TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)及其在隧道施工中的應(yīng)用

TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)及其在隧道施工中的應(yīng)用陳豪;劉立;袁坤;金昊;魏宇偉【摘要】為對隧道施工進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，在薛城隧道K30+708~K30+673段內(nèi)右壁布設(shè)了24個激發(fā)孔,K30+728段左右壁各布設(shè)了1個接收孔，對出口段K30+652~K30+540段進(jìn)行了測試,并利用TSP對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析.根據(jù)圍巖的實際開挖情況，由測定的縱波波速和巖體聲波波速數(shù)據(jù)以及地震波的反射界面圖，結(jié)合丁，？的預(yù)報結(jié)果進(jìn)行綜合分析.結(jié)果表明,TSP技術(shù)在薛城隧道安全施工中的應(yīng)用總體是可靠的.％InordertoperformgeologicalpredictioninsectionK30+708~K30+673ofXuechengtunnelfortheconstructionofatunnel,24excitatingholeswerearangedontherightwallsegment,andonereceivingholewasarrangedonrightandleftsideofeachwallinthesectionofK30+728.TheexitofsectionK30+652~K30+540wastestedandthetestdatawereprocessedandanalyzedbyusingTSP.Comprehensiveanalysisofthepredictionwasconductedaccordingtotheactualexcavationofrock,themeasuredlongitudinalwavevelocityandrocksonicvelocityandseismicreflectiondatainterfacemap,andcombinedwiththeTSP.TestresultsshowthattheapplicationofTSPtesttechnologyinthesafetyconstructionofXuechengtunnelisfeasible.【期刊名稱】《西華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》【年（卷），期】2012（031）001【總頁數(shù)】4頁(P106-108,112)【關(guān)鍵詞】TSP；超前地質(zhì)預(yù)報;圍巖;隧道施工【作者】陳豪;劉立;袁坤;金昊;魏宇偉【作者單位】西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都610039;西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都610039;西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都610039;西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都610039;西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都610039【正文語種】中文【中圖分類】U456.3在地鐵、公路隧道、鐵路隧道和地下洞室等地下隱蔽工程中，運用目前的地質(zhì)勘查手段很難在施工前準(zhǔn)確地確定其圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)、物理參數(shù)以及可能發(fā)生塌落、裂隙、涌水等地質(zhì)災(zāi)害的位置。因此，必須依靠施工前的超前地質(zhì)預(yù)報工作來解決這些問題。一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定成果。如朱寶龍等［1］通過總結(jié)TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的技術(shù)特點和基本測量原理將TSP系統(tǒng)和超前地質(zhì)鉆孔預(yù)報結(jié)果進(jìn)行對比，顯示了該系統(tǒng)的實用性；鐘宏偉等［2］通過回顧超前地質(zhì)預(yù)報在我國的發(fā)展現(xiàn)狀，指出目前亟待解決的一些問題并提出了解決這些問題的基本設(shè)想。本文將對TPS在公路隧道安全施工中的地質(zhì)超前探測的具體應(yīng)用問題進(jìn)行探討。1常見探測法特點超前地質(zhì)預(yù)報是在隧道開挖時，對掌子面前方的圍巖與地層情況作出超前預(yù)報。目前經(jīng)常采用的超前地質(zhì)預(yù)報方法主要有：紅外探測法、地質(zhì)調(diào)查法、地質(zhì)雷達(dá)法、TSP探測法等。1.1地質(zhì)雷達(dá)法利用高頻電磁波在巖體傳播中遇到地質(zhì)界面產(chǎn)生反射的特性，探測異常地質(zhì)體的一種方法。但其探測距離較短，難以識別有效波。1.2紅外探測法依據(jù)紅外輻射能量的差異來推斷前方不良地質(zhì)的情況。但其探測距離短，無法識別斷層和溶洞的位置。1.3地質(zhì)調(diào)查法以地質(zhì)現(xiàn)象為研究對象，運用地質(zhì)學(xué)及其相關(guān)科學(xué)為理論依據(jù)，以觀察研究為基礎(chǔ)的調(diào)查工作。但它無法得到巖體的具體參數(shù)。1.4TSP探測法根據(jù)地震波的反射原理進(jìn)行不良地質(zhì)探測?？梢栽诟鞣N巖體中應(yīng)用，預(yù)報距離可達(dá)100~150m,不占用撐子面，對隧道施工干擾小，投資費用少，準(zhǔn)確度高，因此被廣泛地應(yīng)用到超前地質(zhì)預(yù)報中［3-4］。2隧道概況薛城隧道地處四川西部地槽區(qū)小金弧形褶帶東部的薛城一臥龍“S”構(gòu)造帶，高棚子倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜北翼，本區(qū)段軸面走向為70°,傾角50。~70。，背斜兩翼次級擠壓小褶曲發(fā)育，巖層產(chǎn)狀變化較大。隧址區(qū)間內(nèi)主要覆蓋第四系更新統(tǒng)松散堆積層、更新統(tǒng)崩坡積層碎石土層、千枚巖、炭質(zhì)千枚巖。出口端軸線起止樁號為K30+658~K30+838，全長170m，地層為千枚巖，強一弱風(fēng)化狀態(tài)，強風(fēng)化巖層厚度15~30m,圍巖級別是V級，容易塌落，邊坡物質(zhì)組成為千枚巖，其整體穩(wěn)定性較差，可能產(chǎn)生外斜結(jié)構(gòu)面的滑塌破壞。由于隧道的地質(zhì)條件限制，使隧道的開挖不能使用單一的開挖方法，必須結(jié)合附近的圍巖情況進(jìn)行開挖，對于圍巖比較穩(wěn)定的地段采用全斷面開挖法，對于存在裂縫斷面位置的采用臺階法，開挖下臺階時控制開挖進(jìn)尺，縮短完成支護施作時間。3探測原理與方法TSP(tunnelseismicprediction)法，是指在隧道施工中采用人工地震的方法來探測前方未開挖地段的地質(zhì)情況。它的基本原理是：在隧道掌子面附近的左右邊墻布置24個激發(fā)孔，并排成一排，孔中產(chǎn)生的人工地震波將以球面波的形式在圍巖介質(zhì)中傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅讲涣嫉刭|(zhì)界面時，一部分地震波將會被反射回來，另一部分地震波將會繼續(xù)向前傳播。由高靈敏裝置接受被反射回來的地震波信號，并通過電腦將波形記錄下來，如圖1所示。對現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)通過TSP-win軟件進(jìn)行處理，可以獲得隧道掌子面前方的相關(guān)參數(shù)(比如圍巖性質(zhì)、波速、節(jié)理裂隙、斷層位置等)還可得到反射層的分布位置，根據(jù)所獲得的相關(guān)參數(shù)，可以大概了解隧道掌子面前方的地質(zhì)情況。TSP法波形記錄如圖1所示。圖1TSP法波形記錄4TSP探測系統(tǒng)組成及作業(yè)TSP探測系統(tǒng)主要由記錄單元、接受單元和TSP-win軟件3個部分組成。記錄單元的主要作用是負(fù)責(zé)對人工地震波的頻率范圍進(jìn)行記錄；接受單元的主要作用是記錄人工地震波的橫波和縱波的信息；TSP-win軟件的主要作用是對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。根據(jù)TSP的原理和工作方法，在隧道的出口端做如下作業(yè)：在隧道K30+728的左、右邊墻位置分別布置一個地震波信息接收孔，孔徑為50mm。K30+708~K30+673段的右邊墻位置，按約1.5m的間距布置24個激發(fā)孔分別激發(fā)地震波，激發(fā)孔孔深1.5m左右，孔徑約40mm，孔向下傾斜約10°,每個激發(fā)孔裝填的藥量為75g，激發(fā)孔和接收孔基本保持在同一個高度上。5數(shù)據(jù)處理與分析5.1數(shù)據(jù)處理把現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)通過TSP-win軟件進(jìn)行處理，其處理流程包括11個主要步驟：數(shù)據(jù)設(shè)置，帶通濾波，波初至拾取，起跳點信號處理，炮能量均衡，Q估計，反射波提取，P、S波分離，速度分析，深度偏移，提取反射層。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)計算掌子面探測區(qū)域的物理參數(shù)［6］，計算公式如下：（1）（2）⑶⑷式中：ED為動彈性模量；GD為動剪切模量；^D為泊松比；Kv為巖石完整性系數(shù)；vP為縱波波速，vS為橫波波速；p為圍巖的密度；vEP為聲波波速。5.2探測結(jié)果分析這次超前地質(zhì)預(yù)報里程范圍為K30+652~K30+540段。在對TSP的結(jié)果分析時遵從如下的基本原則［5］:1） 反射振幅越強，反射系數(shù)和波阻抗的差別越大。2） 正反射振幅（紅色）表明正的反射系數(shù)，表明剛性巖層；負(fù)反射振幅（藍(lán)色）指向軟弱巖層。3） 若S波反射比P波強，則表明巖層飽含水分。較大的增加或泊松比突然增大，常常因流體的存在而引起。根據(jù)以上的公式和分析原則可以得到如下結(jié)果（如表1、表2和圖2所示）。表1薛城隧道出口端圍巖穩(wěn)定表巖層設(shè)計圍巖級別預(yù)報里程范圍預(yù)報地質(zhì)情況建議圍巖級別千枚巖四級K30+652~K30+634本段圍巖巖體較為破碎，裂隙節(jié)理有發(fā)育，巖體穩(wěn)定性差I(lǐng)V級加強K30+634~K30+540本段圍巖完整性較好，圍巖整體強度較大，巖體穩(wěn)定性好，應(yīng)防止局部掉塊或塌方。IV注：在K30+652~K30+634段，根據(jù)現(xiàn)場測定的縱波波速和巖體聲波波速數(shù)據(jù)，由公式(4)計算可得KV=0.3(KVfi反映巖體中節(jié)理裂隙的影響程度，對于完整巖體KV>0.75，塊狀巖體KV=0.4~0.75，破裂狀巖體KV<0.4)，因此可以判斷在K30+652~K30+634段的圍巖較為破碎，裂隙節(jié)理較為發(fā)育，圍巖的穩(wěn)定性比較差，不能承受較大的彈性變形。表2薛城隧道出口端圍巖參數(shù)統(tǒng)計表里程縱波速度/(m/s)橫波速度/(m/s)泊松比楊氏模>/(GPa)K30+652~K30+6343881~42292167~24490.25~0.2730~39K30+634~K30+5403992~44972209~25160.23~0.2739~44圖2地震波反射界面圖根據(jù)預(yù)測，在這段隧道進(jìn)行開挖時，要用臺階法進(jìn)行開挖，先開挖上臺階，再進(jìn)行下臺階的開挖，開挖完畢之后要及時進(jìn)行錨噴混凝土支護，并要掌握好混凝土噴水養(yǎng)護時間，噴水要在混凝土終凝之后2h以后再進(jìn)行，對一般工程養(yǎng)護時間為7d,重要工程的養(yǎng)護時間為14d。同時，根據(jù)地震波的反射界面圖可知，在K30+652~K30+634段的藍(lán)色點比較多，依據(jù)TSP翻譯規(guī)則可知，此段有軟弱巖層。在K30+634~K30+540段根據(jù)現(xiàn)場測定的縱波波速和巖體聲波波速數(shù)據(jù)，由公式(4)計算可得KV=0.8，因此可以判斷在K30+634~K30+540圍巖完整性比較好，圍巖的整體強度比較大，可以承受較大的彈性變形。在此段進(jìn)行開挖的時候可以采用全斷面開挖法，在施工過程中要注意控制炸藥的使用量，并做好防護措施，避免出現(xiàn)巖爆。根據(jù)預(yù)測，在開挖之前為了防止巖爆的出現(xiàn)，要對開挖段做好以下措施：1)地形地貌分析和地質(zhì)分析；2)通過聲波探測器對巖石內(nèi)部的情況進(jìn)行檢測；3)鉆孔取芯進(jìn)行分析；4)用地溫法進(jìn)行分析。如果在開挖過程中出現(xiàn)了巖爆現(xiàn)象要及時采取以下措施：1)改善圍巖的應(yīng)力；2)改善圍巖的性質(zhì);3)對圍巖進(jìn)行加強支護和超前支護加固。開挖之后要及時進(jìn)行錨噴混凝土，并要做好混凝土的養(yǎng)護工作。根據(jù)地震波反射界面圖還可知，在K30+634~K30+540段的藍(lán)色點比較少，說明這段圍巖較穩(wěn)定。根據(jù)以上分析可以得出整個探測區(qū)域的圍巖級別應(yīng)該定為IV級；對于K30+652~K30+634段，由于其圍巖穩(wěn)定性比較差，裂隙比較發(fā)育，因此判定此段的圍巖級別為V加強；對于K30+634~K30+540段，由于其圍巖整體穩(wěn)定性比較好，裂隙不怎么發(fā)育，可以判定此段的圍巖級別為V級。探測區(qū)的圍巖級別的確定都是根據(jù)理論和對數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行分析后判斷得出的，但是巖級別的現(xiàn)場最終確定還應(yīng)在現(xiàn)場實際施工過程中結(jié)合工程地質(zhì)資料和工程地震分析來進(jìn)行綜合判斷，這樣才可以使超前地質(zhì)預(yù)報的圍巖級別的劃分更加準(zhǔn)確。6結(jié)論通過對薛城隧道出口段的TSP技術(shù)的實際應(yīng)用，提前探明和掌握了隧道前方地質(zhì)條件的變化，及時采取了應(yīng)對技術(shù)措施，保證了隧道施工安全。同時，TSP在薛城隧道的現(xiàn)場試驗研究中還有以下初步結(jié)論：TSP方法不但可以準(zhǔn)確地探測到撐子面前方的不良地質(zhì)界面，而且還可以提供波速、泊松比、巖石完整性系數(shù)、楊氏模量等參數(shù)。在實際開挖過程中，根據(jù)得到的參數(shù)并結(jié)合工程地質(zhì)相關(guān)的內(nèi)容可以大體上預(yù)測前方圍巖的級別，為隧道制定開挖方案提供依據(jù)。TSP的探測距離比較遠(yuǎn)，一般可達(dá)100~150m,在圍巖比較完整穩(wěn)定的地段可達(dá)300-500m。TSP的翻譯結(jié)果很有效率，可以及時地提交撐子面前方的預(yù)報結(jié)果，還可提供反射面的二維和三維的空間分布。TSP預(yù)報的實施步驟比較簡單，可在不影響施工的前提下在隧道中進(jìn)行作業(yè)。從TSP反射界面圖可以看出TSP的地震波顯示出了明顯的波形，進(jìn)一步說明了在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)時受到了來自隧道里面震蕩波的干擾，產(chǎn)生了偏移，因此在激發(fā)人工地震波的時候要避免產(chǎn)生震蕩波。由于人工激發(fā)的地震波在破碎、裂隙發(fā)育地段傳播的過程中來回震蕩會產(chǎn)生衰減，因此要盡量避免在上述地段安裝接收裝置，如需要安裝，應(yīng)采取相應(yīng)的工程技術(shù)措施避免地震波的波形失真。由于TSP為一點激發(fā)，多點接受，故對面狀的物體預(yù)報比較準(zhǔn)確。但其翻譯結(jié)果需依靠波速等參數(shù)才能得到，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，為避免TSP軟件所獲得的波速與實際情況產(chǎn)生偏差［7］，在可能存在斷層破碎帶、巖溶等情況下，為使預(yù)報結(jié)果更加可靠，TSP的翻譯結(jié)果必須結(jié)合深度偏移圖和實際開挖過程的地質(zhì)分析綜合確定。參考文獻(xiàn)［1］ 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