4、TSP超前地質(zhì)預(yù)報解析

1、TSP超前地質(zhì)預(yù)報QB/ZTYJGYGF-SD-0204-2011廣州分公司 任曉鋒 屈 強1 前言1.1 TSP 超前地質(zhì)預(yù)報概況TSP4質(zhì)超前預(yù)報是勘察設(shè)計階段以后工程地質(zhì)工作的繼續(xù)，主要目的為探測或預(yù)測開挖工作面前方圍巖工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況， 獲取詳細可靠的地質(zhì)信息，如圍巖類別、斷層帶和破碎帶位置、性質(zhì)、規(guī)模、富水等，進行信息反饋。并對探測到的地質(zhì)情況進行綜合分析， 做出判斷， 提出地質(zhì)預(yù)報成果， 作為指導(dǎo)施工和優(yōu)化支護參數(shù)、圍巖類別變更等動態(tài)設(shè)計的依據(jù)。1.2 TSP 超前地質(zhì)預(yù)報原理隧道地震波法（簡稱TSP） ，其原理是通過小藥量爆破所產(chǎn)生的地震波信號沿隧道方向以球面波的形式傳播，

2、 在不同巖層中地震波以不同的速度傳播， 在其界面處被反射，并被高精度的接收器接收。通過計算機軟件分析前方圍巖性質(zhì)、節(jié)理裂隙分布、 軟弱巖層及含水狀況等， 最終顯示屏上顯示各種圍巖構(gòu)造界面與隧道軸線相交所呈現(xiàn)的角度及掌子面的距離， 并可初步測定巖石的彈性模量、 密度、泊松比等參數(shù)以供參考。2 工藝工法特點地質(zhì)超前預(yù)報工作可進一步查清因前期地質(zhì)勘察工作的局限而難以探查的、隱伏的重大地質(zhì)問題， 根據(jù)掌握的地質(zhì)災(zāi)害前兆和超前預(yù)測預(yù)報地質(zhì)災(zāi)害， 及時改進施工方法，調(diào)整施工工藝，確定防災(zāi)預(yù)案，進而指導(dǎo)工程施工的順利進行；施工地質(zhì)工作可降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機率，在隧道施工階段，TSP超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)是保證隧道

3、順利安全施工的重要地質(zhì)預(yù)報手段，但需輔以其它地質(zhì)預(yù)報手段，才能保證其精度。3 適用范圍該法適用于復(fù)雜地質(zhì)的公路、 鐵路等隧道工程施工， 用于劃分地層界線、 查找地質(zhì)構(gòu)造、 探測不良地質(zhì)體的厚度和范圍， 但儀器在作業(yè)過程中對環(huán)境的要求較高，若噪聲過大則會影響采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。4 主要引用標(biāo)準(zhǔn)4.1 鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)指南 （鐵建設(shè)【2008】 105號）、 客運專線鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗收暫行標(biāo)準(zhǔn) （ 鐵建設(shè) 2005160 號 ） 、 鐵路隧道施工規(guī)范 （TB10204） 、 公路隧道工程施工技術(shù)規(guī)范 （ JTG F60） 。4.2 設(shè)計圖紙、合同文件。5 施工方法5.1 地震波反射法連

4、續(xù)預(yù)報時前后兩次應(yīng)重疊10m以上，預(yù)報距離應(yīng)符合以下要求：5.1.1 在軟弱破碎地層或巖溶發(fā)育區(qū)，一般每次預(yù)報距離100m左右，不宜超過150m。5.1.2 在巖體完整的硬質(zhì)巖地層預(yù)報時，距離在200m以內(nèi)較為精確。5.1.3 隧道位于曲線上時，預(yù)報距離不宜太長。5.2 接收器鉆孔的布置要求5.2.1 距學(xué)子面約50ml距第一爆破孔1520m5.2.2 必須在隧道兩壁各安置1 個接收器，接收器安置高度與炮孔一致。5.2.3 孔徑4245mm孔深2m,應(yīng)根據(jù)采用的藕合材料確定接收孔上傾還是 下傾。一般情況下，鉆孔傾角應(yīng)垂直隧道軸向，上傾 5°10°。5.2.4 接收器與孔壁的

5、藕合必須緊密，施測時隧道中應(yīng)沒有其它振動源。5.3 采集信號時避免以下缺陷5.3.1 隧道內(nèi)記錄填寫混亂，記錄序號（放炮號）與炮孔號對應(yīng)關(guān)系不清；5.3.2 采用非瞬發(fā)電雷管激發(fā)，或者初至波時間出現(xiàn)無規(guī)律波動（延遲） ；5.3.3 連續(xù) 2炮以上（含 2 炮）記錄不合格或空炮，或者存在相鄰的不合格記錄或空炮；5.3.4 空炮率大于15%。6 工藝流程及操作要點6.1 TSP 超前地質(zhì)預(yù)報流程圖觀測系統(tǒng)設(shè)計圖1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報流程圖6.2 工藝參數(shù)TSP有效預(yù)報距離應(yīng)達到：A級地段100米，B、C級地段150米。需要預(yù)報 區(qū)段大于有效預(yù)報距離時應(yīng)多次預(yù)報，兩次預(yù)報重復(fù)長度不小于 10米；參考

6、既 有資料、地質(zhì)素描、洞內(nèi)外水文調(diào)查等資料。6.3 操作要點及注意事項6.3.1 觀測系統(tǒng)設(shè)計1收集隧道相關(guān)地質(zhì)勘查和設(shè)計資料2根據(jù)隧道施工情況及地質(zhì)條件，確定接收器（檢波器）和炮點在隧道左右 邊墻的位置。3接收器和炮點位置應(yīng)在同一平面和高度上。4隧道情況特殊或需要探測復(fù)雜地質(zhì)隱患時，必須根據(jù)相關(guān)理論精心設(shè)計觀 測系統(tǒng)。6.3.2 施做標(biāo)識在隧道現(xiàn)場，根據(jù)設(shè)計的觀測系統(tǒng)，確定所有接受點和炮點的位置，并做出 相應(yīng)的標(biāo)識。6.3.3 鉆炮孔、接收孔圖2鉆孔水平布置斷面圖1應(yīng)按設(shè)計的要求（位置、深度、孔徑、傾角等）鉆孔，炮孔垂直隧道軸向， 下傾10°20° 。2 一般情況下，鉆孔

7、位置不應(yīng)偏離設(shè)定的位置； 特殊情況下，以設(shè)定的位置 為圓心，可在半徑0.2m的范圍內(nèi)移位；3孔身應(yīng)平直順暢，能確保耦合劑、套管或炸藥放置到位；4在不穩(wěn)定的巖層中鉆孔時，采用外徑與孔徑相匹配的薄壁塑料管或PVC管插入鉆孔防止坍孔。6.3.4 安裝套管1用環(huán)氧樹脂、錨固劑或加特殊成分的不收縮水泥砂漿作為耦合劑，安裝接 收器套管；2用電子傾角測量儀器量接收器的幾何參數(shù)，并做好記錄。6.3.5 填裝炸藥1填裝炸藥前，用電子傾角測量儀和鋼卷尺測定炮孔的傾角和深度，并做好記錄；2炸藥量的大小應(yīng)通過試驗確定；3用裝藥桿將炸藥裝入炮孔的最底部；4在激發(fā)前，炮孔應(yīng)用水或其他介質(zhì)填充，封住炮孔，確保激發(fā)能量絕大部

8、分在底層中傳播6.3.6 儀器安裝與測試1用清潔桿清洗套管內(nèi)部；2將接收單元插入套管，并應(yīng)確保接收器的方向正確；3采集信號前應(yīng)對接收器和記錄單元的噪聲進行測試。6.3.7 數(shù)據(jù)采集1設(shè)置采集參數(shù)：采集參數(shù)主要包括采樣間隔、 采集數(shù)、傳感器分量以及接 收器；2噪聲檢查：數(shù)據(jù)采集前，應(yīng)對儀器本身及環(huán)境的噪聲進行監(jiān)測。 儀器工作 正常，噪聲振幅峰值小于78dB時，方可引爆雷管炸藥，接收記錄；3數(shù)據(jù)記錄：放炮時，準(zhǔn)確填寫隧道內(nèi)記錄，在放炮過程中應(yīng)采用炮序號遞 增或遞減的方式進行，確保炮點號正確。6.3.8 內(nèi)業(yè)資料分析與判釋由取得相關(guān)試驗檢測證件的專業(yè)工程師進行數(shù)據(jù)分析，并提交以下資料：1現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄

9、表；2 X、Y、Z三個分量的原始波形記錄；3頻率譜；4縱橫波分離后的P、SH SV波形圖；5 P、SH SV的極度偏移圖（橫坐標(biāo)為里程）；6二維結(jié)果圖（橫坐標(biāo)為里程）；7反射面提取圖；8巖石參數(shù)曲線圖（橫坐標(biāo)為里程）；9電子文檔。7勞動力組織表1地質(zhì)核查及地質(zhì)超前預(yù)報組成員表人員人數(shù)主要任務(wù)項目負責(zé)人1全面負責(zé)測試工作的協(xié)調(diào)、組織、安排工作技術(shù)負責(zé)人1全面負責(zé)地質(zhì)預(yù)報技術(shù)相關(guān)工作檢測工程師（為取得相關(guān)證件 的專業(yè)人員）2負責(zé)指導(dǎo)鉆爆破孔、接收孔，安裝接收器套管；負責(zé)測量基 礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和報告編寫工作爆破工人2負責(zé)裝炸藥、連接雷管線，放炮風(fēng)鉆操作工人2負責(zé)鉆爆破孔、接收孔，安裝接收

10、器套管，炮孔灌水8主要機具設(shè)備表2隧道施工地質(zhì)工作所需主要儀器設(shè)備表名稱所需數(shù)量備注TSP-2031臺水平鉆機1臺數(shù)碼相機1部電 腦1臺羅盤、地質(zhì)錘、放大鏡1套9質(zhì)量控制9.1 在每一炮數(shù)記錄后，應(yīng)顯示所記錄的地震道，據(jù)此對記錄的質(zhì)量進行控 制。9.2 用直達波的傳播時間來檢查放炮點的位置是否正確，以及使用的雷管是否合適。9.3 根據(jù)型號能量，檢查信號是否過強或過弱，若直達波信號過強或過弱， 應(yīng)將炸藥適當(dāng)減少或者增加。9.4 根據(jù)初至波信號的特性，對信號波形進行質(zhì)量控制，若初至后出現(xiàn)鳴震， 表明接收器單元沒有與圍巖耦合好或可能是由于套管內(nèi)污染嚴重造成， 這樣應(yīng)清 潔套管或重新插入接收器單元，直

11、至信號改善為止。9.5 根據(jù)每一炮記錄特征，了解存在的噪聲干擾，必要時應(yīng)切斷干擾源，同 時也可檢查封堵炮孔的效果。9.6 對記錄質(zhì)量不合格的炮，應(yīng)重新裝炸藥補炮，接收和記錄合理的地震道。 10安全控制1.1 1安全注意事項1.1.1 1所有工作人員進入隧洞內(nèi)必須戴安全帽。1.1.2 2炸藥、雷管必須根據(jù)需要領(lǐng)取，不得多領(lǐng)。1.1.3 3炸藥、雷管必須有專人看管，使用前必須分開。1.1.4 4雷管不能放在接近電源的地方。1.1.5 5 測試時必須設(shè)立安全警示員。1.1.6 6 連接導(dǎo)線時工作人員不得正對著炮孔。1.1.7 7 連接導(dǎo)線、灌水的工作人員未撤離到安全位置啟爆器不得充電，不得放炮。1.

12、1.8 8 測試時接收器到掌子面段不得有其他無關(guān)人員。1.1.9 9 測試時保證隧洞內(nèi)的通風(fēng)和照明。1.1.10 0 鉆孔完成后應(yīng)采取措施保護，防止塌孔。1.2 2 爆破要求1.2.1 1 遵守爆破安全規(guī)程的規(guī)定；1.2.2 2 使用毫秒級無延遲電雷管（瞬發(fā)電雷管） ；1.2.3 3炸藥量應(yīng)大于200mf測距離要求，一般50g75g,最多不大于150g。1.2.4 4 應(yīng)保證炸藥與炮孔嚴密藕合。所有炮孔必須采取堵孔和注水措施。1.2.5 5 在放炮之前應(yīng)注意噪音監(jiān)視，選擇干擾幅度最小時放炮。數(shù)據(jù)處理時選擇合適的濾波窗口，盡可能的予以消除。11 環(huán)保措施11.1 避免炸藥爆炸產(chǎn)生的有害氣體和粉塵

13、含量，減少對空氣的污染，節(jié)約炸藥等能源的消耗。11.2 及時清理垃圾，避免亂倒引起環(huán)境污染。12 施工實例12.1 工程概況及地質(zhì)特征由中鐵一局集團廣州分公司承建的滬昆客運專線趙角灣2 號隧道位于湖南省芷江縣竹坪鋪鄉(xiāng)及土橋鄉(xiāng)。隧道起訖里程為DK376+119DK380+07除長3956m,為單洞雙線隧道，最大埋深187.52m,隧道區(qū)為低山丘陵地貌。此次TSP超前地質(zhì)預(yù)報在趙角灣2號隧道出口進行，掌子面（DK379+892地層巖性情況為：砂巖，弱風(fēng)化，鈣質(zhì)膠結(jié)間泥質(zhì)膠結(jié)，紅褐色，青灰色，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體稍完整，右側(cè)局部強風(fēng)化，褐黃色，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，層理近水平，偶有掉塊現(xiàn)象，無基巖

14、裂隙水。圍巖等級為田級。12.2 施工情況12.2.1 測點位置設(shè)置預(yù)報時學(xué)子面位于DK379+892!程處，在DK379+945!程處布置預(yù)報接收孔， 接收孔距學(xué)子面53ml TSP現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄見附表1。12.2.2 測線測點布置在正洞右邊墻（面向掌子面）的同一水平線上從外向里布置一個傳感器鉆孔 和24個炮孑+傳感器鉆孔距第一個炮孔15ml炮孔間距1.5m,炮孔高度約1.5m, 如圖2所示。12.2.3 預(yù)報成果本次TSP檢測實際激發(fā)20炮，數(shù)據(jù)采集記錄均合格，可用于數(shù)據(jù)處理和解 釋。經(jīng)過專用軟件對有效數(shù)據(jù)進行處理，通過對二維結(jié)果圖（附圖 1）和設(shè)計資 料的綜合分析，主要存在問題的區(qū)段如下：

15、表3主要存在問題的區(qū)段序 號里程長度 （m）探測結(jié)果推斷1DK379+892+85339該段圍巖巖體較完整較破碎，屬硬巖；節(jié)理裂隙較發(fā)育，其中 DK379+888- +872段附近可能圍巖軟弱、巖體破碎；地下水不發(fā)育，可能滴水、滲水，DK379+873處附近可能發(fā)育地下水。2DK379+85” +81835該段圍巖巖體較破碎，巖石硬度下降，屬硬較軟巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，其中DK379+849+842段附近可能節(jié)理發(fā)育、巖體破碎； 地下水較發(fā)育，可能普遍滲水、滴水，其中DK379+849+842段 附近局部有出水可能。3DK379+818- +79721該段圍巖巖體較破碎，巖石硬度有所升高；節(jié)理裂

16、隙較發(fā)育；地 下水較發(fā)育，其中在 DK379+818+810、DK379+804+797段附 近有出水可能。4DK379+797+76136該段圍巖巖體較破碎，屬硬較軟巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，其中 DK379+782+756段附近可能圍巖軟弱、巖體破碎；地下水較發(fā)育，可能普遍滲水、滴水，其中 DK379+782+767段附近可能地 下水發(fā)育較為明顯。5DK379+761+73823該段圍巖巖體較破碎，屬硬巖；節(jié)理裂隙較發(fā)育，其中 DK379+748- +744段附近可能圍巖軟弱、巖體破碎；地下水較發(fā) 育，其中在DK379+748+744段附近有出水可能。12.2.4 預(yù)報結(jié)論及建議1預(yù)報結(jié)論表4預(yù)

17、報結(jié)論表序號里程長度（m）設(shè)計圍巖級別推斷圍巖級別1DK379+892+85339出級出IV級2DK379+85” +81835DK379+85” +826 出級DK379+826- +818IV 級IV級3DK379+818- +79721IV級出IV級4DK379+797+76136IV級IV級5DK379+761+73823DK379+761+749IV 級出IV級DK379+749H +738 出級2施工建議通過此次探測，在探測中 DK379+888- +872、DK379+849- +842、DK379+782- +756、DK379+748- +744段節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石硬度降低

18、，可能巖質(zhì)軟弱，巖 體破碎；在 DK379+873&、 DK379+849- +842、 DK379+818- +810、 DK379+804 +797、DK379+782- +767、DK379+748- +744段附近有可能發(fā)育地下水。建議施 工過程中對此段圍巖嚴格施做加長炮孔探測，對不良地質(zhì)段加強圍巖支護，對地下水發(fā)育段做好防排水工作，以保證施工安全。12.3 工程結(jié)果評價采用TSP對前方地質(zhì)情況進行超前預(yù)報，可進一步查清因前期地質(zhì)勘察工作 限局限而難以探查的、隱伏的重大地質(zhì)問題，根據(jù)預(yù)報結(jié)果，及時改進施工方法， 調(diào)整施工工藝，確定防災(zāi)預(yù)案，進而指導(dǎo)工程施工的順利進行；地質(zhì)預(yù)報可

19、降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機率；通過開展施工地質(zhì)工作，為變更設(shè)計提供地質(zhì)依據(jù)；為編 制竣工文件提供地質(zhì)依據(jù)。12.4 施工附圖圖3炮孔檢查圖4炸藥安裝11圖5檢波器安裝圖6數(shù)據(jù)接收附圖1: 2D成果顯示及巖石力學(xué)參數(shù)曲線附表1: TSP現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄表附表2:圍巖巖體物理力學(xué)參數(shù)表附表2圍巖巖體物理力學(xué)參數(shù)表趙角灣2號隧道出口2011年07月27日掌子面里程DK379+892炮孔布置左邊墻右邊墻接收器里程高度(m)孔深(m)傾角(° )耦合劑耦合狀態(tài)左錨固劑良好右DK379+9452.07.8炮點參數(shù)序號距離(m)深度(m)高度(m)方位角(0 )傾角(0 )藥量(g)115.001.60.0

20、0.010.230217.501.50.00.09.830320.001.70.00.09.330421.401.60.00.07.430522.801.45.00.08.230624.401.55.00.011.330725.601.50.00.08.950826.901.60.00.010.550928.401.80.00.01.4501029.901.60.00.05.3501131.401.50.00.06.7501232.951.55.00.05.2501334.351.50.00.0.71001435.851.70.00.03.21001537.301.30.00.05.31001638.701.60.00.03.31001739.701.55.00.07.21001841.201.40.00.02.81001942.701.60.00.05.41002044.201.55.00.06.2100注：炮點距離為炮點到接收器的距離。高差為各炮孔