三维TSP在涌泥隧道空腔及松散体探测中的应用

杨绪祥 罗建杰

(云南省公路科学技术研究院，云南 昆明 650051)

三维TSP在涌泥隧道空腔及松散体探测中的应用

杨绪祥 罗建杰

(云南省公路科学技术研究院，云南 昆明 650051)

介绍了三维TSP探测技术的原理，采用该技术探测了杨林隧道突水、涌泥的基本情况，并简述了探测系统的布设方法，将探测预报成果与实际开挖现状作了对比，为隧道施工中地质灾害的治理提供了依据。

三维TSP探测技术，隧道，突水，涌泥

高速公路隧道施工过程中，涌水突泥事故是隧道工程施工中最严重的地质灾害之一，严重影响隧道施工安全和结构安全[1,2]，涌泥发生段，通常在隧道周边形成较大的空腔和松散堆积体，为减少工程隐患、确保工程质量，通常要采用泵送混凝土回填和注浆固结等工程措施进行处治。而治理的前提是探明空腔的区域位置，为制定处治方案、降低处治安全风险、确保处治效果提供了基础地质资料，因此发生涌泥后所形成空腔的大小及区域位置一直都是各方迫切需要了解的焦点问题。目前在隧道超前地质预报中运用三维技术已有一些研究[3-5],但面对涌泥等形成的特殊工作环境，难以满足其适用条件。本文以云南昆明绕城高速公路东南段杨林隧道ZK21+788～ZK21+816涌水突泥的治理为例，着重阐述了三维TSP在涌泥发生后空腔和松散体区域探测的成功应用，该技术的推广应用将为类似地质灾害的治理提供更精确更直观的基础地质资料，为避免在涌泥事故处治中盲目注浆提供了新的依据。

1 三维TSP探测技术的原理

三维TSP探测技术在采集数据时与常规二维一致，方法是在隧道左边墙或右边墙布设至少18个炮点，用少量炸药激发地震波。地震波在岩石中以球面波形式传播，当遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号折射进入前方介质(如图1所示)。反射回来的那部分将由高灵敏度的地震检波器接收。接收的这部分信号就是TSP野外采集的原始数据，数据采集后，通过Amberg TSP Plus软件进行处理，获得P波的深度偏移三维图、速度剖面三维图、岩石物理及力学参数和岩石参数表等成果。

2 三维TSP技术在涌泥空腔探测中的应用实例

2.1 突水、涌泥点地质情况

杨林隧道出口左洞ZK21+788处围岩由全风化～强风化泥质白云岩、页岩、泥质夹砂岩组成，呈镶嵌破碎结构，地下水丰富，富水性强。详细地质构造见图2。

根据地质勘察报告杨林隧道区域构造示意图(如图2所示)，发生突水、涌泥区域有一性质不明断层。围岩主要为中风化泥质白云岩、白云岩、砂岩、粉砂岩、页岩等。薄层状～中厚层状，产状320°∠28°，271°∠29°，节理裂隙较发育，岩体较破碎。地下水较丰富，富水性较强，主要为基岩裂隙水，局部可能富存岩溶水。

2.2 杨林隧道突水、涌泥基本情况

杨林隧道左幅掘进至ZK21+788处时，突然发生较大突水、涌泥，首次涌泥量4 000余立方米。ZK21+800～ZK21+788段上台阶基本被泥沙填满，并在24 h内连续发生不同规模的涌泥两次，最终涌泥量达8 000余立方米，将ZK21+800～ZK21+816段全部淤塞。

2.3 探测系统布设

此次预报的设备为Amberg Measuring Technique公司生产的TSP203型三维地质超前预报仪。探测系统是在隧道一侧布设一条观测线，在其上布设一排炮点S；根据岩层界面的走向，炮点观测线剖面可以布设在隧道左边墙，也可以布设在右边墙。面向隧道前进的方向，划分为左右边(见图3)，一条炮点剖面布设两个接收器。对于相当复杂的地质条件，最好采用两个炮点剖面，以提高探测的准确度。

3 预报成果及实际开挖对比分析

采集的TSP数据，通过Amberg TSP Plus软件进行处理，获得P波的深度偏移三维图、速度剖面三维图等成果图如图4所示。三维坐标是以两接收孔连线(同一水平上)的中点为参考点建立三维坐标系，X为正表示隧道开挖向，Y为正表示隧道右侧，Z为正表示位于参考点的上方。

根据图4，预测涌泥后形成的松散堆积体基本范围，如表1所示。由图4及表1预测出1号，2号空腔及松散体区域的范围：1号空腔及松散体位于隧道前进方向左侧，里程桩号为ZK21+790～ZK21+780，该区段围岩主要由全风化页岩和泥岩夹砂岩组成，岩体极破碎，地下水出水状态为淋雨状～股状涌水，空腔及松散体内富含地下水；2号空腔及松散体也位于隧道前进方向左侧，里程桩号为ZK21+766～ZK21+755，该区段围岩主要由全～强风化页岩和泥岩夹砂岩组成，岩体极破碎～破碎，地下水出水状态为淋雨状～股状。

表1 空腔及松散体区域范围 m

根据上述空腔和松散体区域提出以下处治建议：

1)受空腔和松散体的存在影响前述特殊地质体段会出现偏压现象，可能导致支护结构的破坏，发生局部坍塌，处治过程中应高度重视，1号,2号区域应作为泵送混凝土充填及注浆加固重点区域。2)地下水依然丰富，请提前施作超前钻孔，将前方地下水及时引排。3)加强涌泥段和前方过渡段初期支护强度，并做好超前支护，掌子面开挖前应对空腔充填及超前支护注浆加固效果进行钻芯取样检查，达不到注浆加固效果不得盲目开挖。

通过上述预报和建议，在编制处治方案时，对预报空腔和松散体区域进行了重点注浆加固，最终成功穿越涌泥体及涌泥影响段，处治过程未再发生任何次生灾害。结合后期的开挖情况及相关地质资料综合分析，得出的预报结论见表2。由表2可知，预报结论和实际开挖情况基本相符，较为准确地探测出了ZK21+790～ZK21+780,ZK21+766～ZK21+755段空腔和不密实松散体的位置，由此可见，采用三维TSP对隧道涌泥周边进行特殊地质体探测是成功的，为涌泥的处治起到了良好的指导作用，预报效果良好。

表2 预报结论与实际开挖情况对比

4 结语

1)三维TSP超前地质预报对隧道涌泥形成的空腔及松散体区域探测具有良好的效果，探测成果可视化程度高，直观清晰，便于识别，为涌泥等特殊地质灾害的治理提供更精确更直观的基础地质资料，为避免在涌泥事故处治中盲目注浆提供了新的依据。2)预报中显示的空腔区域后期注浆后大部分已被充填密实，但部分区域不完全为水泥浆液，呈松散颗粒与水泥浆胶结体，表明该区域为探测后空腔在继续塌落，空腔的大小和区域在处治过程中呈现动态发展的过程，应边探边治理，可进一步提高处治精度和效果。3)TSP法本身的数据采集依赖于少量炸药激发形成的地震波，在涌泥发生后隧道处于极限平衡的暂时稳定状态下，凿岩打孔实施爆破应注意作业安全，必要时可先对涌泥段采取临时加固措施后实施数据采集。

[1] 鲁光银，韩旭里，朱自强.综合探测技术在公路隧道涌泥灾害治理中的应用[J].防灾减灾工程学报，2005,25(3)：239-243.

[2] 吴丰收，李富明.TRT法隧道三维超前地质预报技术应用[J].声学技术，2014,33(4)：349-353.

[3] 肖书安，吴世林.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术[J].工程地球物理学报，2004,1(2):159-165.

[4] 刘志刚，刘秀峰.TSP(隧道地震勘探)在隧道隧洞超前地质预报中的应用与发展[J].岩石力学与工程学报，2003,22(8)：1399-1402.

[5] 王统金，王运生.一种三维隧道地质超前预报新方法的研究与应用[J].工程地球物理学报，2014,11(2)：147-150.

On application of three-dimension TSP in monitoring of mud-rushing tunnel cavity and loose rock

Yang Xuxiang Luo Jianjie

(YunnanRoadScienceandTechnologyInstitute,Kunming650051,China)

The paper introduces the principle for the three-dimension TSP detecting technique, adopts the technique to detect the gushing water and mud in Yanglin Tunnel, and indicates the allocation methods for the detecting system, undertakes the comparison between the expected results and excavation status, so as to provide some reference for the treatment of the geological disasters in the tunnel construction.

three-dimension TSP detecting technique, tunnel, water gushing, mud gushing

1009-6825(2017)05-0194-02

2016-12-07

杨绪祥(1984- )，男，硕士，工程师

U456.3

A