TSP隧道超前地质预报技术在宽大断层内部的应用

王汪汪 ,牟元存

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

1 引 言

新建丽江至香格里拉铁路位于云南省西北部，青藏高原南东缘之横断山脉中段，线路位于印度板块和欧亚板块相碰撞的缝合带附近，新构造运动十分强烈，特别是沿线分布有多条大规模的活动断层且断层内部地质情况复杂多变。在断层地段隧道开挖过程中，如不能查明前方地质条件并采用有针对性的施工措施，则发生突泥涌水、塌方等工程地质灾害的几率将会大大增大，严重影响隧道安全建设。

作为预判隧道开挖前方地质情况、指导现场施工和预防工程地质灾害的一种重要手段，超前地质预报已成为隧道施工过程中必不可少的一环，并在探测岩溶、裂隙水、小规模断层破碎带及其边界圈定、煤层瓦斯等方面取得了较好的应用成果[1-8]。TSP法(一种弹性波反射法)是一种高分辨率的多波多分量的地震波反射勘察法，凭借其影响施工程度小、预报距离长、方法较成熟等优点已被广泛应用于隧道超前地质预报中[9-15]。本文采用TSP法在宽大断层内部开展超前地质预报应用研究工作，通过实例论证了该方法的有效性，为宽大断层内部隧道的安全施工、优化施工方案等方面提供了较好的指导和参考。

2 TSP超前地质预报技术工作原理

TSP(Tunnel Seismic Prediction Ahead)法采用的是地震反射波法勘探原理，如图1所示，

在临近隧道掌子面的一侧边墙布置约24个激发炮孔，每个激发孔的间距约为1.5 m，在距离第24号激发炮孔往后15～20 m处的两侧边墙位置各布置一个约2 m深的信号接收孔。在激发孔中依次引爆适量的炸药，爆破产生的地震波以球面波的形式在围岩中传播，一部分地震波会向掌子面前方的围岩传播，当向前传播的地震波遇到如岩溶、破碎带、岩层分界面等不良地质体时，由于围岩波阻抗发生改变，一部分地震波会发生反射，另外一部分地震波发生透射并继续向前传播。反射回来的地震波通过布置在接收孔中高精度的三分量接收器接收，其频谱、振幅、波形、接收时间都与掌子面前方地质体物性紧密相关。通过对所采集地震波数据进行处理分析，来判断隧道掌子面前方的地质情况[16-19]。

图1 TSP工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of TSP method

3 典型隧道断层预报案例分析

本文分别选取了在宽大逆断层、宽大正断层2种类型断层内部开展的TSP探测实例进行分析介绍。通过对纵、横波速度,纵横波速比,泊松比,动态杨氏模量参数进行分析比较，结合开展预报时掌子面的地质情况，最终预报出前方围岩的地质情况。

3.1 宽大逆断层内部预报案例

丽香铁路A隧道位于丽江盆地南缘，文笔水库南侧，隧道全长约3.3 km。隧道洞身穿越下更新统蛇山组(Q1s)黏性土、块石土、断层角砾(Fbr)，第三系丽江组三段(E2l3)白云质、灰质角砾岩、三叠系中统北衙组(T2b)白云质灰岩，二叠系虎跳涧区(Pβ)玄武岩地层。隧道穿越2条断层，其中洞身DK4+450～+650段附近发育有与隧道近垂直的丽江-剑川断层，为活动型的区域性逆断层，断层带内围岩破碎，围岩胶结紧密，隧道地质条件复杂，隧道纵断面如图2所示。

3.1.1 观测系统布置及数据采集

本次TSP超前地质预报测试掌子面位置为DK4+604，掌子面开挖朝小里程方向，接收孔位置位于DK4+645，沿隧道左边墙均匀布置有21个激发炮，左右边墙各布置一个接收检波器，观测系统各参数设计如表1所示。使用TSP203超前地质预报系统进行数据采集，设置时间采样间隔为62.5 μs,记录时间长度为451.125 ms，激发震源采用药量为75 g的微型乳化炸药。

图2 A隧道纵断面Fig.2 Schematic diagram of longitudinal section of tunnel A

表1 观测系统参数

3.1.2 数据处理及成果解译

采用TSPwin专用处理软件对采集的数据进行数据处理，先后经过数据设置、带通滤波、初至拾取、拾取处理、炮能量均衡、Q估计、反射波提取、P-S波分离、速度分析、深度偏移、反射层提取11项处理步骤，最终得到如图3所示的反射层位及物理力学参数成果。

根据图3并结合相关的地勘资料分析，在掌子面前方0～62 m和77～120 m(对应里程为DK4+604～+542和 DK4+527～+484)范围内，各物性参数基本保持不变，其中横波速度约为1 931 m/s;VP/VS比值约为1.66，泊松比约为0.23;动态杨氏模量约为22 GPa。推测本段围岩情况与起始掌子面DK4+604围岩情况(图4)类似：围岩呈破碎状，岩质较软，围岩含较多泥质夹层，掌子面呈现整体潮湿状，局部伴有渗水，建议该段落施工过程中加强支护。在掌子面前方62～77 m，即DK4+542～+527里程段为物性参数异常段落，表现为横波速度上升，速度由1 931 m/s突增为2 446 m/s；VP/VS比值下降，比值从1.66突降为1.36；泊松比数值从0.23显著下降；动态杨氏模量上升，数值从22 GPa突增为34 GPa。推测DK4+542～+527里程段围岩情况转好，围岩呈较破碎状，岩质转硬，掌子面含水较少或呈干燥无水状态，围岩局部夹泥。

3.1.3 丽江-剑川断层内部开挖验证情况

隧道掌子面开挖后在DK4+604～+543里程段围岩完整性较差，围岩呈破碎状，整体潮湿并时有渗水，节理裂隙发育，裂隙中夹杂有大量的泥质成分；当隧道开挖至DK4+543～+542段时，围岩情况逐渐转好，掌子面围岩呈较破碎状，干燥无水，裂隙中夹有一定量泥质成分，现场DK4+542开挖掌子面地质情况如图5所示。在DK4+542～+529后续开挖过程中，围岩情况基本保持一致；而在里程DK4+529～+484段现场开挖围岩变差，围岩破碎，总体潮湿且局部伴有少量渗水，围岩含较多泥质夹层。实际开挖情况与预测结果基本吻合，同时较为准确地判断出在大范围含水段落中存在隔水段DK4+542～+529的情况，这为快速开挖通过本段、优化施工方案、节约施工成本和时间提供了较好的指导作用。

图3 反射层位及物理力学参数成果Fig.3 Reflected layers and physical-mechanical parameters

图4 DK4+604围岩地质情况Fig.4 Geological condition of DK4+604

图5 DK4+542围岩地质情况Fig.5 Geological condition of DK4+542

3.2 宽大正断层内部预报案例

丽香铁路B隧道全长约7.5 km，隧道最大埋深约460 m，隧道走向上区域性断裂构造发育，沿断裂带附近地层产状紊乱。隧道洞身穿越三叠系中统(T2a)板岩夹灰岩，二叠系中统(P2a)片理化玄武岩夹凝灰质片岩，二叠系下统(P1)灰岩、板岩。隧道洞身里程D1K78+290～+500左右发育有北西走向，倾向北东的冷都正断层，断层影响带内围岩变形严重，岩体呈破碎状，完整性差，隧道部分段落纵断面如图6所示。

图6 B隧道部分段落纵断面Fig.6 Longitudinal section of part of tunnel B

3.2.1 观测系统布置及数据采集

本次超前地质预报测试掌子面位置为D1K78+306，掌子面开挖朝大里程方向，接收孔位置位于D1K78+247，沿隧道左边墙布置有24个激发炮，左右边墙各布置一个接收检波器，观测系统各参数设计如表2所示。使用TSP203超前地质预报系统进行数据采集，设置时间采样间隔为62.5 μs,记录时间长度为451.125 ms，激发震源最初采用药量为75 g的微型乳化炸药。首炮激发后采集到的信号出现能量偏小、有效信号难以压制干扰信号的情况，如图7所示。随即在现场将后续激发孔中的药量增至100 g,药量增加后接收到的信号有了较为显著的改善，信号能量得到增强，信噪比得到提高，如图8所示。

表2 观测系统参数

图7 药量75 g时接收信号Fig.7 Received signal of 75 g explosive

图8 药量100 g时接收信号Fig.8 Received signal of 100 g explosive

3.2.2 数据处理及成果解译

采用TSPwin专用处理软件对采集的数据进行处理，经过和3.1.2中同样的11项处理步骤，最终得到如图9所示的反射层位及物理力学参数成果。

根据图9并结合相关的地勘资料分析，在掌子面前方0～35 m和61～116 m(对应里程为D1K78+306～+341和D1K78+367～+422)范围内，各物性参数变化较小，其中横波速度约为1 800 m/s;VP/VS比值约为1.68;泊松比约为0.23;动态杨氏模量约为18 GPa。推测本段围岩情况与起始掌子面D1K78+306围岩情况(图10)类似：围岩呈极破碎状，岩质软，节理裂隙强烈发育，掌子面围岩呈渗水状，建议该段落隧道开挖过程中加强超前支护。在掌子面前方35～61 m，即D1K78+341～+367里程段为物性参数异常落，表现为横波速度明显上升，速度由1 800 m/s左右上升为2 050 m/s；VP/VS比值显著下降，比值从1.68突降为1.55；泊松比明显下降，数值从0.23下降为0.14;动态杨氏模量上升，数值从18 GPa上升为22 GPa。推测D1K78+341～+367里程段围岩情况转好，围岩呈破碎状，岩质转硬，掌子面围岩含水较少或呈干燥状。

图9 反射层位及物理力学参数成果Fig.9 Reflected layers and physical-mechanical parameters

3.2.3 冷都断层内部开挖验证情况

隧道掌子面开挖后在D1K78+306～+342里程段围岩完整性较差，掌子面围岩呈极破碎状，岩质软，呈渗水状，围岩节理裂隙强烈发育；当隧道开挖至D1K78+342～+343段时，围岩情况转好，掌子面围岩呈现破碎状，围岩干燥无水。在D1K78+343～+367后续开挖过程中，围岩情况基本保持一致，现场开挖掌子面地质情况如图11所示(以D1K78+358处掌子面情况为例)；而在D1K78+367～+422段现场开挖围岩变差，围岩呈极破碎状，节理裂隙强烈发育，岩质软，掌子面围岩呈渗水状。实际开挖情况与预报结论基本保持一致，特别是对于围岩无水、地质情况转好的D1K78+343～+367段落圈定地较为准确，现场施工在参考预报结果的基础上较快开挖通过了本段、节约了一定的施工成本和时间，由此可以看出本次在隧道断层内部的TSP探测是成功有效的。

图10 掌子面D1K78+306围岩情况Fig.10 Geological condition of D1K78+306

图11 掌子面D1K78+358围岩情况Fig.11 Geological condition of D1K78+358

4 结 论

本文应用TSP隧道超前地质预报技术对宽大断层内部地质情况进行探测，通过对比预报结论和现场开挖情况，说明了TSP法在宽大断层内部能够取得较好的预报成果，并得到如下结论：

1)宽大断层内部地质条件复杂多变，不进行针对性地超前地质预报而盲目开挖存在较大的安全风险，而一味使用慢开挖、强支护或者采用增加超前钻孔数量进行探测又会大大增加施工成本、延长施工工期。但在采用TSP法进行超前地质预报探测的基础上再考虑辅以其他超前探测方法，可以较为有效地把控地质变化情况，能为隧道安全开挖、优化施工方案、节约施工成本及时间提供较好的指导和参考作用。

2) TSP隧道超前地质预报技术在宽大断层内部破碎带区域的探测能够起到较好的作用，通过选择合适的激发药量和观测系统参数能够在中长距离(120 m左右)范围内依旧保持较高的探测分辨率。

3)围岩含水量的变化情况是影响隧道安全开挖的一种重要因素，特别是在位于断层这类地质条件复杂的段落时，含水量的变化将直接影响围岩的稳定性。因此准确预报掌子面前方围岩含水带及隔水带的分布情况并提前采取适当的施工措施尤为重要。本文应用TSP隧道超前地质预报技术较为准确地判断出在断层内部较大范围含水段落中隔水带的分布情况，较好地指导了现场施工，而在断层等复杂地质构造段内准确探测出含水带或圈闭的含水结构也是隧道工程需要进一步探索研究的重要内容。