TSP203超前预报系统在公路隧道中的应用

2022-09-12

隧道隧洞开挖面前方隐伏断层及破碎带规模的准确定位和评价, 可有效地防止隧道隧洞地质灾害的发生。超前地质预报作为一门新兴的边缘学科, 在生产实践中越来越发挥其不可替代作用。成功准确地预测, 能够避免工程事故发生, 节省大量资金。近年来大量的科研实践和施工实践也证明, 做好超前地质预报工作, 并结合恰当的不良地质区段辅助工法, 地质条件再复杂的隧道, 亦能有效地预防地质灾害发生。TSP超前探测是目前适用范围最广、预报效果最好的超前预报方法。

1 TSP203超前预报系统的原理

1.1 理论基础 (图1)

地震超前预报方法是利用地震波在不均匀、不连续地质体界面产生反射, 实现隧道地质超前预报目的的。由微型爆破引发的地震信号分别沿不同的途径, 以直达波和反射波的形式到达传感器, 与直达波相比, 反射波需要的传播时间较长。TSP地震波的反射界面实际上是指地质界面, 主要包括大型节理面、断层破碎带界面、岩性变化界面和溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等。这些不良地质界面的存在对于隧道施工能否正常进行往往起着决定性的作用, 因此准确的对其规模、位置进行预测具有重要的意义。TSP203系统由测得的从震源直接到达传感器的纵波传播时间换算成地震波传播速度:

式中

X1为爆破孔到传感器的距离 (m) ;

T1为直达波的传播时间。

在已知地震波的传播速度下, 就可以通过测得的反射波传播时间推导出反射界面与接受传感器的距离, 以及在隧道断面的距离, 其理论公式为

式中

T2为反射波传播时间;

X2为爆破孔与反射界面的距离;

X3为传感器与反射界面的距离。

2 TSP203超前预报系统在擦罗2#隧道的应用

2.1 擦罗2#隧道概况

擦罗2#隧道位于四川省雅安市石棉县擦罗乡境内, 设计为雅泸 (雅安至泸沽) 高速公路双线隧道。左线里程为K132+978 (高程1287.736m) 至K134+855 (高程1307.691m) , 全长1881m。右线里程为YK132+968 (高程1287.603) 至YK134+905 (高程1314.896m) , 全长1940m。隧道内直线段路面横坡为单向坡2%, 最大纵坡2.9%, 最小纵坡0.5%。

擦罗2#隧道地处中高山地形, 隧道穿越擦罗山包与灯盏窝分水岭, 隧道沿线山包最高海拔在1490.0m, 隧道段最低标高在1318.0m, 相对高差172m。进口端正处108国道旁一斜坡处, 斜坡坡角33°~55°, 出口为擦罗乡南桠河左岸斜坡, 坡角50°。

隧址区地层主要为早震旦世花岗岩 (γ22) , 其次为在斜坡、平台、沟谷地带分布的第四系全新统残坡积层 (Q4e1+d1) 、第四系中上更新统冰水沉积层 (Q2+3fa1) 及第三系上新统昔格达组 (Q2x) 。隧道位于川滇南北向构造带 (康滇地轴) 北段, 根据地质调查和钻探资料, 隧址区见挤压破碎带, 辉绿岩脉多沿此带侵入, 并被第三系、第四系地层覆盖, 其时代早于第三系, 稍晚于早震旦世花岗岩 (γ22) 时期。

隧址区地下水主要由覆盖层中的孔隙水和基岩裂隙水两部分构成。地下水主要受大气降水补给, 迳流途程短, 排泄迅速, 向斜坡下游河谷排泄。其渗透性差, 储存条件差, 对隧道影响较小。

TSP超前地质预报是勘测设计阶段以后工程地质工作的继续, 主要目的是探测或预测开挖工作面前方围岩工程地质和水文地质情况, 获取详实可靠的地质信息, 如围岩类别、断层带和破裂带位置、性质、规模、富水等, 进行信息反馈。并对探测到的地质情况进行综合分析, 作出判断, 提出地质预报成果, 作为指导施工和优化支护参数、围岩类别变更等动态设计的依据。

2.2 TSP203数据测试参数

测试位置:擦罗2#隧道左线进口;

测试仪器:TSP-203plus;

掌子面位置:K133+528;

接收器位置:擦罗2#隧道左线进口左右两侧K133+462;

接收器数量:2个;

测点位置:擦罗2# 隧道左线进口左壁

设计测点:2 4个;

采样间隔:62.5μs;

记录时间长度:451.125ms;

采样数:7218。

2.3 数据处理与评估

采集的TSP数据, 通过TSPwin软件进行处理, 获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面 (图2) 和反射层提取 (图3) 以及岩石物性参数等成果。预报距离为100m (即K133+528~K133+628) 。

在成果解释中, 以P波资料为主对岩层进行划分, 结合横波资料对地质现象进行解释。解译成果如下:

(1) K133+528~K133+554段:长度约26米, 该段岩层以早震旦世弱风化花岗岩为主, 块状构造, 围岩稳定性较好, 节理不发育, 无地下水, 围岩级别为Ⅲ级。

(2) K133+554~K133+594段:长度约40米, 围岩强度较前段降低, K133+560~K133+564段和K133+567附近裂隙节理极为发育。其中K133+570~K133+594段张性裂隙密集带。围岩呈碎石状松散结构, 岩石完整性差, 裂隙率大, 岩体整体性差, 沿节理面在拱顶和拱脚处为喷护的围岩上可发生片帮、掉块现象。该段隧道施工时应注意控制及时支护, 防治塌方的发生。围岩级别为Ⅴ级。

3) K133+594~K133+600段:长度约6米, 围岩强度增强, 裂隙仍较发育, 岩体较破碎, 无地下水, 围岩级别Ⅳ级, 施工时注意加强支护防止掉块。

裂隙带, 注意加强支护, 防止坍塌。围岩级别为Ⅴ级。

2.4 对后续施工地质工作建议

在TSP203plus探测的基础上, 结合地面地质体投射法和断层参数预测法等其他长期超前地质预报手段, 以及短期预报手段才能达到提高超前预报的准确性和可靠度的目的。

3 结语

对上述预报结论的验证表明, TSP预报系统对断层和破碎带的预报结果基本相符。通过以上的工程应用实例, 可以看到TSP203超前地质预报能够及时地了解掌子面前方的地质情况, 特别是对掌子面前方断层及破碎带的探测。为隧道施工和及时地调整支护参数提供依据, 有效地控制地质事故的发生, 确保支撑隧道的岩石牢固可靠和施工质量, 改善工地的安全, 赢得施工时间, 降低成本, 提高隧道掘进的进度将风险降低到最小。

摘要：TSP203系统是瑞士安伯格公司专门为隧道地质超前预报而设计的隧道地震探测仪, 该系统集数据采集、数据处理和成果评估于一体, 高度智能化。可预报隧道掌子面前方至少100m范围内围岩地质体的性质、位置和规模, 并计算出岩石物理力学参数, 为确定合理的支护参数提供科学依据, 确保隧道施工安全和质量。本文对TSP203系统工作原理及通过施工应用实例系统地作了阐述。

关键词：TSP203,隧道,超前地质预报