TSP 超前地质预报在大山脑隧道施工中的应用

吴传模

(中铁十七局集团第三工程有限公司，河北石家庄 050000)

近年来随着我国经济的快速发展，对公路、铁路需求越来越大，但随着隧道施工逐渐向超长、复杂地质、地形条件下发展，增加了很多不确定的地质情况，如裂隙水发育、松散地层、岩溶地质等，地质问题严重影响了隧道的施工安全与进度，如何运用超前地质预报准确提供隧道前方地质异常体的产状，更好、更快、更安全地对地质问题进行处治在工程施工中显得尤为重要。因此，如何准确、有效地预报隧道在施工过程中遇到的各种地质灾害问题，已经成为当前隧道建设中有待解决的关键难题之一。TSP超前地质预报作为目前适用范围最广、预报效果最好的方法，并在大量的隧道实践和施工过程中得到了充分的验证，其能够准确的判定岩溶及地下水发育情况、断层破碎带等不良地质体的产状。

1 TSP原理

TSP超前预报方法是由瑞士安伯格测量技术公司在20世纪90年代初研发的用于隧道超前预报的先进技术，并在众多大型工程中应用并取得了一致的认可，其采用的是地震波反射回波方法测量的原理。地震波由微量炸药激发产生，在岩石中以球面波形式传播，当遇到岩石弹性性质不同的分界面时，例如断层、岩体破碎带界面、溶洞等，就发生反射。再由检波器接收信号，通过解释获取的信号，推断出前方隧道构造坡面及围岩的物理力学参数，达到超前地质预报的目的(见图1)。

2 现场探测与资料获取

2.1 工程简介

大山脑隧道位于浙江省慈溪市横河镇和余姚市丈亭镇境内，以DK113+500为两市行政分界点，进口位于慈溪市童岙村，出口位于余姚市汇头村，洞内纵坡为“人”字坡，分别为1 193 m的3.0‰ 上坡和5 016 m的3.2‰下坡。

图1 TSP超前地质预报原理图

隧道进、出口处线路前进方向左侧有两大水库，分别为梅湖水库和丈梅水库，其中梅湖水库为余姚市和慈溪市用水源，南临萧甬铁路，横穿东溪县道，乡间公路网密集，交通较便利。大山脑隧道起讫里程:DK112+207～DK118+416，全长6 209 m，全长位于直线上。该隧道地质条件复杂，隧址区内发育7条断层破碎带，其中5条与隧道相交，地层岩性为晚侏罗系火山活动第一、第二旋回晚期的产物，以浅灰色、浅灰绿色、浅灰紫色流纹质凝灰岩、角砾弱熔结凝灰岩及沉积层为主。隧道内有Ⅴ级围岩414 m，Ⅳ级围岩430m，Ⅲ级围岩2 475m，Ⅱ级围岩2 890m，是杭甬客专全线最长的一座隧道。大山脑隧道工期要求2009年4月开工，2011年4月竣工，工期异常紧张，是全线地质条件最复杂、施工难度最大的隧道，是杭甬客专全线控制性工程。隧道设计采取的是单洞双线无碴轨道结构形式，设计时速350 km/h，线间距5 m，轨面以上有效内净空面积100m2，开挖宽度14.3m，高12.1m，隧道内设双侧救援通道及电缆槽，全隧道共设置25个综合洞室，洞门采用帽檐斜切式洞门，设置缓冲结构。主要工程数量有:开挖土石方86.7 万 m3(断面方)，喷射混凝土2.6万 m3，模筑混凝土16万m3，压注水泥浆4 900 m3。

2.2 现场工作布置情况

2.2.1 数据采集和测线布置

数据采集是指在施工过程中根据业主方的要求对需要预报的区域进行合理组织施工，并为下一步的资料处理及解释提供原始资料，采集到的原始数据对解释成果的准确性有着直接的影响。其顺序一般如下，首先踏勘工地，根据工地的施工环境安排测线;选择合理的激发条件，然后就是按操作规程进行数据采集。在施工过程中一定注意激发和接收这两个关键因素。

此次地质超前预测，伴随掌子面前进，进口共分11次探测，出口共分12次探测，斜井段共分7次探测，探测号及探测里程见表1。

表1 探测里程表

2.2.2 工作方法

提前在距地面约1.0 m高的一边墙的水平线上，按间距1.5 m、孔深1.5 m、孔径35 mm ～38 mm、下倾 15°～20°的标准钻24个炮孔，最后一个炮孔距掌子面约2.0 m。高精度传感器布置于距掌子面约50 m处隧道边墙上，其孔深2.0 m、孔径42 mm～45 mm、下倾5°～10°将已钻好的炮孔接收孔的孔深、倾角、间距测量出来，并作好记录，以备数据处理时用。

数据采集使用爆速3 200 m/s的乳化炸药，零延时电雷管。各炮孔装药100 g，然后按顺序逐个引爆，并由仪器记录下各道信号。在数据采集过程中，根据反射波信号能量的强弱，随时对药量进行调整。数据采集时，为减少噪声对采集数据的影响，工区内应停止其他施工作业，尤其是针对岩体的作业。

2.3 数据处理及分析评估

将采集的数据，通过TSPwin软件进行处理，获得隧道掌子面前方的 P波、SH波和SV波的速度剖面、深度偏移剖面、岩石的反射层、岩层的物理力学参数等资料。

解释原则如下:1)S波反射弱、P波反射强处有裂隙存在;2)S波反射强、P波反射弱处有流体存在;3)泊松比高处有流体存在，纵波波速低处有裂隙存在;4)反射波为正相位时，围岩由软弱岩层进入坚硬岩层;5)反射波为负相位时，围岩由坚硬岩层进入软弱岩层;6)当静态杨氏模量大于30时，石质坚硬，反之，石质较软;7)当泊松比大于0.28或VP/VS突然增大时，前方地质情况为有水或围岩较破碎;8)当反射界面较多且静态杨氏模量和泊松比变化频繁，幅度较大时，围岩为破碎带，若为负反射振幅时，围岩为软弱破碎带。

本次根据TSP203探测结果，并综合分析相关资料，预测范围内不存在大规模溶洞及地下水极为发育地段，但所预报地段含中等裂隙水及断层破碎带，应注意对突水突泥及冒顶塌方等地质灾害的预防。

其中:出口DK118+204～DK118+180和出口DK118+084～DK117+970段围岩局部节理发育，少量裂隙水，开挖后容易掉块，施工中要及时封闭，做好支护;进口DK112+406～DK112+500段围岩波速更低，围岩软弱，可能为断层破碎带，裂隙水较发育，施工中要做好超前支护，及时封闭，做好排水措施;进口DK112+500～DK112+560段围岩波速较低，节理裂隙发育或软弱破碎，裂隙水发育，施工中注意支护。

3 结语

在大山脑隧道施工中共进行了30次超前地质预报工作，总长度6 000多延米，预报结果与实际开挖情况基本吻合，预报准确率较高。由于预报及时，采取支护措施得当，施工中没有发生过地质灾害，确保了施工的安全和质量，并且节约了工期，节省了成本。2011年2月11日大山脑隧道顺利贯通，TSP超前地质预报发挥了不可替代的作用，取得了良好的社会效益和经济效益。

［1］ 刘志刚，赵 勇.隧道隧洞施工地质技术［M］.北京:中国铁道出版社，2001.

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