TSP360Pro 在巖溶隧道不良地質體識別中的應用

作者：許明亮¹，姚海波¹，肖劍²，張海東²，白玉山¹
（1.北方工業大學土木工程學院力學與地下空間系，北京100144；2.中冶交通建設集團，北京100028）

       摘要：TSP360Pro 隧道地質預報系統能根據波速、應力梯度、泊松比、圍巖危險等級、含水率等參數評估圍巖情況，且有較強的抗干擾能力。文章將TSP 應用到溫泉隧道，對掌子面前方圍巖進行不良地質體識別。依據橫、縱波等物理參數的降低及圍巖危險等級和含水率的升高，準確地預報出了隧道掌子面前方溶腔的具體位置及含水情況。證明了TSP 對巖溶構造有很強的識別能力。

中圖分類號：P642    文獻標志碼：A     文章編號：2095-2945（2020）09-0182-02

    Abstract: The TSP360Pro tunnel geological prediction system can evaluate the surrounding rock conditions based on parameters such as wave speed, stress gradient, Poisson ratio, surrounding rock danger level, and water content, and has strong anti-interference ability. In this paper, TSP is applied to the hot spring tunnel to identify unfavorable geology in the surrounding rock in front of the tunnel face. Based on the reduction of transverse and longitudinal waves and other physical parameters, as well as the increase of the danger level and water content of surrounding rocks, the specific location and water content of the solution cavity in front of the tunnel face were accurately predicted. It is proved that TSP has a strong ability to recognize karst structures.

Keywords: karst tunnel; TSP360Pro; unfavorable geology

1、概述

       為了提高隧道施工的安全性，超前地質預報是隧道開挖前必不可少的一個重要環節^[1-2]，同時也是判斷掌子面前方是否存在不良地質體的有效手段^[3]。

       在隧道埋深大并且地質條件復雜的情況下，進行超前地質預報所選的設備要盡可能輕便，并且可以快速、準確地探測出巖溶、斷層破碎帶等不良地質體距離隧道中線的位置^[4-6]。因TGS具有：探測距離長（錘擊方式200m、炸藥方式200m以上）、三維數據體、任意切片、在整個預測距離內評估巖體的穩定性的特點，本文應用TSP 對溫泉隧道進行探測并解譯。通過將解譯結果與現場開挖揭露情況進行對比驗證，結果表明TSP 能較為精確的探測出巖溶空腔位置。

2、工程概況

       2.1 工程概況

       溫泉隧道位于貴州中北部黔北山地高原地帶，屬綏陽縣溫泉鎮所轄，為雙向四車道分離式隧道，隧道長1270m，最大埋深約246m。隧道內輪廓單心圓半徑5.55m，內輪廓設計高程到拱頂高度7.1m。

       2.2 地質構造

       址區所在位置為北東向構造變形區屬于揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱鳳岡。綜合地質產狀為100°~125°∠56°~84°強風化巖體不僅節理發育而且巖體破碎，節理產狀主要有210°∠85°、20°∠20°兩組且為密閉性節理，節理間距200-400mm。場區覆蓋層為殘坡積層（Qe1+d1）黏土和粉質黏土。下伏基巖為三疊系下統夜郎組（T1y）灰巖及粉砂質泥巖；二疊系中統吳家坪組（P2w）灰巖及泥巖，下統棲霞組-茅口組（P1q+m）灰巖；志留系中上統韓家店群（S2-3hn）粉砂質泥巖；下統龍馬溪群（S1ln）粉砂質泥巖；奧陶系上、中統組（O2+3hn）灰巖，下統湄潭組（O2+3）粉砂質泥。

圖1 TGS探測成果圖

3、數據采集及解譯

       TSP360Pro隧道地質預報系統是俄羅斯烏拉爾國立地質大學與GEOTECH 公司合作研發的用于隧道施工超前地質預報的三維地震探測系統。該系統依據地震波反射原理，能夠對隧道掌子面前方5-200m 范圍內的不良地質體進行識別?？梢詸z測產狀近于垂直的巖體缺陷區域，包括斷層構造帶、節理構造帶、溶腔或差異明顯的巖性界面；計算巖體的彈性模量（楊氏模量、剪切模量、單軸壓縮模量）及泊松比；計算巖體壓力梯度模量的相對值，評估整個探測距離內巖體的穩定性。

       利用TSP360Pro 隧道超前地質預報系統對溫泉隧道進口左洞ZK8+045-ZK8+145進行探測，如圖1所示。

       依據隧址區地質情況及探測成果圖，對前方100 m 范圍內地質條件進行解譯。本次探測范圍內，發現多處小型巖溶構造帶，多為巖溶裂隙帶，具體解譯如下：

       ZK8+045~085：巖體縱波波速為3200-3800m/s。主體為中風化灰巖，局部構造帶為強風化灰巖。巖體構造不太發育，在里程060-067區段左下發育一小溶腔；072-075 區段位置向上發育小溶腔，下方裂隙帶發育；在里程082-086區段發育巖溶裂隙帶，可能含少量地下水。推測主體為Ⅳ級圍巖。

       ZK8+085~110：巖體縱波波速為3700-4000m/s。主體為中風化灰巖，局部構造帶為巖強風化灰巖，巖體構造較發育，在里程097-101 右側和101-109 區段發育巖溶裂隙帶，其中前者和后者走向與隧道軸向近垂直，視傾角近直立，且可能含少量地下水。推測主體為Ⅳ級圍巖。

       ZK8+110~145：巖體縱波波速為3900-4600m/s，主體為中風化灰巖，局部構造帶為強風化灰巖。巖體構造較發育，在里程110-113 區段左側發育小型溶腔，在里程117-121、127-129、130-133、138-140、141-143區段發育巖溶節理帶。走向與隧道軸向近垂直，視傾角近直立?？赡芎倭康叵滤?。推測主體為Ⅳ級圍巖。

       4、現場開挖情況

       溫泉隧道左洞掌子面ZK8+075 爆破開挖后，發現一溶腔口。由圖2可知：掌子面主體為中風化灰巖，薄-中層構造，灰白色、淺黃色，巖層產狀為112°∠78°。掌子面層間夾泥或土，巖面整體干燥，局部稍許潮濕；巖溶發育，在其左右兩側分別各發育一個圓柱體型溶腔，左側溶腔深入左邊墻約0.8m，寬約3.1~3.3m，右側溶腔深入右邊墻約1.2m，寬約5.2m，兩溶腔均從底板起向上延伸，深度均無法計算，目測在5-7m以上。巖面受溶腔影響節理不清晰可見，但巖質軟弱，巖體破碎，底部圍巖較松散。開挖結果充分的驗證了此次TGS探測的準確性。

圖2 實際開挖情況

       5、結論

       TSP方法是依據地層破碎帶的反射異常來對其進行探測識別的，其理論依據是圍巖中應力梯度幅值越大處（通常為構造破碎帶），其反射波信號的幅值連同頻譜變化就越高。根據這一理論，將構造破碎帶與地震波反射異常結合起來，實現對地質缺陷體的探測與識別。

       通過TSP從洞內對巖溶構造進行探測并解譯，成功預報了溶腔構造。經現場開挖跟蹤調查，表明TSP對于小尺度巖溶構造（溶腔、溶管、溶隙帶等）具有較強的探測能力，該項探測技術具有快捷、高效、準確的特點。

參考文獻：
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[5]茍德強，謝銜光.巖溶隧道地質預報的幾種主要方法及應用研究[J].鐵道工程學報，2017，34（01）：75-80.
[6]司富安，賈國臣，高玉生.水利水電工程深埋長隧洞勘察技術方法[J].中國水利，2010（20）：69-71+58.