TSP303及地质雷达综合预报技术在某隧道工程中的应用研究(地质探测隧道破碎围岩)

关键词：TSP303;不良地质体;地质雷达;破碎带;软岩;

作者简介：胡峰（1991—）,男,硕士研究生,工程师,从事隧道超前地质预报、监控量测及质量检测工作。
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TSP具有探测距离远、预报准确度较高及对多种不良地质体较为敏感，可为隐蔽工程开挖提供宏观地质依据[1,2]。

云贵地区地质条件复杂，不良地质种类繁多，如断层破碎带、岩溶、富水带、软岩地层等[3,4]。
这些不良地质体具有极强隐蔽性，对隧道开挖安全危害极大。

该文采用TSP303及地质雷达预报技术，针对某隧道工程不良地质体进行探测，通过探测结果得出两者均具有很高的准确性。

TSP303探测原理是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掌子面前方及周围临近区域地质状况[5]。
当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质；反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收，数据通过专用处理软件处理，就可以了解隧道工作面前方及周边不良地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等）、位置及规模。

地质雷达法是利用发射天线向前方介质发射广谱、高频电磁波，当电磁波遇到电性（介电常数、电导率）差异界面时将发生透射、折射和反射现象，同时介质对传播的电磁波也会产生吸收滤波和散射作用[3]。
用接收天线接收并记录来自前方的反射波，采用相应的处理软件进行数据处理，然后根据处理后的数据图像结合工程地质及地球物理特征进行推断解释，对掌子面前方的工程地质情况（围岩性质、地质结构构造、围岩完整性、地下水和溶洞等情况）进行预测。

某高速公路隧道工程位于云南临沧市耿马傣族佤族自治县境内，为分离式隧道。
隧道左线起点里程ZK79+010，止点里程ZK81+510，隧道全长2 500 m，最大埋深约338.886 m；右线起点里程K79+025，止点里程K81+519，隧道全长2 494 m，最大埋深约346.298 m。

根据地质调查及钻探揭露，隧道区主要地层为第四系、古生代变质地层。
据区域地质资料及地质调查结果表明，隧址区出口外侧发育云阳—大寨断裂（F26）的次级平行分支断裂，受此断裂影响，出口段地质条件较差。

如图1所示，TSP303探测掌子面桩号为ZK80+399，在ZK80+330.43处左、右边墙对称布置接收孔1和2，接收孔直径50 mm，接收孔2距第1个炮孔16 m；在ZK80+346.43～ZK80+373区段右侧边墙上布置20个炮孔，炮孔直径40 mm，间距1.2～1.5 m，炮孔深度1.2～1.5 m，最后一个炮孔距离掌子面7.5 m。
所有炮孔及接收孔距离地面均约为1.2 m。

采用SIR4000型地质雷达，配100 MHz雷达天线进行探测，根据现场掌子面开挖方式，灵活布置测线，一般布设两条测线。

如图2所示，从图中可直观地看到两处异常区段。

异常区段1:ZK80+412～ZK80+428，该处存在纵波波速较大起伏变化，纵横波速比有陡增现象，密度和杨氏模量同样存在较大起伏变化。

异常区段2:ZK80+456～ZK80+480，该段纵波波速整体变化较小，横波波速较低，密度、杨氏模量整体较小，且变化较小[5]。

综上分析，推测异常区段1为破碎带，岩质较软，地下水较发育；异常区段2为软岩地层，地下水较发育。

图2 探测围岩参数柱状图 下载原图

图1 TSP303现场探测布置示意图 下载原图

地质雷达为隧道全覆盖探测，一次探测30 m，按5 m进行后续搭接。
为了与TSP303探测区段对应，选取地质雷达预报区段ZK80+392～ZK80+422、ZK80+417～ZK80+447、ZK80+442～ZK80+472进行雷达数据分析。
如图3所示，根据图中地质雷达探测结果及掌子面地质情况，可以推测出掌子面前方0～10 m(ZK80+392～ZK80+402）范围内围岩节理裂隙较发育，岩体较破碎，岩质较软；10～30 m(ZK80+402～ZK80+422）区段可能为破碎带，围岩节理裂隙发育，岩体破碎～极破碎，岩质较软。

如图4所示，根据图中地质雷达探测结果及掌子面地质情况，推测掌子面前方0～20 m(ZK80+417～ZK80+437）范围内为破碎带，围岩节理裂隙发育，岩体破碎～极破碎，岩质较软，地下水较发育；20～30 m(ZK80+437～ZK80+447）区段围岩节理裂隙较发育～发育，岩体较破碎～破碎，岩质较软，地下水稍发育。

如图5所示，结合地质雷达探测结果及掌子面地质情况，推测掌子面前方0～9 m(ZK80+442～ZK80+451）区段围岩节理裂隙较发育～发育，岩体较破碎～破碎，岩质较软；9～30 m(ZK80+451～ZK80+472）区段围岩节理裂隙发育，岩体破碎，岩质软。

综上所述，得出ZK80+402～ZK80+437区段存在破碎带，ZK80+451～ZK80+472区段为软岩地。
探测结果与TSP303基本一致。

根据ZK80+403掌子面开挖情况可以看出：围岩节理裂隙发育，岩体破碎～极破碎，结合程度差，上台阶掌子面存在多处渗流水，地下水较发育，围岩自稳能力差，判断为破碎带。
根据施工现场后续开挖跟踪情况，破碎带在ZK80+439处结束，总计36 m，基本和TSP303及地质雷达探测结果一致。

掌子面开挖至ZK80+452时，揭露围岩为中～强风化片岩，局部夹千枚岩，节理裂隙发育，岩体破碎，岩质软，验证为软岩地层，该围岩受扰动即呈散体状或粉末状，遇水软化呈泥状。
后续开挖至隧道贯通，围岩揭露情况基本与上述一致。

该文针对某隧道工程不良地质情况，采用TSP303plus及地质雷达进行探测，通过两者结果分析及开挖揭露验证，得出下列结论：

(1）根据TSP303探测结果，得出ZK80+406～ZK80+448(42 m）区段为破碎带，ZK80+456～ZK80+480区段为软岩地层。

(2）根据地质雷达探测结果，得出ZK80+402～ZK80+437(35 m）为破碎带，ZK80+451～ZK80+472为软岩地层。

(3）根据开挖揭示情况，得出破碎带位置为ZK80+403～ZK80+439(36 m),ZK80+452至出口段掌子面范围内均为软岩地层，开挖结果基本与TSP303及地质雷达探测结果一致。

图3 ZK80+392～ZK80+422雷达探测结果图 下载原图

图4 ZK80+417～ZK80+447雷达探测结果图 下载原图

图5 ZK80+442～ZK80+472雷达探测结果图 下载原图

[1] 韩侃,王秉勇. TSP法超前预报数据分析及探测技术研究[J].铁道工程学报, 2020(3):72-77.

[2] 刘猛.高速铁路隧道勘察钻探与物探综合应用分析[J].铁道勘察, 2021(2):63-66.

[3] 郭彦刚.基于物探法的综合超前地质预报在高山隧道巨型溶洞中的应用——以黔张常铁路高山隧道为例[J].工程技术研究, 2022(18):230-232.

[4] 牟元存,李星,高树全,等. TSP法隧道超前预报技术研究与应用[J].中国铁路, 2022(1):45-50.

[5] 朱贤德. TSP三维地质超前预报系统在富水破碎带隧道施工中的应用及问题探讨[J].浙江交通职业技术学院学报, 2020(2):14-17.

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