露圍巖編錄圖

7 結(jié)語

通過探測結(jié)果及實(shí)際開挖中揭露實(shí)際的圍巖情況驗(yàn)證表明，TSP203對(duì)輸水隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)有很好的效果，且具有較好的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。無論是圍巖的狀態(tài)還是裂隙水的多少，基本與預(yù)報(bào)結(jié)果相符合，表明了TSP能對(duì)隧洞掌子面前方未知的圍巖狀態(tài)及水文地質(zhì)情況作出準(zhǔn)確的預(yù)測，具有積極指導(dǎo)施工的作用。

[1] 肖傳興,胡修文,劉躍誠.對(duì)隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)有關(guān)問題的探討[J].路基工程,2009(3)：159-160.

[2] 王心剛.TSP系統(tǒng)與探地雷達(dá)在阿拉坦隧道施工中的應(yīng)用研究[D].西安：長安大學(xué),2009.

[3] 鄧少平.蘭新鐵路第二雙線LXS-3標(biāo)段隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究[D].西安：西南交通大學(xué),2012.

[4] 章曉林.TSP203操作手冊[M].昆明：昆明西普瑞格科技有限公司出版社，2003.

[5] 葉英.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[M].北京：人民交通出版社,2011.

[6] 程合奎,侯守杰.TBM施工隧洞中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究[J].內(nèi)蒙古水利,2015(2)：20-21.

[7] 張存亮.隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法及應(yīng)用研究[D].西安：西安科技大學(xué),2011.

The Application of TSP Technology in Advanced Prediction to Diversion Tunnel

WEI Si-ping,et al.

(SchoolofProspecting&SurveyingEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130021,China)

The TSP technology is a commonly used advanced tunnel construction geological detection technology.In order to keep up with the efficiency and safety in the construction,TSP advanced prediction technology is demanded to detect the rock and its state in the surrounding of the tunnel and the surface of the front of the excavation to provide more information and basis for the tunnel construction,and to ensure the safety and smoothly of the construction.This article bases on a diversion tunnel project in Xinjiang China,analyzes the application of TSP technology in geological prediction to tunnel wall rocks,and makes data collection and result compilation.Finally,the real situation of the surrounding rocks has been revealed and the accuracy and reliability of TSP technology has been proved during the real excavation,which is to provide reference for the application of TSP Technology in the actual tunnel.

TSP technology; advanced prediction; diversion tunnel; application

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.012

2016-12-13

國土資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)資助項(xiàng)目(DET201616)

魏四平(1992-)，男(漢)，吉林農(nóng)安，碩士 主要研究地質(zhì)工程。

U455

A

1009-8984(2017)01-0049-03