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TSP技术在隧道工程中的运用

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摘要:

在千枚岩隧道施工中,由于围岩软弱、破碎,在开挖过程中受扰动易出现失稳坍塌等地质灾害事故,严重威胁生命财产安全和工程质量,准确预报隧道地质情况,并做好防治预案,是控制和减少事故损失的前提。结合汶马高速鹧鸪山隧道K181+273~K181+376段的TSP超前地质预报成果与实际开挖结果跟踪对比,分析了TSP超前地质预报技术在变质岩区域隧道千枚岩段的应用状况,并且初步探讨了千枚岩隧道中的小型破碎带和千枚岩片理构造面对TSP超前地质预报技术的响应特征。

关键词:

隧道;TSP;千枚岩;地质预报

1前言

在西部山区公路铁路建设中,桥隧占有比例很大,有些高速公路桥隧比已经达到了80%以上,而在西部山区自然条件相对较差,地质情况相对复杂。在深埋长大隧道工程中,地质勘察受很多客观因素限制,准确的地质预报和围岩状态分析不仅可以弥补勘察设计中的不足,而且可以为进一步的施工处理提供必要的信息,及时调整衬砌参数,避免安全事故和成本损失[1]。所以在隧道施工阶段开展超前地质预报工作对确保施工安全和进度有十分重要的作用[2]。TSP超前地质预报技术自90年代引入我国,到目前已经被广泛应用。如孙广忠主持的军都山隧道超前地质预报[3],李天斌主持预报的鹧鸪山公路隧道[4]等,均取得了较好的预报效果。但TSP技术在千枚岩隧道中的研究相对较少。千枚岩隧道因其特有的片理面构造,对TSP地震波传播有一定影响。并且以绢云母千枚岩为主的围岩自身工程力学性能差,岩体强度低,完整性差,层间结合度弱,滑脱现象明显[5],常有破碎状结构岩体和软弱夹层出现。通过对汶马高速鹧鸪山隧道K181+273~K181+376千枚岩段TSP超前地质预报与实际开挖的对比,分析了千枚岩长大构造片理面和小型破碎带对TSP的响应特征,以此初步探讨了TSP超前地质预报技术在隧道千枚岩段的应用。

2TSP地质预报原理

TSP法,即隧道前方地震预报或超前地质预报。基本原理见图1所示,在隧道掌子面附近边墙一定范围内布置激发孔,一般布置24个炮孔,每个炮孔间隔1.5m左右。通过在孔中人工激发地震波,地震波在隧道围岩中传播,当围岩波阻抗发生变化时(例如遇岩溶、断层或岩层的分界面),一部分地震波将会继续向前传播,另一部分地震波将会被反射回来。传感器可以根据接收到的直达波的时间来计算地震波的速度;在已知地震波传播速度的情况下,通过测得的反射波传播时间推导出反射界面与接收传感器之间的距离及其在隧道前方的位置。反射的地震波由高精度的接收器所接收并传递到主机形成地震波记录。对TSP200PLUS仪器采集的数据利用TSP-win软件进行处理分析,可获得掌子面前方围岩强度情况、地震界面与隧道轴线的交角及与掌子面的距离,初步判断岩石的一些物理力学参数(弹性模量、密度、泊松比等)[6]。以及隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的时间剖面、深度偏移剖面、岩石的反射层位、各反射层能量大小等中间成果资料,最终对隧道掌子面前方可能存在的不良地质体(断裂破碎带、软弱结构面、岩性变化带、富水带、溶洞等)进行预测,并计算推测出上述不良地质体的位置、走向、规模、形状等[7]。

3K181+273~K181+376段TSP预报

本次预报段穿越地层以千枚岩为主,隧道走向大致为W275°~285°N,千枚岩片理产状为N0°~10°E∠70°~90°SE,说明隧道轴线与片理面走向是大角度相交,其夹角在75°~90°范围。本预报段最大埋深为610m,预报长度范围为103m,见图2。图3是拾取处理后地震波波形图,其水平轴代表偏移距,纵轴代表时间。它根据直达波纵波波速给定横纵波波速比值,估算出横波波速。图4、5、6中水平轴代表隧道洞轴线方向上的距离,纵轴代表在偏离隧道轴线的距离,零刻度处的虚线代表隧道的轴线位置。图4表示P波经深度偏移处理后的图像。图5与图6的速度分析是选用一系列不同速度的共反射点时距曲线进行动校正,从中选出最佳的叠加速度,这个速度能使共反射点的时距曲线校正成水平直线。即是对共反射点反射波的时距曲线进行动校正的过程[8]。通过对TSP数据的处理,可以得到二维剖面的成果图,包括横、纵波的二维反射界面图及围岩物理力学参数成果图(如图7),成果图分析及地质预报结果见表1。

4地质预报与实际开挖对比分析

(1)实际开挖与预报结果对比开挖后对该千枚岩段K181+273掌子面进行地质编录:围岩以薄层状千枚岩为主,千枚岩层间结合较差,层厚约1~5cm,呈灰黑色,有鳞片变晶结构,千枚状构造,千枚理极发育,测得其产状为N5°E∠85°SE,局部夹杂片状破碎千枚岩,围岩强度较低,岩体抗压强度不足10MPa,锤击易沿片理面破裂。地下水一般发育,主要表现为滴水状出水,并绘制掌子面素描图(如图8)。(2)千枚岩片理结构对预报结果影响分析K181+273~K181+280段,岩性以千枚岩为主,基本没有改变,围岩质量变化不大,也并未发现有软硬夹层和破碎带,TSP成果图中曲线发生小幅震荡,反射层较多,资料解译与实际情况有明显出入。通常在作物理探测资料的地质解释时,要对解释的结果与现有的地质资料验证对比,要与地质概念相核对,不能出现与地质概念相悖的结论,也不能与本地区的地质格局有原则的矛盾[9]。其原因分析认为是受该段千枚岩自身构造的影响,片理较发育,存在长大结构面(如图9)。或者千枚岩经爆破开挖机械施工等扰动后,千枚岩层间结合变差,当层间结合程度不紧密,有裂隙张开(如图10),并且张开度达到一定值时,就会影响地震波的正常传播,使地震波产生一定的响应反馈到地震波信息接收器,最终使该段的TSP预测参数曲线发生了波动。(3)TSP对破碎带预报结果影响分析对K181+306~K181+322里程段地质情况进行重点观测,掌子面前方呈松散层状构造,并受爆破和开挖扰动的影响,掌子面周围岩体极其破碎,在K181+318里程处,掌子面右侧出现碎块状和碎屑状结构岩体,围岩发生碎屑流状破坏,自稳能力极差,出现了小范围掌子面溜塌,坍塌量约1~3m3。总之,通过对比分析得出:该整体预报段结果和实际地质情况基本吻合。在K181+306~K181+322里程段的预报和实际开挖中,掌子面岩体出现松散层状构造,呈现破碎状结构,结果完全吻合。在K181+273~K181+280段TSP较为真实的反映了地质情况与状态,不过在解译中忽略了TSP的多解性,出现了资料解译与实际开挖不相符的状况。总体上本次TSP预报取得了较好的预报效果。

5结语

以汶马高速鹧鸪山隧道为例,介绍了TSP技术在千枚岩段的运用情况,取得了较好的效果。通过对隧道K181+273~K181+376千枚岩段的TSP地质预报和实际开挖对比分析,可以得出:1)超前地质预报与实际开挖基本吻合,较为准确的预报了前方软弱夹层和小破碎带,具有较高的分辨率和可信性。2)TSP解译具有多解性,精确预报须结合现场地质实录工作综合解译。3)结合千枚岩自身结构对TSP预报解译工作的影响分析,为提高预报精度,应综合千枚岩的地质赋存状态进行解译。

参考文献

[1]张剑.软岩隧道采用超前地质预报及岩性分析综合判析围岩状况[J].公路,2014,9(9):193-196.

[2]李天斌,孟陆波,等.隧道超前地质预报综合分析方法[J].岩石力学与工程学报,2009,28(12):2429-2436.

[3]孙广忠.军都山隧道快速施工超前地质预报指南[M].北京:中国铁道出版社,1990.

[4]李天斌.复杂地质条件下公路隧道施工地质预报研究[R].成都:成都理工大学,2005.

[5]汪波,李天斌,何川,等.震区软岩隧道大变形破坏特征及其成因机制分析[J].岩石力学与工程学报,2012,20(3):928-936.

[6]负永峰,张存亮.TSP超前地质预报在东塘沟隧道中的应用[J].铁路建筑,2011(6):71-74.

[7]叶英.隧道施工空间地震超前地质预报系统[J].现代隧道技术,2009,46(5):55-61.

[8]李占.地震反射波法在隧道超前地质预报中的应用[D].吉林大学硕士学位论文,2008.

[9]钟世航.TSP作隧道掌子面前方地质预报几例失误原因分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(增刊1):2443-2446

作者:曹海洋 贾金晓 刘阳飞 单位:成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室

TSP技术在隧道工程中的运用责任编辑:杨雪    阅读:人次