TSP技术在引水隧洞超前预报中的应用

魏四平，吴景华

(长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春 130021)

TSP技术在引水隧洞超前预报中的应用

魏四平，吴景华

(长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春 130021)

TSP技术是隧道施工中一项常用的超前地质探测技术。在隧道工程中，为了能够高效且安全地进行施工，采用TSP超前预报技术探测隧道周边及掌子面前方未开挖的岩体及其状态，为隧道施工提供更多的信息和依据，确保施工安全顺利地进行。以新疆某输水隧道工程为依托，针对TSP技术在隧道围岩地质预报中的应用进行分析，并且进行数据采集及成果编译，最后在实际开挖中揭露真实的围岩情况，验证TSP技术的准确性和可靠性，为TSP技术在实际隧道中的应用提供借鉴作用。

TSP技术；超前预报；输水隧洞应用

0 引言

随着西部大开发战略的进展，生态环境也越来越受到重视。输水隧洞工程则是保护生态环境的重要工程。在隧洞施工过程中，频发的突发事故给隧洞施工带来了很多困难，通过科学的、先进的隧洞超前地质预报方法来有效准确地预测隧道掌子面前方岩体及其状态，提前预报出施工阶段可能遇到的不良或者特殊的地质问题来为前方施工提供相应建议[1]。

本文运用TSP203系统对输水隧洞地质探测的实例进行分析，介绍了TSP系统原理及其对地质图像进行成果解译和分析的情况，验证了TSP超前预报系统对输水隧洞围岩情况探测的实用性和准确性。

1 TSP原理

瑞士安伯格公司生产的TSP203 plus型隧道地质超前预报系统，主要是通过小药量爆破所产生的地震波信号会在隧道岩体中传播，因岩层中存在断层或者含水量过高的裂隙及溶洞，其会使波的传播发生某种变化，一部分信号将会在上述断层或者不同性质的岩层处发生反射，而其他部分将会继续传播[2]。反射信号经过一定时间的传播将会传输到高精度的接收仪器。假定声波在岩石中的传播速度已知，通过分析反射波所需的时间就可以计算出不连续界面(层理面和节理面，特别是断层破碎带界面及溶洞等)的具体位置[3]。通过TSPwin处理软件进行分析处理，随后的评估子程序会以图标形式展现出来[4]，用以判断分析引水隧洞地质情况。

2 工程概况

该工程是新疆某流域生态环境保护工程一期工程输水隧洞I标工程。隧洞洞长41.823 km，最大埋深约2 268 m；隧洞为无压洞，纵坡1/564.8。隧洞断面为圆形，洞径5.3～5.9 m。其中该标段洞长5.2 km，隧洞经过的主要地层岩性为：石炭系(C1ab)英安质凝灰岩、第三系(N1+2)黏土岩、砂砾岩、泥质砂岩等。隧洞区地层走向近东西或北西，倾角中等—较陡。岩层挤压褶皱强烈，次级褶皱和断层发育，背向斜构造形迹不完整。隧洞沿线地下水系统相对比较复杂，第三系岩层中分布有多层孔隙水和裂隙承压水，且水头较高。

3 TSP现场布置参数

本次TSP预报炮孔设在面向掌子面右壁，共激发24炮，由外向内依次放炮制造出小型地震波。探测时掌子面桩号为D1+868.7。具体布置参数详见表1。

4 地质成果解译及分析

TSP系统输出成果图详如图1～4所示。

表1 TSP系统现场布置参数

图1 深度偏移剖面

图2 提取的反射界面

图3 岩体物性图

图4 2D结果显示

5 地质解译结论

通过对探测区域的地震波反射扫描成像信息进行地质成果解译及分析可以得出如下结论。

5.1 K1+868.7～K1+890段

岩体物性图中该段纵波波速持续大幅下降，从高点约5 800 m/s下降至约4 800 m/s左右，横波波速略有波动，无明显变化，推测围岩的孔隙度有所增加或有挤压带出现。横纵波速变化走势不同步，推测围岩中赋存有裂隙水。2D反射层位图显示正反射层较多，故推测该段岩层岩质较坚硬，结合纵波速度推断围岩类别为Ⅲ类。设计围岩类别为Ⅲ类。

5.2 K1+890～K1+918段

岩体物性图中该段各项参数基本保持平稳，无明显变化，推测围岩可能为层状或块状岩石，整体完整性较好，故推断围岩类别为Ⅲ类。设计围岩类别为Ⅲ类。

5.3 K1+918～K1+960段

若顶点在线段BC上时，则顶点坐标为(1，4)，如图4，将顶点(1，4)代入抛物线，得4=a-2a-3a，解得a=-1．

岩体物性图中该段纵波波速呈现阶梯式多段上升变化，最终最大值约为5 800 m/s，横波波速略有小幅轻微上升。泊松比和纵横波速比也表现为阶梯上升，但各个阶段大体平稳，只在局部出现反射面，表明局部区域裂隙可能比较发育，较上段围岩完整性有所下降。泊松比突然增大常常由于流体的存在引起，在该阶段泊松比急剧增大区域赋存有裂隙水或小股涌水，推断围岩类别为Ⅲ类偏弱。设计围岩类别为Ⅲ类。

5.4 K1+960～K1+986段

岩体物性图中该段纵波波速较稳定，但横波波速在整体呈现平稳的同时，局部发生突变，并且该处反射面较密集，2D反射层位图显示正负反射交替出现，表明局部区域裂隙发育，可能出现软弱围岩。在泊松比突变增大区域可能存在裂隙水，推断围岩类别为Ⅲ类。设计围岩类别为Ⅲ类。

6 开挖结果

6.1 桩号1+868.7～1+891.0段

隧洞围岩岩性为(C1ab-Ⅰ)灰—青灰色凝灰岩，岩质较坚硬，薄层状结构，呈微风化—新鲜状。

此段发育2条挤压带，产状为NE80°SE∠75°，填充片状岩块、岩屑；产状为NW310°SW∠70°，填充片状岩块、岩屑。

主要发育4组裂隙：第1组裂隙产状为NW320°～340°NE∠50°～85°，裂隙面平直光滑，无填充，间距0.1～0.2 m，局部间距<0.1 m，为节理密集带；第2组裂隙产状为NW310°～320°SW∠60°～85°，裂隙面平直光滑，无填充，间距0.1～0.2 m，局部间距<0.1 m，为节理密集带；第3组裂隙产状为NE20°～80°SE∠65°～70°，裂隙面平直光滑，无填充，间距<0.1m，为节理密集带；第4组裂隙产状为NW340°～350°NE∠20°～30°，裂隙面平直光滑，无填充，间距0.1～0.3 m。该段岩体主要为薄层状结构，顶拱节理密集带较发育，局部发育缓倾角裂隙。

6.2 桩号1+891.0～1+922.0段

隧洞围岩岩性为(C1ab-Ⅰ)灰—青灰色凝灰岩，岩质较坚硬，薄层状结构，呈微风化—新鲜状。

此段主要发育4组裂隙：第1组裂隙产状为NW310°～340°NE∠50°～80°，裂隙面平直光滑，大部无填充，局部张开，填充方解石，间距0.1～0.2 m；第2组裂隙产状为NE45°～80°SE∠45°～80°，裂隙面平直光滑，无填充，间距0.1～0.2 m，局部间距<0.1m，为节理密集带；第3组裂隙产状为NW340°～350°NE∠5°～25°，裂隙面平直光滑，无填充，间距0.1～0.2 m；第4组裂隙产状为NE10°～60°SE∠15°～40°，裂隙面平直光滑，无填充，间距0.1～0.3 m。该段顶拱节理密集带稍发育。

围岩大部潮湿，以滴水为主。该段岩体主要为薄层状结构，整体上大部岩体稍完整。围岩类别为Ⅲ类。

6.3 桩号1+922～1+950段

隧洞围岩岩性为(C1ab-Ⅰ)灰—青灰色凝灰岩，岩质较坚硬，薄层—中厚层状结构，呈微风化—新鲜状。

此段主要发育4组裂隙：第1组裂隙产状为NW320°～340°NE∠65°～80°，裂隙面平直光滑，大部无填充，局部张开，填充方解石，间距0.1～0.3 m；第2组裂隙产状为NE20°～80°SE∠60°～75°，裂隙面平直光滑，无填充，间距0.1～0.3 m；第3组裂隙产状为NE10°～60°SE∠8°～40°，裂隙面平直光滑，无填充，间距0.1～0.2 m；第4组裂隙产状为NW330°～340°SW∠40°～75°，裂隙面平直光滑，无填充，间距0.2～0.3m。另外发育2组零星裂隙：第1组裂隙产状为NW350°NE∠35°～40°，裂隙面平直光滑，无填充，间距0.2～0.3 m；第2组裂隙产状为NE40°～80°NW∠40°～85°，裂隙面平直光滑，无填充，间距0.5～0.7 m。

围岩大部潮湿，以滴水为主，局部有线状流，桩号1+933～1+935右壁有股状涌水，Q=1～3L/min。该段岩体主要为薄层—中厚层状结构，整体上大部岩体较完整。围岩类别为Ⅲ类。

6.4 桩号1+950～1+988.7段

隧洞围岩岩性为(C1ab-Ⅰ)灰—青灰色凝灰岩，岩质较坚硬，薄层—中厚层状结构，呈微风化—新鲜状。

此段主要发育3组裂隙：第1组裂隙产状为NW275°～340°NE∠65°～85°，裂隙面平直光滑，大部无填充，局部张开，填充方解石，间距0.1～0.2 m；第2组裂隙产状为NE35°～80°SE∠80°～85°，裂隙面平直光滑，填充方解石，间距0.1～0.2 m；第3组裂隙产状为NE10°NW∠20°～30°，裂隙面平直光滑，无填充，间距0.2～0.7 m。该段岩体主要为薄层—中厚层状结构，整体上大部岩体较完整，半孔率达90%。围岩类别为Ⅲ类。

该段围岩大部潮湿，大部围岩有线状流。整体上大部岩体较破碎—较完整。围岩类别为Ⅲ类。

开挖揭露的实际围岩状态详如图5所示。

图5 实际揭露围岩编录图

7 结语

通过探测结果及实际开挖中揭露实际的围岩情况验证表明，TSP203对输水隧洞超前地质预报有很好的效果，且具有较好的实用性和准确性。无论是围岩的状态还是裂隙水的多少，基本与预报结果相符合，表明了TSP能对隧洞掌子面前方未知的围岩状态及水文地质情况作出准确的预测，具有积极指导施工的作用。

[1] 肖传兴,胡修文,刘跃诚.对隧道施工超前地质预报有关问题的探讨[J].路基工程,2009(3)：159-160.

[2] 王心刚.TSP系统与探地雷达在阿拉坦隧道施工中的应用研究[D].西安：长安大学,2009.

[3] 邓少平.兰新铁路第二双线LXS-3标段隧道超前地质预报研究[D].西安：西南交通大学,2012.

[4] 章晓林.TSP203操作手册[M].昆明：昆明西普瑞格科技有限公司出版社，2003.

[5] 叶英.隧道施工超前地质预报[M].北京：人民交通出版社,2011.

[6] 程合奎,侯守杰.TBM施工隧洞中超前地质预报研究[J].内蒙古水利,2015(2)：20-21.

[7] 张存亮.隧道超前地质预报方法及应用研究[D].西安：西安科技大学,2011.

The Application of TSP Technology in Advanced Prediction to Diversion Tunnel

WEI Si-ping,et al.

(SchoolofProspecting&SurveyingEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130021,China)

The TSP technology is a commonly used advanced tunnel construction geological detection technology.In order to keep up with the efficiency and safety in the construction,TSP advanced prediction technology is demanded to detect the rock and its state in the surrounding of the tunnel and the surface of the front of the excavation to provide more information and basis for the tunnel construction,and to ensure the safety and smoothly of the construction.This article bases on a diversion tunnel project in Xinjiang China,analyzes the application of TSP technology in geological prediction to tunnel wall rocks,and makes data collection and result compilation.Finally,the real situation of the surrounding rocks has been revealed and the accuracy and reliability of TSP technology has been proved during the real excavation,which is to provide reference for the application of TSP Technology in the actual tunnel.

TSP technology; advanced prediction; diversion tunnel; application

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.012

2016-12-13

国土资源部复杂条件钻采技术重点实验资助项目(DET201616)

魏四平(1992-)，男(汉)，吉林农安，硕士 主要研究地质工程。

U455

A

1009-8984(2017)01-0049-03