TSP隧道地质超前探测中反射波主频的探讨

周柏林

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

近年来，随着我国经济建设的快速发展,铁路、公路和水利工程建设中的隧道工程越来越多。由于隧道洞身地质的复杂性、隧道地质勘察工作的艰巨性,地面勘察难以准确查明隧道洞身的具体地质情况,存在隧道施工发生坍塌、涌水突泥等危害。因此，隧道地质超前探测工作成为了隧道施工中的重要一环。针对隧道施工狭窄的场地条件和施工机械振动干扰的超前探测工作环境,提高TSP隧道地质超前探测法外业采集数据的可靠性,这是需要解决的问题。下面结合被称为岩溶发育、地下水丰富、暗河系统发育、突水突泥的风险程度和工程处理难度为国内外罕见的宜万铁路复杂岩溶隧道工程地质超前探测实例,对TSP地质超前探测外业采集的反射波主频与隧道围岩级别、隧道地质超前探测效果进行试验研究和探讨。

1 TSP超前探测法简介

TSP203超前探测采用弹性波反射原理,通过对检波器接收的弹性波反射信号进行处理分析,推断工作面前方断层破碎带等不良地质体的位置、规模、岩石力学参数。TSP203超前探测工作原理见图1。

图1 TSP203超前探测工作示意

2 TSP超前探测反射波主频(频谱)研究

在隧道进行弹性波超前探测,如TSP203超前探测,有多次反射波、施工机械的弹性波等相互干涉,再加之隧道的特珠场地环境的影响,有必要对TSP超前探测采集数据质量影响因素进行研究。

在对采集数据进行处理中,发现在框取反射波主频时,主频范围与围岩级别及探测效果存在一定的联系,因此对宜万铁路齐岳山隧道、马鹿箐隧道等复杂岩溶隧道的不同围岩级别进行TSP203超前探测数据采集、处理后，与施工资料进行综合对比分析，以及TSP203超前探测的反射波频谱范围与围岩级别的对比分析。

2.1 反射波主频形态

TSP203超前探测效果较好的(正确),TSP203反射波频谱分析图中反射波主频应为单峰明显(如图2),否则为干扰较大,TSP203超前探测效果较差(如图3)。

图2 正确的TSP203反射波频谱分析

图3 干扰较大的TSP203反射波频谱分析

2.2 反射波主频与围岩级别的关系

对宜万铁路齐岳山隧道、马鹿箐隧道、云雾山隧道等复杂岩溶隧道工作面为二级围岩、三级围岩、四～五级围岩的前方不良地质体(溶腔、断层、岩溶管道)分别进行了24次、23次和17次的超前探测,根据探测资料作二级围岩、三级围岩、四～五级围岩的TSP203超前探测反射波主频范围频次如图4～图6。

图4 Ⅱ级围岩反射波主频范围频次关系

图5 Ⅲ级围岩反射波主频范围频次关系

图6 Ⅳ～Ⅴ级围岩反射波主频范围频次关系

图4～图6中,实线表示TSP超前探测基本正确或正确的反射波主频范围的频次,虚线表示TSP超前探测大部分不正确或探测不准的反射波主频范围的频次。从图中看出,合格的反射波主频范围：二级围岩50～3 000 Hz,三级围岩50～2 000 Hz,四～五级围岩50～1 200 Hz。超过此范围说明反射波干扰较大,探测效果较差。

3 研究结果

对TSP地质超前探测外业采集的反射波主频与隧道地质超前探测效果进行试验研究的结果：

(1)得到了隧道TSP地质超前探测反射波正确的主频图和干扰较大(不合格) 主频图。

(2)得到了隧道Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ～Ⅴ级围岩级别的合格(干扰较小)TSP地质超前探测反射波主频范围。

(3)从外业采集的反射波形态、主频范围可对TSP隧道地质超前探测外业采集数据质量进行判别。

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