论文部分内容阅读
【摘 要】 以本人参与施工管理的新建渝怀铁路、宜万铁路个别典型、长大隧道为例，介绍目前在隧道施工中广泛采用的地震波反射法—TSP超前地质预报方法，希望对建设中长大隧道及地下工程施工中超前地质预报工作提供参考或有所借鉴和启发。
【关键词】 地震波反射法 地质超前预报 隧道施工
地震波反射法—TSP超前地质预报技术是物探法的一种，它具有快速、探测距离大、与施工干扰相对小。但也存在一些较为明显缺点。主要有：需要结合多种预测预报方法，且与与地质分析资料深入结合，有一定技术难度。
1 地震波反射法—TSP超前地质预报工作原理
在隧道隧洞内，人工制造一系列有规则排列的轻微震源；震源发出的地震波遇到地层界面、节理面、特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、岩溶淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波，它的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质以及产状密切相关，并通过不同数据表现出来；通过设备设置的震源反射波的数据采集系统（传感器和记录仪），将这递增数据经微机处理后储存起来。然后，将数据输入带有特制软件的电脑，经过电脑进行复杂数学计算后，最后形成反射波（纵波）波形图、反映相关界面或地质体反射能量的影像图和隧道平面、剖面图，供工程技术人员解译。
2 特点
①适用范围广：适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。
②预报距离长：能预报掌子面前方100～350 m范围内的地质状况，围岩越硬越完整预报长度就越大。
③对隧道施工干扰小：它可在隧道施工间隙进行，即使专门安排此项工作，也不过30 min左右（图1）。
④提交资料及时：在现场采集数据的第二天即可提交正式成果报告。它设计了一套专用处理软件，将复杂多解的波形分析转换为直观的单一解的波形能量分析图。将隧道顶部和底部的波形能量分析图分析确定之后，就可得出断层破碎带、软弱夹层或其它不良地质体相对于隧道的空问位置，计算机就会自动绘出弹性波速度有差异的地质界面相对于隧道轴线的地质平面图和纵断面图。
3 工程实例
宜万铁路W6标红瓦屋隧道
（一）TSP探测的主要技术参数
1、传感器里程： DK094+252；
2、掌子面里程： DK094+208；
3、隧道右壁（面向掌子面方向—下同）布置炮眼21个，左右壁各布置传感器1个；
4、探测区段平均纵波波速VP=2893米/S；
5、有效预报距离：掌子面前方151米，即里程DK094+208～057；
可供参考预报距离：57米，即里程DK094+057～000；
6、最高分辨率≥1米3的地质体；
7、隧道走向：80°—260°
8、隧道主干断层破碎带走向0°和310°。
（二）有效的TSP超前地质预报效果
1、DK094+208～180（28米）
有多条中小断层破碎带和影响带分布的、以泥质灰岩为主的围岩区段。可见6条中小断层破碎带、影响带，集中连续分布；且多以80°的大角度与隧道相交，始于右壁终于左壁。
总体围岩较破碎，但少水。稳定性较差～差，易坍塌～塌方，估计总体为Ⅳ～Ⅴ级围岩。
2、DK094+180～161（19米）
属于断层上盘节理发育带与多水夹泥～富水多泥的、以泥质灰岩为主的围岩区段。可见3个多水～富水带，同样以80°的大角度与隧道相交，始于右壁，终于左壁。具体位置为：
179～177；带宽2米，多水夹泥。
174～172；带宽2米，多水夹泥。
（3）171～166；壁宽5米，规模大，为富水多泥的中型断层破碎带。或也有可能以大小岩溶洞穴出现。
总体围岩较破碎，多水夹泥～富水多泥，甚至可能出现大小岩溶洞穴。易坍塌～塌方，估计总体也为Ⅳ～Ⅴ级围岩。
3、DK094+161～146（15米）
少水无泥，无断层，较完整的泥质灰岩分布的围岩区段。总体围岩完整，少水无泥，稳定性好，估计总体为Ⅱ～Ⅲ级围岩。
4、DK094+146～108（38米）
有小断层破碎带及其影响带分布期间的、多水夹泥～富水多泥的泥质灰岩为主的围岩区段。其中，主要多水～富水带有6个，同样以80°的大角度与隧道相交，始于右壁，终于左壁。具体位置是：
（1）146～142；带宽4米，规模较大，为富水多泥的小断层破碎带。或也有可能以大小岩溶洞穴出现。
（2）138～136；带宽2米，多水夹泥。
（3）130～128；带宽2米，为多水夹泥的小断层破碎带。
（4）129～127；带宽2米，多水夹泥。
（5）123～121；带宽2米，多水夹泥。
（6）111～108；带宽3米，多水夹泥。
总体围岩较完整～较破碎，多水多泥，稳定性较差，可出现坍塌～塌方，估计总体也为Ⅳ～Ⅴ级围岩。
5、DK094+108～057（51米）
为局部地段节理发育，并伴随多水夹泥带分布的泥质灰岩围岩区段。可见4个多水夹泥带，以80°的大角度与隧道相交，始于右壁，终于左壁。具体位置是：
（1）105～103；带宽2米，多水夹泥。
（2）099～093；带宽6米，规模大，为富水多泥带。或也有可能以大小岩溶洞穴出现。（3）081～079；带宽2米，多水夹泥。
（4）071～069；带宽2米，多水夹泥。
总体围岩稍完整，仅局部节理发育并伴有少量多水夹泥带；可出现掉块～坍塌，围岩稳定性稍好～较差，估计总体也为Ⅲ～Ⅳ级围岩。
（三）供参考的TSP超前地质预报
1、DK094+057～016（41米）
为规模较大的富水多泥断层破碎带及其影响带和少水断层破碎带集中分布的，以泥质灰岩为主的围岩区段。可见6个规模大小不等的断层破碎带，同样以80°的大角度与隧道相交，始于右壁，终于左壁。其中，富水多泥断层破碎带2条，其具体位置是：
（1）057～051；带宽6米，规模大，为富水多泥带；也有可能发育大小岩溶洞穴。
（2）030～026；带宽4米，多水夹泥。
估计总体围岩破碎，且多水夹泥～富水多泥，甚至可能出现大小岩溶洞穴；围岩稳定性差，易塌方，估计总体为Ⅴ级围岩。
2、DK094+016～000（16米）
少水无泥，无断层，较完整的泥质灰岩分布的围岩区段。总体围岩较完整，少水无泥，稳定性较好，估计总体为Ⅱ～Ⅲ级围岩。
小结
在整个隧道施工过程中，按照超前地质预测预报方案，采用了以地震波反射法—TSP超前地质预报技术为主要手段，并结合地质条件辅助其它预测预报手段，对隧道全程实施预测预报。对照预测预报成果，经现场施工揭示，预测预报里程、范围及存在不良地质体的种类基本与成果相符或相近。为该隧道的动态设计管理和顺利实施施工奠定了很好的基础。
【关键词】 地震波反射法 地质超前预报 隧道施工
地震波反射法—TSP超前地质预报技术是物探法的一种，它具有快速、探测距离大、与施工干扰相对小。但也存在一些较为明显缺点。主要有：需要结合多种预测预报方法，且与与地质分析资料深入结合，有一定技术难度。
1 地震波反射法—TSP超前地质预报工作原理
在隧道隧洞内，人工制造一系列有规则排列的轻微震源；震源发出的地震波遇到地层界面、节理面、特别是断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、岩溶淤泥带等不良地质界面时，将产生反射波，它的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质以及产状密切相关，并通过不同数据表现出来；通过设备设置的震源反射波的数据采集系统（传感器和记录仪），将这递增数据经微机处理后储存起来。然后，将数据输入带有特制软件的电脑，经过电脑进行复杂数学计算后，最后形成反射波（纵波）波形图、反映相关界面或地质体反射能量的影像图和隧道平面、剖面图，供工程技术人员解译。
2 特点
①适用范围广：适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。
②预报距离长：能预报掌子面前方100～350 m范围内的地质状况，围岩越硬越完整预报长度就越大。
③对隧道施工干扰小：它可在隧道施工间隙进行，即使专门安排此项工作，也不过30 min左右（图1）。
④提交资料及时：在现场采集数据的第二天即可提交正式成果报告。它设计了一套专用处理软件，将复杂多解的波形分析转换为直观的单一解的波形能量分析图。将隧道顶部和底部的波形能量分析图分析确定之后，就可得出断层破碎带、软弱夹层或其它不良地质体相对于隧道的空问位置，计算机就会自动绘出弹性波速度有差异的地质界面相对于隧道轴线的地质平面图和纵断面图。
3 工程实例
宜万铁路W6标红瓦屋隧道
（一）TSP探测的主要技术参数
1、传感器里程： DK094+252；
2、掌子面里程： DK094+208；
3、隧道右壁（面向掌子面方向—下同）布置炮眼21个，左右壁各布置传感器1个；
4、探测区段平均纵波波速VP=2893米/S；
5、有效预报距离：掌子面前方151米，即里程DK094+208～057；
可供参考预报距离：57米，即里程DK094+057～000；
6、最高分辨率≥1米3的地质体；
7、隧道走向：80°—260°
8、隧道主干断层破碎带走向0°和310°。
（二）有效的TSP超前地质预报效果
1、DK094+208～180（28米）
有多条中小断层破碎带和影响带分布的、以泥质灰岩为主的围岩区段。可见6条中小断层破碎带、影响带，集中连续分布；且多以80°的大角度与隧道相交，始于右壁终于左壁。
总体围岩较破碎，但少水。稳定性较差～差，易坍塌～塌方，估计总体为Ⅳ～Ⅴ级围岩。
2、DK094+180～161（19米）
属于断层上盘节理发育带与多水夹泥～富水多泥的、以泥质灰岩为主的围岩区段。可见3个多水～富水带，同样以80°的大角度与隧道相交，始于右壁，终于左壁。具体位置为：
179～177；带宽2米，多水夹泥。
174～172；带宽2米，多水夹泥。
（3）171～166；壁宽5米，规模大，为富水多泥的中型断层破碎带。或也有可能以大小岩溶洞穴出现。
总体围岩较破碎，多水夹泥～富水多泥，甚至可能出现大小岩溶洞穴。易坍塌～塌方，估计总体也为Ⅳ～Ⅴ级围岩。
3、DK094+161～146（15米）
少水无泥，无断层，较完整的泥质灰岩分布的围岩区段。总体围岩完整，少水无泥，稳定性好，估计总体为Ⅱ～Ⅲ级围岩。
4、DK094+146～108（38米）
有小断层破碎带及其影响带分布期间的、多水夹泥～富水多泥的泥质灰岩为主的围岩区段。其中，主要多水～富水带有6个，同样以80°的大角度与隧道相交，始于右壁，终于左壁。具体位置是：
（1）146～142；带宽4米，规模较大，为富水多泥的小断层破碎带。或也有可能以大小岩溶洞穴出现。
（2）138～136；带宽2米，多水夹泥。
（3）130～128；带宽2米，为多水夹泥的小断层破碎带。
（4）129～127；带宽2米，多水夹泥。
（5）123～121；带宽2米，多水夹泥。
（6）111～108；带宽3米，多水夹泥。
总体围岩较完整～较破碎，多水多泥，稳定性较差，可出现坍塌～塌方，估计总体也为Ⅳ～Ⅴ级围岩。
5、DK094+108～057（51米）
为局部地段节理发育，并伴随多水夹泥带分布的泥质灰岩围岩区段。可见4个多水夹泥带，以80°的大角度与隧道相交，始于右壁，终于左壁。具体位置是：
（1）105～103；带宽2米，多水夹泥。
（2）099～093；带宽6米，规模大，为富水多泥带。或也有可能以大小岩溶洞穴出现。（3）081～079；带宽2米，多水夹泥。
（4）071～069；带宽2米，多水夹泥。
总体围岩稍完整，仅局部节理发育并伴有少量多水夹泥带；可出现掉块～坍塌，围岩稳定性稍好～较差，估计总体也为Ⅲ～Ⅳ级围岩。
（三）供参考的TSP超前地质预报
1、DK094+057～016（41米）
为规模较大的富水多泥断层破碎带及其影响带和少水断层破碎带集中分布的，以泥质灰岩为主的围岩区段。可见6个规模大小不等的断层破碎带，同样以80°的大角度与隧道相交，始于右壁，终于左壁。其中，富水多泥断层破碎带2条，其具体位置是：
（1）057～051；带宽6米，规模大，为富水多泥带；也有可能发育大小岩溶洞穴。
（2）030～026；带宽4米，多水夹泥。
估计总体围岩破碎，且多水夹泥～富水多泥，甚至可能出现大小岩溶洞穴；围岩稳定性差，易塌方，估计总体为Ⅴ级围岩。
2、DK094+016～000（16米）
少水无泥，无断层，较完整的泥质灰岩分布的围岩区段。总体围岩较完整，少水无泥，稳定性较好，估计总体为Ⅱ～Ⅲ级围岩。
小结
在整个隧道施工过程中，按照超前地质预测预报方案，采用了以地震波反射法—TSP超前地质预报技术为主要手段，并结合地质条件辅助其它预测预报手段，对隧道全程实施预测预报。对照预测预报成果，经现场施工揭示，预测预报里程、范围及存在不良地质体的种类基本与成果相符或相近。为该隧道的动态设计管理和顺利实施施工奠定了很好的基础。