TSP203超前预报在怀邵衡铁路岩鹰鞍隧道排水洞施工中的应用

肖谆，万方良，张真，张杨

（1．湖南省有色地质勘查研究院, 湖南长沙 410015； 2．中南大学土木工程学院, 湖南长沙 410015）

1 TSP203 简介

TSP203超前地质预报系统是一种广泛应用于隧道及地下工程的先进物理探测设备。其探测距离最低为250m，最大可达到500m，精确有效解译距离为150m，最高分辨率可达l.0m，能准确确定施工隧道前进方向内的断层破碎带、软弱岩石带、岩溶、含水层等地质性质及空间位置，并可获得地层变化的二维和三维图像，软件解译快速方便，可靠度高［1-8］。其工作原理是利用地震反射波和衍射波原理，在施工隧道工作面（掌子面）前一定范围内探测岩体的工程地质条件。该设备用于收集隧道围岩界面的地震回波，并通过专业处理系统提取回波的界面位置，空间分布，回波极性和回波能量等信息，并进行组合。综合分析隧道地质调查数据，实现隧道地质超前预报目的。

2 工程应用实例及成果分析

2.1 工程概况

岩鹰鞍隧道位于湖南省洞口县西部雪峰山山脉下，是怀邵衡铁路的重点控制性工程，隧道全长5302m，最大埋深720m，是一条双线单洞隧道，平面上总体呈北西走向，北西起点位置在洞口县长塘乡长塘村，南东终点位置位于洞口县回龙庵乡，隧道进口里程为DK84+526m，出口里程为DK89+828m。

2.2 工程地质特征

怀邵衡铁路岩鹰鞍隧道地处湖南西部雪峰山区，地形复杂，地势陡峭且多变。由于受区域构造的影响，隧道穿越区山脉总体呈北东走向，属中等切割构造侵蚀的中—低山区，地形起伏不平，山体海拔在400至1100m之间，一般多为500m～600m，相对高差大约为700m，总体地势（沿隧道的中心线）为前、中段高，后段低，由前往后逐渐低落。

岩鹰鞍隧道大地构造位置位于湘中印支一燕山多旋回褶皱带西部，与雪峰复合山链紧邻的长塘构造变形区和洞口一竹市构造变形区的交界部位。隧道区内有大湾倒转背斜和木瓜一管竹山向斜两个大的褶皱；规模较大和对隧道有影响的的区域性大断层有2条，即洞口塘一岩鹰鞍正断层和张家庄一横坡逆断层。隧道区广泛分布志留系粉砂质板岩及条带状粉砂质板岩，泥盆系石英砂岩、石英细砂岩、石英粉砂岩、粉砂质钙质泥岩、泥岩，泥质灰岩等地层。

隧道区岩石节理、裂隙较发育见图1，其主要走向共有三组，分别为230°（共11条/m2）、276°（12条/m2)和233°（共35条/m2）；节理裂隙延伸长度不等，最大为5.0m，最小为0.1m，一般以0.5m～3.0m居多；节理裂隙间间距0.1m～0.5m，节理裂隙多呈线性延伸，裂隙面大多平直、光滑，局部呈弧形弯曲（波浪状），以闭合—微张型为主，少部分为张开型并伴有铁质（褐铁矿）、泥质物充填。

图1 节理裂隙走向玫瑰图

2.3 主要地质问题

①岩鹰鞍隧道排水洞PSDK0+039m掌子面揭露岩性为泥盆系佘田桥组泥岩，弱风化，中厚层块状构造，节理裂隙较发育，岩体较破碎。②测区隧道埋深高，地壳的温度在一定深度会随深度的增大而增大，深度愈大，温度越高。③对深埋隧道，上覆岩体厚，围岩的自重应力一般偏高，如果岩体一带构造运动频繁强烈，则构造应力也高。④断层破碎带，隧道洞身发育多条断层，断层两侧围岩破碎，易形成裂隙水富集，施工中易塌方；硬质岩地段易掉块、软质岩地段易变形、开裂。

2.4 TSP203探测

本次隧道地震超前地质预报工作，采用TSP203隧道地质超前预报系统进行。项目组于2016年07月12日进场开展工作，当日完成数据采集工作见表1，其探测结果经数据处理后的示意图2-图6。

表1 TSP203现场数据记录表 /m

图2 P波深度偏移成像

图3 SH波深度偏移成像图

图4 SV波深度偏移成像图

图5 地震超前预报反射层位图

2.5 超前预报结果和施工建议

本次超前预报时掌子面里程位置：PSDK0+039m，预报里程范围为PSDK0+039m～PSDK0+200m，预报方向由小里程至大里程方向。炮孔段纵波速度为3400m/s，横波速度为2100m/s。

图6 纵、横波速度分布图

预报里程范围内纵波速度在3300m/s～3500m/s范围内变化，具体情况如下：PSDK0+039m～PSDK0+200m段，长度160m，泊松比、波速波动剧烈，推测预报范围内岩石完整性较差，岩石很破碎。特别是在PSDK0+080m～PSDK0+170m里程内，该段反射面非常密集，推测岩石中节理裂隙发育，岩石非常破碎，裂隙水较为发育，建议围岩级别为IV级，在施工过程中极可能发生坍塌、掉块等事故，建议在隧道开挖施工过程中，采用锚喷或超前小导管注浆支护，加固围岩。在围岩稳定性相对较低（围岩软弱带），节理裂隙发育区或断层断裂带区段增加支护强度，同时加快施工速度，避免了隧道拱顶的坍塌，特别要加强隧道侧壁的支撑。

3 结论

采用TSP203超前预报可以有效减少隧道施工工程中坍塌、掉块、突水等安全事故的发生。结合怀邵衡铁路岩鹰鞍隧道排水洞工程，综合TSP203超前地质预报系统野外测量资料和隧道施工掌子面地质原始编录资料，成功地预报了掌子面前方的岩体破碎及裂隙发育、围岩级别和地下水情况，建议在隧道开挖过程中要注意隧道岩体对施工安全的影响，采用锚喷或超前小导管注浆支护，加固围岩。在围岩稳定性相对较低（围岩软弱带），节理裂隙发育区或断层断裂带区段增加支护强度，同时加快施工速度，特别要加强隧道侧壁的支撑，避免了隧道拱顶的坍塌。在怀邵衡铁路部分隧道超前地质预报中证实了TSP203作为一种隧道地质预报手段的合理性和有效性。