TSP303系統(tǒng)在某鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

摘? 要：TSP系統(tǒng)作為地震波反射法的一種，因其操作簡(jiǎn)便、預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中。文中結(jié)合該系統(tǒng)在某鐵路隧道的應(yīng)用實(shí)例，介紹了TSP303系統(tǒng)的基本原理和操作方法，闡述了該系統(tǒng)在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用效果，通過(guò)對(duì)比分析了其在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用中的準(zhǔn)確性和適用性。

關(guān)鍵詞：隧道;TSP303系統(tǒng);超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

中圖分類號(hào)：U456.3? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2019）05-0000-00

0 概述

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)鐵路建設(shè)步伐逐漸加快，復(fù)雜地質(zhì)鐵路隧道越來(lái)越多，如何在施工階段做好地質(zhì)工作，進(jìn)一步查清隧道開挖工作面前方的工程與水文地質(zhì)條件，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生幾率和危害程度，指導(dǎo)工程順利進(jìn)行，是鐵路建設(shè)者需要重視的一項(xiàng)重要工作。為提高鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平，保證隧道工程質(zhì)量和施工安全，結(jié)合多年來(lái)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，原鐵道部及時(shí)發(fā)布《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南》[1]，規(guī)范了鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)工作，并將該項(xiàng)工作納入工序管理，后結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鐵路總公司于2015年發(fā)布《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程》[2]，為鐵路工程建設(shè)施工質(zhì)量和安全提供了技術(shù)支撐。

鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要方法有地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法、物探法、超前導(dǎo)坑法等，其中物探彈性波反射法作為長(zhǎng)期預(yù)報(bào)方法，在隧道超前地質(zhì)工作中發(fā)揮了重要作用，其中地震波反射法應(yīng)用最為廣泛。

1 TSP303法原理和操作方法

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震波反射法。地震波在設(shè)計(jì)的震源點(diǎn)用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，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(lái)，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(guò)TSP303軟件處理，便可了解隧道工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等）和位置及規(guī)模。

TSP303隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：

炮孔設(shè)計(jì)在隧道的左邊墻或者右邊墻，第1個(gè)炮孔離同側(cè)接收孔為20m，炮孔間距1.5 m，數(shù)量24個(gè)，直徑40mm，孔深1.5m。炮孔垂直隧道軸向，向下傾斜10°～20°（激發(fā)時(shí)密封炮孔）。炮孔離地面約1m。接收孔設(shè)計(jì)在隧道邊墻，距離掌子面約55m，離地面1m，數(shù)量2個(gè)（隧道左右邊墻各一個(gè)），直徑φ50mm，孔深2m，垂直隧道軸向，用錨固劑固結(jié)，向上傾斜5°～10°。接收孔內(nèi)放入兩個(gè)高靈敏度傳感器，確認(rèn)連接無(wú)誤后，對(duì)布置在邊墻的24個(gè)孔逐個(gè)爆破，接受原始數(shù)據(jù)，采集信號(hào)不少于22個(gè)。

通過(guò)TSP303軟件處理接收數(shù)據(jù)，可以獲得P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學(xué)參數(shù)、各反射層能量大小等成果，以及反射層在探測(cè)范圍內(nèi)的2D或3D空間分布。以數(shù)據(jù)處理成果為基礎(chǔ)，結(jié)合開挖工作面觀察，可預(yù)報(bào)隧道開挖工作面前方一定距離的地質(zhì)情況。

2 工程概況

2.1 勘察情況

隧道區(qū)主要地層為侏羅系上統(tǒng)凝灰?guī)r，進(jìn)出口分布燕山晚期侵入花崗巖和閃長(zhǎng)巖，區(qū)域斷層較發(fā)育，調(diào)繪共發(fā)現(xiàn)斷層14條，結(jié)合調(diào)繪和鉆探驗(yàn)證，斷層F6對(duì)隧道影響較大。該斷裂構(gòu)造整體呈北西走向，推測(cè)于DK164+284～DK164+459處通過(guò)設(shè)計(jì)鐵路線，向北西方向延伸較遠(yuǎn)，南東方向被北東向斷裂限制，長(zhǎng)度大于12km。斷裂破碎帶寬5～8m，與線路小角度相交，影響寬度較寬，帶內(nèi)節(jié)理密集發(fā)育，巖石呈碎塊狀，粘土狀;風(fēng)化蝕變強(qiáng)烈，可見高嶺土化、絹云母化，片理化現(xiàn)象明顯;破碎帶兩側(cè)發(fā)育構(gòu)造角礫巖，次棱角狀，松散狀，黏土質(zhì)膠結(jié)。測(cè)得斷裂面產(chǎn)狀227°∠85°。斷裂帶局部充填有安山巖巖脈，推測(cè)該斷裂為壓性斷裂。

勘察期間布置EH4大地電磁，詳見圖1，在DK164+442附近，電阻率等值線劇烈變化，向大里程等值線密集，向小里程等值線稀疏，且電阻率值突降。

圖1? EH4大地電磁二維反演斷面圖

依據(jù)地表大地電磁成果，在DK164+430左10m完成驗(yàn)證鉆孔，該處隧道埋深約91m。鉆探取芯情況：地層為凝灰?guī)r，灰綠色，弱風(fēng)化，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)硬，巖芯破碎，多呈碎塊狀及少量短柱狀，大部分塊徑3～8cm，最大約10cm，柱狀巖芯一般節(jié)長(zhǎng)10～15cm，最長(zhǎng)約20cm，錘擊不易碎，其中71.0～80.0m、107.0～114.2m巖芯破碎。

綜合考慮調(diào)繪、物探和鉆探驗(yàn)證情況，推測(cè)DK164+284～+459段為斷層破碎帶及影響帶，圍巖分級(jí)Ⅴ級(jí)。

2.2 TSP303方法預(yù)報(bào)成果

施工階段采用TSP303超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法對(duì)隧道DK164+560～DK164+380進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，完成預(yù)報(bào)成果詳見圖2。

結(jié)合圖2，分析認(rèn)為：

（1）DK164+560～DK164+547段，圍巖情況和+560掌子面基本一致，圍巖較破碎，無(wú)水。

（2）DK164+547～DK164+507段，縱橫波速度、楊氏模量均較掌子面升高，推斷圍巖較完整、局部節(jié)理裂隙較發(fā)育。+547～+533反射面密集，推斷該段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育較密集，地下水較發(fā)育;SV波深度偏移2D視圖顯示，+538附近出現(xiàn)強(qiáng)橫波負(fù)反射，推斷該里程附近有線狀或股狀出水。

（3）DK164+507～DK164+405段，縱橫波速度、楊氏模量均較掌子面大幅下降，推斷該段圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育。其中，+502、+491出現(xiàn)橫波負(fù)反射;+484～+463段、+418～+410段泊松比躍升，推斷上述段落地下水發(fā)育。如圖3所示。

（4）DK164+405～DK164+380段，縱橫波速度、楊氏模量均前段有較大上升，推斷圍巖變好、較完整、節(jié)理裂隙較發(fā)育。其中，+405～+399段出現(xiàn)多組橫波負(fù)反射，推斷該段節(jié)理裂隙發(fā)育、地下水較發(fā)育;+394～+390段泊松比躍升，推斷該段節(jié)理裂隙較發(fā)育、地下水較發(fā)育。

2.3 開挖驗(yàn)證情況

經(jīng)開挖驗(yàn)證，圍巖情況如下：

（1）DK164+560～DK164+505段，圍巖完整性不均勻，整體較破碎～較完整，圍巖分級(jí)Ⅲ級(jí)。

（2）DK164+505～DK164+435段為壓性斷裂帶，產(chǎn)狀242°∠80°，巖石破碎～較破碎，節(jié)理發(fā)育，擦痕發(fā)育，具碳酸鹽化、綠泥石化、高嶺土化，因節(jié)理密閉，洞內(nèi)無(wú)水，圍巖分級(jí)Ⅴ～Ⅳ級(jí);

（3）DK164+435～+380段，圍巖較完整，圍巖分級(jí)可達(dá)Ⅲ～Ⅱ級(jí)。

3 結(jié)論與建議

（1）TSP預(yù)報(bào)的斷層位置為DK164+507～+405段，長(zhǎng)度為102m;開挖揭示位置為DK164+505～+435段，長(zhǎng)度為70m，長(zhǎng)度準(zhǔn)確率69%。

（2）起始位置開挖揭示滯后2m，基本一致;終止里程開挖時(shí)提前20m結(jié)束斷層，有一定誤差。隨著探測(cè)長(zhǎng)度的增加，呈現(xiàn)誤差增大趨勢(shì)，因此對(duì)于地質(zhì)條件較復(fù)雜、圍巖完整性較差地段，應(yīng)減小TSP預(yù)報(bào)長(zhǎng)度。

（3）TSP對(duì)于地下水情況的預(yù)報(bào)不夠準(zhǔn)確。預(yù)報(bào)局部有地下水，開挖揭示為壓性斷裂，節(jié)理密閉，未見地下水。地下水的預(yù)測(cè)還需結(jié)合構(gòu)造特性。

（4）通過(guò)TSP預(yù)報(bào)與施工開挖進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)探測(cè)對(duì)象與相鄰介質(zhì)存在較明顯波阻抗差異并具有足以被探測(cè)的規(guī)模，地質(zhì)界面傾角較大、構(gòu)造走向與隧道軸線大角度相交時(shí)，TSP預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)于特殊地質(zhì)體的宏觀判斷效果是明顯的。

（5）地質(zhì)體本身具有不均勻性，受巖石強(qiáng)度、地質(zhì)界面產(chǎn)狀、節(jié)理間距及張開度、地下水等多種因素影響，具有復(fù)雜性，單純依靠TSP一種預(yù)報(bào)手段不可能做到全面查清復(fù)雜地段地質(zhì)體特征，地質(zhì)情況預(yù)測(cè)可能也達(dá)不到較高的精度，因此需要配合超前地質(zhì)鉆探和地質(zhì)調(diào)查等方法，進(jìn)一步開展細(xì)致探查和觀察工作，詳細(xì)評(píng)價(jià)地質(zhì)體工程特征，以滿足工程需要。

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收稿日期：2019-08-22

作者簡(jiǎn)介：高清海（1973—），男，天津人，本科，工程師，從事鐵路工程勘察設(shè)計(jì)、施工管理及研究工作。

Application? of TSP303 System in Advance Geological Prediction of a Railway Tunnel

GAO Qinghai

（China railway design group co. LTD，TianJin? 300251）

Abstract：As one of the seismic wave reflection methods， TSP system is widely applied in advanced geological forecast of railway tunnels due to its characteristics of user-friendly control， long distance prediction and high accuracy. In the paper， we introduce the basic principle and operation method of TSP303 system and the application effect of the system in advance geological prediction based on the application of the system in railway tunnel project cases. Through comparative analysis， the accuracy and applicability of the method are proved.

Key words：Tunnel;TSP303system;Geological Prediction