TSP203超前预报方法在云母片岩地层应用效果探讨.doc

TSP203超前预报方法在云母片岩地层应用效果探讨 1 李海洋2 ，陈建平2 ，罗学东2（1. 十漫高速公路建设指挥部，湖北 十堰 442714；2. 中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074）摘要：本文主要就TSP203超前预报技术在十漫高速公路火车岭隧道进行超前预报的成果进行分析探讨，分析该预报技术在火车岭隧道中的应用效果，对比其预报成果和现已揭露的地质情况，探讨在云母地层中出现预报误差的原因。关键词：超前预报；TSP203；云母片岩 Discusses of Application Effect of TSP203 Advance Forecast Method Applied in Mica Schist Stratum1LI Haiyang2，CHEN Jianping2， LUO Xuedong2（1. Headquarters of Shi-Man Expressway Construction，Shiyan 442714, China；2. Engineering Faculty，China University of Geosciences，Wuhan 430074，china）Abstract: The paper provides analysis and discussion on the application effect of TSP203 applied in HuoCheling tunnel on Shiman expressway, analyzing the application effect of this prediction technology in HuoCheling tunnel, comparing the prediction results and revealed geological conditions and also discussing the reasons for the prediction difference in mica schist stratum.Key words: geological forecast；TSP203；mica schist隧道围岩地质情况直接决定其开挖方法和支护参数，当开挖、支护和围岩情况不匹配时，要么造成不必要的浪费，使施工成本增加，要么不能保证支护结构体的安全，甚至诱发地质灾害。然而，受各种条件的限制，前期勘察所提供的地质情况往往与实际存在一定的误差，据此所作的设计也有不尽合理的地方，地质情况复杂时表现得更为明显。在建的十漫高速线路穿越两郧断裂控制区域，地质情况异常复杂，因此，采取一定的超前预报手段，来更为准确的探明掌子面前方的围岩情况，为施工和设计变更提供依据显得尤为必要。目前，超前预报方法及仪器设备较多，如何选择适合地质条件的预报方法是一个值得研究的课题。1 常用地质超前预报技术目前国内外采用的地质超前预报技术或手段很多，但是在隧道施工中经常使用的主要有以下几种：（一）工程地质调查与推断法工程地质调查与推断是通过区域地质资料分析、隧道轴线地表和洞内工程地质调查，了解隧道所处地段岩层地质年代、结构构造，借助经验公式和传统方法，推断前方的工程地质情况，预测隧道掌子面前方的不良地质现象可能的类型、部位、规模。（二）TSP203超前预报技术TSP203超前预报技术是利用高灵敏度的地震波接收器，广泛收集由布置在隧道单侧壁上多个地震激发点产生的地震波及其在围岩传播中遇到不同反射界面时的反射波，通过分析反射界面所在的位置，进而结合具体的地质情况，预测影响施工的断层破碎带的位置、宽度、产状等，是一种有效的物探方法。（三）超前地质钻探超前地质钻探是通过钻探取芯来进行，能够直观提供掌子面前方岩土体特征及异常情况信息，该方法提供的数据毕竟是一孔之见，通过多布置钻孔数量可以提高预报精确度，但是对施工成本和进度带来巨大影响。（四）地质雷达探测方法地质雷达探测方法是通过发射天线向隧道掌子面前方发射电磁波信号，由接收天线接收电磁波信号在目标体中的反射波。然后对地质雷达数据进行分析处理，根据雷达波形、电磁场强度、振幅和双程走时等参数推断掌子面前方的地质构造。是一种有效的无损伤探测方法1。可见，上述几种方法各有所长，在相互补充的基础上，能够较好预测预报隧道工程地质情况，本文主要针对TSP203超前预报方法在火车岭隧道的应用效果进行分析探讨。2 TSP203超前预报方法在云母片岩地层应用成果2.1 TSP203基本原理2TSP探测的原理主要为：在A1、A2、A3等位置激发震源（图1），产生的地震波遇不良地质界面（波阻抗面）发生反射而被Q1位置的传感器接收，在计算时利用波的可逆性，可认为是Q1位置发出的地震波经不良地质界面反射而传到A1、A2、A3等点，这时可认为波是从像点IP（Q1）发出而直接传到A1、A2、A3等点，此时的Q1和IP（Q1）是关于不良地质界面（波阻抗面）对称的，由于1、A1、A2、A3点的空间坐标是已知的，由联立方程可求出像点IP（Q1）的空间坐标，进而由点Q1和IP（Q1）的空间坐标求出两点所在直线的空间直线方程，由于不良地质界面是线段Q1 IP（Q1）的中垂面，故可求出该不良地质界面相对于坐标原点Q1的空间方程，进一步可求出不良地质界面的空间位置。图1 TSP探测原理2.2 TSP203超前预报成果2005年7月4号湖北神龙地质工程勘察院对火车岭隧道右线进口、左线出口进行了TSP数据采集工作，探测范围为左线ZK54904ZK54684，右线YK54442YK54642。借助TSPwin1.1软件分析处理，得到以下预报成果：2.2.1 右洞YK54442YK54642 （1）YK54442YK54472：此段预报岩体处于挤压破碎带内，岩性为绢云母片岩，节理发育，局部岩体破碎，风化较强烈。判定此段围岩类别为类。（2）YK54472YK54605：此段岩体岩性为弱风化微风化状云母石英片岩，间夹少量厚度不均的绿泥钠长石英片岩，硬质岩石，节理较发育。判定此段围岩类别为类。（3）YK54605YK54642：此段岩体处于挤压破碎带内，岩性为弱风化绢云母石英片岩，间夹软弱夹层，岩体节理发育，裂隙水较发育。判定此段围岩类别为类。2.2.2 左洞ZK54904ZK54684（1）ZK54904ZK54885：此段岩性为绢云母石英片岩，岩体风化不均匀，节理发育，拱部围岩风化较强烈。判定此段围岩类别为类。（2）ZK54885ZK54715：此段岩性为弱微风化状云母石英片岩，岩体内间夹少量厚度不均的绿泥钠长石英片岩，节理较发育。判定此段围岩类别为类。（3）ZK54715ZK54684：此段岩体处于挤压破碎带内，岩性为弱风化绢云母石英片岩，岩体间夹软弱夹层，节理发育。裂隙水较发育。判定此段围岩类别为类。2.3 预报范围内围岩类别对比 TSP超前预报范围内的隧道已经开挖完毕，其预报成果与隧道开挖后揭露的围岩地质条件有一定的偏差，表1将TSP203超前预报的围岩类别与隧道设计围岩类别以及隧道开挖施工后揭露的围岩类别进行了对比。结合工程地质勘察资料，对原详勘阶段划分的YK54442YK54472 、ZK54904ZK54885两个区段类围岩进行对比，该区段隧道围岩从类降为类，预测围岩类别明显较原来的施工设计资料低一个类别；跟踪围岩地质描述的YK54472YK54605、YK54605YK54642、ZK54885ZK54715三个区段围岩类别均为类，较TSP203预测的围岩类别降低了一个级别。针对TSP超前预报范围内围岩类别与勘察设计以及揭露围岩类别出现差异的原因在下节中做进一步分析。表1 TSP203超前预报范围内围岩类别对比预报位置预测范围围岩类别设计围岩TSP预测围岩揭示围岩右洞进口YK54442YK54472YK54472YK54605YK54605YK54642左洞出口ZK54904ZK54885ZK54885ZK54715ZK54715ZK546843 TSP203超前预报应用效果分析通过TSP203超前预报结果与隧道开挖揭露的实际情况对比可以看出，该方法在特殊地质条件下应用效果不是十分理想，对此，笔者主要从TSP超前预报技术的原理、其判定围岩质量依据及工程地质围岩质量评价因素等方面进行分析： 3.1 TSP203超前预报技术判别依据TSP203超前预报技术主要借助小药量炸药爆炸形成的爆轰地震波，地震波以球面波的形式在岩体中传播，当遇到岩体物性界面如断层与岩层的接触面、岩体破碎带与完整岩体接触面、不同岩性接触面等波阻抗差异界面时，一部分地震波信号将反射回来，一部分折射进入前方介质。反射地震波信号将被高灵敏度的检波器接收，反射信号的传播时间和反射界面的距离成反比，从而可以确定界面的位置。地震波在岩体中传播，对断层面、岩体破碎带以及不同岩性的岩体的反应主要表现在地震波传播介质的密度改变，密度的改变使得地震波的传播路径以及传播速度发生相应的改变，这是波在介质中传播的基本原理3，也是TSP203对围岩质量的判别依据。3.2 TSP203预报技术在云母片岩地层的局限性火车岭隧道围岩岩性单一，主要为云母片岩，在强烈的断裂构造挤压作用下，火车岭隧道所经过岩体的结构面以及节理裂隙比较密实，由此反映的波速仍然较高，从而给出围岩类别较高的结论。但因云母片岩的C、f值很低，使得此段地层围岩的抗剪强度很低，从而产生围岩的较大变形，降低了围岩的类别。另外，云母石英片岩呈现极发育的片理结构特征，没有较大的断层与岩体破碎带的差异存在，不能形成较明显的地震波反射与折射界面，使得地震波在岩体介质传播中，波速、频率等相关参数不会发生较大的变化，也就对预报地质体中的规模较小的揉皱以及构造挤压带不会有较好的反映，因而通过这些有限的地震波参数很难作出准确的围岩类别判定。3.3 合适的围岩质量评价方法探讨工程实践中，围岩的工程地质条件是围岩质量评价的最主要依据，也是围岩类别鉴定的最主要指标，其主要包括围岩的主要工程地质特征和围岩结构的完整程度4。该处绢云母片岩特点是片理发育，厚度大部分小于12cm，层间胶结程度低，当受到风化及浸水因素影响后，片理面上的粘结力几乎全部丧失，使这类岩体成为分离片状结构；围岩体结构上节理裂隙发育，空间组合关系多变而无序，岩土完整性差，并直接导致力学性能差，C、值低。这些正确评价围岩质量的工程地质条件及相关参数，TSP203超前预报很难有效准确获取，可以通过工程地质调查与推断的方法来完成。因此，TSP203超前预报技术必须以工程地质的方法来补充，才能较好达到准确超前预报和合理评价围岩质量的目的。4 结论与建议1TSP203是目前较先进的超前预报方法之一，但在受构造影响严重的云母片岩地层中，不能综合多类指标进行围岩分析和类别判定，因而存在一定的误差。误差存在的原因主要在于该地段软弱片岩较单纯，结合较密实，但C、f值低。2只有将TSP203超前预报方法和工程