ＴＳＰ在玉蒙铁路柿花树隧道中的应用

摘要:本文主要介绍了TSP系统的工作原理、工作方法、分析解释所获资料、及时进行施工预警和在玉蒙铁路柿花树隧道中的应用。及时合理的采取防治措施,避免了重大灾害的发生,取得了较好的效果。

关键词: 超前地质预报;隧道;反射波;地震波

1、引言

柿花树隧道是新建铁路昆明至河口线玉溪至蒙自段的重点工程。隧道穿越的岩体被强烈挤压破碎,尤其基岩裂隙水、岩溶裂隙水借助构造裂隙与碳酸岩作用,加剧了裂隙的发育而形成恶性循环从而使该隧水文地质条件极其复杂。施工中可溶岩地段随时可能发生大规模(高压)涌(突)水突泥(砂、石),其中斜井工区是柿花树隧道施工关键控制节点,斜井长度681.89m,坡度11.1%,并承担着3550余米的主洞施工任务,围岩破碎、涌水严重,地质钻孔存在承压富水区,施工风险性大。采取措施实施监测岩体运移的动态规律,可以及时为隧道施工提供科学依据,对突发地质灾害的预防意义十分重大。

2、TSP的工作原理

TSP主要用于探测隧道及其不良地质的地下工程,在隧道边墙一定范围内布置激发点,人工激发地震波,所产生的地震波在隧道围岩中传播,例如遇岩溶、断层或岩层的分界面时,地震波将会发生反射,反射的地震波由仪器所接收。当反射界面与掌子面平行(垂直测线)时,所接收的反射波时距曲线近似为直线并且与直接由震源发出的信号,即直达波在地震波形记录上呈负视速度的关系,其反射波延长线与直达波延长线的交点为反射界面的位置;当反射界面倾斜,即与掌子面有一定夹角时,反射波时距曲线为双曲线;若反射界面由倾斜逐渐变为直立时,反射波时距曲线亦由双曲线逐渐变为直线。

当地震记录中不存在明显的反射波时,则认为掌子面前方的围岩是均质的,存在不良地质情况的可能性较小。

对TSP203仪器采集的数据利用TSPwin软件进行处理,可以获得隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的时间剖面、深度偏移剖面、岩石的反射层位、物理力学参数、各反射层能量大小等成果资料,同时还可得到反射层的二维或三维空间分布,并根据反射波的组合、动力学特征、岩石物理力学参数等资料来预报隧道掌子面前方的地质情况,如溶洞、软弱岩层、断层及富水带等不良地质体。

3 、地震波的产生

Tsp203超前探测前,自隧道掌子面开始用风动凿岩机在隧道一侧边墙上按1.5m间距向后打设24个直径38mm,深1.5m,斜向下10～20°的孔,作为探测孔。自最后一个探测孔向后20m在隧道两侧边墙上各打设一个直径42～45mm,深2.0m,斜向上5～10°的孔,作为信号接收孔,探测孔与接收孔应处于同一平面上。

探测时,探测孔中放适量乳化炸药插入电雷管后,注满水,用抛泥填塞炮眼,自掌子面向后依次起爆,从而产生地震波。进行信号采集时应避免临近范围内无爆破及大型机械行走,以避免信号收集错误。

4、地震波的传播

地震波有压缩波(Primary)及剪切波(Second)两种,其本质区别在于质点运动方向与波的传播方向间的相对关系。

压缩波质点运动方向与波传播方向相同,而剪切波质点运动方向与波传播方向垂直。地震波在不同围岩中的传播速度因围岩类型不同而不同,随着传播距离的增加,能量不断被吸收,其振幅也随之降低。地震波传播过程中遇到围岩界面会发生界面反射与折射,其能量发生重新分配,部分能量被反射,同时大部分能量透过界面继续传播。

被反射能量与总能量的比值定义为反射系

数,反射系数RC=

反射信号振幅(AR)与直达波振幅(AD)之比表达式为RC*X1/(2 * X2 + X1 )。

5、地震波信号的收集与分析

5.1资料收集整理

将三分量地震波接收单元插入耦合好的长 2 m / Ø 35 mm 的套管中,将套管放入接收孔,并在孔与套管间用锚固剂填充,打开电脑中的TSPwin软件并接好数据线。

在触发雷管起爆炸药后,通过软件接收并保存地震波数据,待24个探测孔均引爆完毕后,保存数据将现场采集的资料传输至计算机,利用TSPwin软件对其进行收集,其收集到得信息将由计算机绘成图(如图5),TSPwin软件主要由数据库、处理、计算反射界面三部分组成。

(1)数据库

编辑现场采集的数据和定义观测系统。

(2)处理

对原始数据进行放大、能量均衡、滤波等流程的处理。

(2)计算反射界面

在波形处理后,从地震波形记录中拾取纵波波至和横波波至,根据爆炸点与检波器的距离可分别计算各段围岩的纵波速度vp和横波速度vs。

vp和vs值的大小综合反映了围岩的物理力学性质,根据vp和vs值可直接计算动力学参数,即计算动弹性模量Ed、动剪切模量Gd和泊松比μd,计算式如下:

Ed=ρvs2(3vp2-4vs2)/(vp2-vs2)

Gd=ρvs2

μd=(vp2-2vs2)/2(vp2-vs2)

其中,ρ为围岩的密度。

根据绕射重叠法原理(与常规地震反射资料处理中偏移流程的原理类似)计算反射界面与隧道的相对位置,即与

隧道轴线的交角或至掌子面的距离。

5.2资料解释分析

根据TSP法的原理和工作经验,把距离隧道轴线近、能量大的反射波组判释为围岩异常区,并综合地震波速、反射波相位、密度、动杨氏模量和泊松比等参数对围岩异常区的类别进行划分。通过TSPwin软件对收集到的数据进行综合分析可得到围岩反射面位置、相对角度、密度、围岩大概类型,等诸多数据从而得到反射层位和物理力学参数综合成果图。

6、工程应用实例

在玉蒙铁路柿花树隧道的D2K42+267左边墙和右边墙位置分别布置一个地震波信息接收孔,孔径均为50mm。在D2K42+244～D2K42+208段的右边墙位置,按约1.5m的间距布置24个激发孔分别激发地震波,激发孔孔深1.3m,孔径约50mm,孔向下倾斜约10º,每个激发孔装填的药量为100g。激发孔和接收孔基本保持在同一个高度上。

收集本次探测的数据经计算机分析得到:本次预报时掌子面里程为:D2K42+190,预报里程范围为D2K42+190～D2K42+083段。(1)D2K42+190～+153段:围岩极破碎(Ⅴ级),富水,提请加强支护;(2)D2K42+153～+132段:围岩破碎(Ⅳ级),含水;(3)D2K42+132～+103段:围岩极破碎(Ⅴ级),富水,提请加强支护;(4)D2K42+103～+083段:围岩破碎(Ⅳ级),含水。

经隧道实际开挖揭示,以上预报结果与实际情况基本相同。由于预报的及时准确,我们事先采取了防排水的措施,使我们的工程施工得以顺利进行。

7、结论

(1)TSP超前地质测量能及时提供有关隧道前方和周围地质条件变化的信息,从而能够及时做好准备,采取应变措施,优化支护措施,安全通过地质不良地段,降低成本。

(2)TSP系统是一种新的发展中的技术,它的探测不能百分之百准确,要提高隧道施工地质的预测准确度,一方面要不断的积累经验,另一方面要采用多种探测(例如红外探测、地质雷达探测和水平超前地质探孔等)技术手段,将不同探测手段得到的结果进行比较分析综合,才能够较为准确地预测隧道前方的地质情况,从而避免地质灾害的发生。

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