TSP-203系统在太安岭隧道超前地质预报中应用

尚立峰

(山西路桥第二工程有限公司，山西临汾 041051)

1 超前地质预报工作任务

超前地质预报的任务包括:1)掌子面前方岩性变化情况和围岩级别;2)掌子面前方可能出现的断层及破碎带的发育情况(包括位置、厚度、产状);3)掌子面前方软岩地段的位置和长度;4)掌子面前方岩体地下水条件(是否含水和涌水情况);5)掌子面前方岩溶发育程度及溶洞的位置等。

2 超前地质预报的内容及主要方法

2.1 主要内容

1)通过对围岩级别及其稳定性的预报:预知开挖面前方的围岩类别与设计是否吻合，并判断其稳定性，随时提供修改设计、调整支护类型及开挖后确定二次衬砌时间的建议等。2)通过对断层及其破碎带的预报:预知断层的位置、宽度、产状、性质、充填物的状态，是否为充水断层，并判断其稳定程度，提出施工对策。3)通过对不良地质及灾害地质预报:预知开挖面前方一定范围内有无突水突泥、岩爆及有害气体等，并查明其范围、规模、性质，提出施工措施或建议。4)通过对水文地质的预报:预知洞内突涌水量的大小及其变化规律，并评价其对环境地质、水文地质的影响。

2.2 主要方法

1)常规地质法:水平超前钻孔;超前导坑;地质素描;2)工程物探法:红外探测;声波探测;地震波法。

3 太安岭隧道地质预报实例

3.1 工程概况

王城高速公路是国家高速公路网组成部分，而太安岭隧道是王城高速公路的控制性工程，太安岭隧道建成后，将彻底改变山西“北大门”的交通现状。太安岭隧道为分离式隧道，右洞全长2 358 m，左洞全长2 336 m。

3.2 太安岭隧道地质概况

本隧道岩性为晚侏罗系南园组(晶屑)熔结凝灰岩及其风化层，局部为燕山晚期倾入花岗岩。隧道场址具体发育有2组共15条断裂构造及7条节理裂隙密集带，带内节理裂隙发育，岩石较破碎，且极易形成排水通道，隧道洞身围岩受其影响，围岩级别降低。

3.3 太安岭隧道超前地质预报

太安岭右洞YK23+210附近岩体断裂破碎带发育，地下水较丰富，拟采用掌子面编录地质推理和地质雷达相结合的方法进行超前地质预报。

3.3.1 掌子面编录地质推理

YK23+210附近岩体岩性为晚侏罗系南园组(J3n)灰绿色微风化熔结凝灰岩，具熔结凝灰结构，岩质较坚硬～坚硬，锤击声稍响，有回弹，难击碎，岩石强度为58 MPa～62 MPa。岩体较为破碎。掌子面处节理裂隙较发育，主要发育有3组节理。经现场节理统计分析掌子面处岩体Jv约为15.0，岩体完整性指数Kv约为0.45，掌子面附近岩体较破碎，属裂隙块状结构。掌子面处主结构面J1，J2走向与洞轴向夹角约40°～50°，而J1及J2倾角较大，此结构面对侧墙围岩稳定不利。掌子面附近地下水较不发育，掌子面较干燥。

根据《公路隧道设计规范》(2004)，得出岩体基本质量指标［BQ］=334。综合分析可确定掌子面附近围岩属Ⅳ级。

3.3.2 TSP-203系统

本工程采用瑞士Amberg公司最新生产的TSP203型超前地质预报系统设备，探测的基本步骤可以分为:布置钻孔→钻孔施工→数据采集→数据分析→提交报告，分析地质。

1)接收器钻孔布置方法:在隧道左或右壁面布置一个接收器钻孔，钻孔的直径为43 mm～45 mm，孔深2 m。接收器钻孔要沿轴径向，向上倾斜10°;布置高度一般离地面约1 m，其位置在离掌子面大约55 m的地方。2)爆破钻孔布置方法:爆破钻孔数量:在隧道左或右壁面布置爆破钻孔(根据岩层走向确定在左或右)，根据实际情况一般设置18个～24个;爆破钻孔直径:38 mm(20 mm～45 mm)/孔深 1.5 m(最小 0.8 m，最大 2.0 m)。爆破钻孔布置:沿轴径向，向下倾斜10°(水封填炮泥);布置高度:离地面约1 m;布置位置:第一个钻孔离接收器约20 m，其余炮眼间距1.5 m。3)资料分析与处理。将采集到的数据，通过相关软件进行处理，以地震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，结合掩饰物性参数界定岩石类型，岩层软硬程度，是否包含水分，裂隙流水情况就会显而易见了，将探测结果出具报告，对掌子面前方岩体进行描述，确定施工方案，技术交底。4)注意事项。根据实际开挖揭示情况判定围岩等级，及时提出围岩级别调整建议，按照四方会议纪要确定的围岩支护参数指导施工。掌子面围岩开挖后必须进行初喷，及时封闭成环，施工采用二台阶法，按照“短进尺、弱爆破”的原则，每循环进尺采用1 m，每天完成3个循环。周边炮眼加密，间距40 cm～50 cm，药量根据围岩软硬程度进行调整，严格按设计和规范要求施作超前支护，确保施工安全。必要时预留核心土，防止塌方等突发事故发生。加强围岩变形监控量测，仰拱距上导距离不得大于50 m，二次衬砌及时跟进，距掌子面距离不得大于90 m。施工过程中要尽量减少噪声和漏炮。若发现前方有可能存在不良地质体或含水，应先打超前钻孔，以保证施工安全。5)施工措施。a.地质素描在每炮后应及时进行，对掌子面、边墙、拱顶及底板围岩的工程地质及水文地质特征进行详细描述，描述要真实贴切，并辅以适当的图形、图片。在开挖够60 m后，及时对素描资料进行汇总，并形成展示图。b.在各项现场采集工作结束后，内业数据分析、处理以及报告编写应及时，成果报告应有编制、复审核。c.成果报告及时提交，做到信息化施工。d.把预报、检测结果与实际开挖情况进行比对，不断总结，调整各种参数、方案组合等，对预报做出修正，提高准确性。

4 施工验证

本次探测是在太安岭隧道左洞里程为YK23+210的掌子面上进行的，由记录显示:地质雷达在本次探测的有效预报距离为60 m。雷达记录显示掌子面(里程YK23+210)前方附近，即里程为YK23+208.8～YK23+205.8范围内有一宽裂隙带存在，裂隙带宽度大约1 m～2 m，且裂隙含水较多。自里程YK23+205.8～YK23+192范围，围岩裂隙较发育，为小到中等裂隙带，宽度约为0.1 m ～0.4 m，裂隙含水;自里程YK23+192～YK23+189 围岩中有微、小裂隙发育;自里程YK23+189～YK23+181围岩中有裂隙带存在，裂隙带平均宽度约为0.1 m～0.2 m，且裂隙含水;自里程YK23+181～YK23+150围岩中有微小裂隙发育，围岩结构较完整，最后根据施工现场开挖实际情况显示，预测情况与实际情况基本相吻合。

5 结语

简要介绍了TSP-203超前地质预报系统的原理及工作方法，对太安岭隧道进行地质预报，探明了该地层岩层分布情况，从而为隧道施工、设计变更提供了水文地质与工程依据，目前该工程基本结束，处理方法合理。

［1］中铁西北科学研究院.隧道超前地质预报检测报告［R］.

［2］曹轶之，王新洲.TSP203系统及其在国防工程中的应用［J］.地理空间信息，2005(3):57-58.

［3］杨荣华，牛瑞芳，曹轶之.地质超前预报技术及TSP203系统的应用探讨［A］.第七届全国矿山测量学术会议论文集［C］.2007.

［4］朱永全，宋玉香.隧道工程［M］.北京:中国铁道出版社，2009:16-19.