TSP203在隧道超前地质预报中的应用

贾光辉 管仁杰 李沼霏

(中铁十六局集团第四工程有限公司,北京 101400)

0 引言

使用隧道地质超前预报系统(tunnel seismic prediction,TSP)203进行超前地质预报工作,是现阶段在隐蔽工程及隧道超前地质预报工作中比较成熟的作业方式,可以有效准确地预报掌子面前长距离范围内的地质情况,能为后续施工以及变更施工工艺提供数据支持和参考。

1 工程概况

中铁十六局集团有限公司承建的太锡铁路太子城至崇礼段工程,位于河北省张家口市崇礼区,南起崇礼铁路太子城站,北迄崇礼区大夹道沟村崇礼站,太锡铁路作为冬奥会的配套工程,必须于2021年底奥运赛事开始之前完成联调联试通车工作,时间紧任务重。该标段测区里程为DK53+035.74～DK68+900,正线全长15.864 km。其中和平隧道DK53+035.74～DK61+980,全长8.944 km。崇礼隧道DK62+310～DK67+800,全长5.490 km。根据施工图纸和指导性施工组织设计,两座隧道共设10个斜井(或横洞),全长6.164 km;支洞9处,全长0.470 km,共计23个作业面同时施工。施工区域地形起伏较大,标高在1 100～2000 m之间,沟壑发育,部分冲沟切割较深,地势较陡峭,山体植被覆盖率较高,局部泉水发育,施工难度大。为保证现场施工安全性,项目要求做超前地质预报,保证工程顺利进行。

2 工作原理

TSP203设备采用的是回声测量原理。当地震波传达到不同物质时,部分发射的信号经过物质反射被设备回收采集,其余部分发射波信号将继续进入前方其他介质。反射回来的地震波信号被地震检波器全部接收。仪器采集收回的地震波波形特征将与之对应的地质形态有相对关联,波形信号在人为处理后,可以提取出掌子面前方地质的泊松比、波速度、反射系数及其地质资料情况,通过数据就可预报掌子面前方不良地质的地质形态、大小、走向、缺陷类型等,以便达到地质超前预报的目的。TSP203设备在超前地质预报工作中大多由现场炮组、三维接收信号波的传感器、三维接收信号波的接收机及后期数据处理软件系统四部分组成(图1)。

图1 TPS203系统的方法原理与野外布设图

3 现场条件及工作布置

3.1 TSP测量系统的布置和量测

根据隧道走向及岩层状况可在左右边墙位置任选一侧进行采集,第一个激发孔应布置在掌子面10 m范围内的边墙上,下一个激发孔与上个激发孔间距不应小于1 m大于2 m布置,要注意激发孔应做到口部比根部高10～15 cm,孔深设置1.5 m左右,连续布置至少20个偶数激发孔。在最后一个激发位置向洞口方向量测20 m分别在左、右两侧布置好地震波信息接收孔,接受孔径为50 mm,深度深于激发孔的最深深度。激发孔与接收孔基本保持在同一个高度上。待孔全部钻好后需要对孔间距进行量测。钻孔完成后应注意保护,防止塌孔。详细布置如表1和图2所示。

表1 炮孔和接收器孔布置参数表

图2 炮孔和TSP接收器孔分布

3.2 爆破要求

(1)遵守《爆破安全规程》的规定。

(2)保证乳化炸药与炮孔严密耦合,用水注满引爆激发孔。

(3)接收器孔用方木等固定,测量过程隧道中避免其他振动源干扰。

3.3 现场检测探测所需的时间规划

(1)钻工钻激发孔、接收孔及清孔的时间：约4 h。

(2)埋设接收器设备连接测试：30 min。

(3)药包的埋设时间：30 min。

(4)放炮及数据采集的时间：40 min。

(5)清理爆破后现场的时间：10 min。

现场单次TSP探测总时间：350 min。

3.4 资料整理与提交

(1)数据检测的波幅应在每个激发孔爆破前单独进行现场调节,如果数据采集异常需要补炮进行重新采集。

(2)采集完成后及时进行波场现场粗处理,提取出反射界面。

(3)提交地质预报报告,内容包括：TSP野外记录表、原始曲线图、地震P波时距曲线图、二维解释成果图(包含速度、泊松比、动态杨氏模量参数)和地质解译结果。

4 检测数据与分析示例

4.1 测点位置

该次预报起始里程在H6DK0+153-H6DK0+033里程处,需要在H6DK0+223里程布置信号波接收孔,本次信号波接收孔距掌子面70 m。测线测点布置在隧道单侧边墙的水平线上从外向里布置24个炮孔,最后一孔需在左右两侧边墙各布置一个接收器钻孔(左右边墙对称共计2个),接收器钻孔距第一个炮孔位置15 m,炮孔间距1.5 m,炮孔高度2 m,最后一个炮孔距检测面距离12 m,如图3所示。本次地震波数据采集需要激发24炮,每激发孔药量为50 g乳化炸药及雷管击发器一套,其中有20炮产生的地震波参与计算。

图3 TSP203测线布置示意图

4.2 资料分析

资料处理流程如图4所示。

图4 资料处理流程图

成果解释应以设计单位探测结果为主结合现场地质素描及数据分析进行解译,同时遵循以下原则：

(1)无反射界面表明围岩情况基本无变化;正反射振幅较强时表明掌子面前方围岩变完整或变硬。负反射振幅较强时表明掌子面前方围岩变破碎或变软。

(2)纵横波波速及动态杨氏模量降低说明掌子面前方围岩将变破碎或变软;反之则表明掌子面前方围岩变完整或变硬。

(3)泊松比增大表明地下水发育。

4.3 结论建议

本次预报里程范围为H6DK0+153-H6DK0+033,由测量数据可分析得出该段围岩岩性为花岗片麻岩,节理裂隙发育一般,弱风化,岩体从较破碎往完整发育,地下水一般发育、裂隙渗滴水或线状出水,围岩稳定性一般,容易发生易掉块,局部易塌方。H6DK0+127-H6DK0+114段围岩以弱风化为主,局部强风化,节理裂隙发育,岩体破碎,围岩稳定性差,易塌方,H6DK0+114-H6DK0+106段局部破碎,围岩稳定性一般,局部易塌方,相比较施工图实际地质情况要略差。

5 在隧道施工中的特殊案例

TSP203设备在太锡铁路隧道超前地质预报工作中提前多次发现预报特殊地质灾害情况。2020年6月19日于和平隧道二号斜井准确预测掌子面前35 m处存在较大溶腔发育,腔体内裂隙水充盈,初步预算涌水量达150～500 m3,发现问题后立即通知现场停止作业,报告项目部,配合设计单位积极进行专项地质灾害应急方案启动及方案编辑实施。随后严格按照方案进行得当处理,发现预报里程处确实存在地质灾害,裂隙水极发育,引流处理后发现呈股状喷射。完全统计后涌水量达670 m3。由于预报及时,为施工安全做出警示,处理得当。未造成人员伤亡。节约资金约60万元。并获得项目部质量安全先进工作小组的称号,为公司树立了良好的企业形象,受到各界领导及其他公司的称赞。TSP203的优势被展漏无疑,帮助我们高效完成作业,给公司带来荣誉与效益。

6 结束语

随着铁路隧道的高速发展,在隧道开挖过程中,安全高效成为最主要的施工作业要求。TSP203设备通过现场实测的长期试验与改进,克服了一个个难题,相比其他方式更加简洁安全,能高效地进行超前地质预报工作,为安全施工保驾护航。该技术成熟，可成为地质预报工作中的主要技术设备。