TSP360Pro 在岩溶隧道不良地质体识别中的应用

作者：许明亮¹，姚海波¹，肖剑²，张海东²，白玉山¹
（1.北方工业大学土木工程学院力学与地下空间系，北京100144；2.中冶交通建设集团，北京100028）

       摘要：TSP360Pro 隧道地质预报系统能根据波速、应力梯度、泊松比、围岩危险等级、含水率等参数评估围岩情况，且有较强的抗干扰能力。文章将TSP 应用到温泉隧道，对掌子面前方围岩进行不良地质体识别。依据横、纵波等物理参数的降低及围岩危险等级和含水率的升高，准确地预报出了隧道掌子面前方溶腔的具体位置及含水情况。证明了TSP 对岩溶构造有很强的识别能力。

中图分类号：P642    文献标志码：A     文章编号：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

       为了提高隧道施工的安全性，超前地质预报是隧道开挖前必不可少的一个重要环节^[1-2]，同时也是判断掌子面前方是否存在不良地质体的有效手段^[3]。

       在隧道埋深大并且地质条件复杂的情况下，进行超前地质预报所选的设备要尽可能轻便，并且可以快速、准确地探测出岩溶、断层破碎带等不良地质体距离隧道中线的位置^[4-6]。因TGS具有：探测距离长（锤击方式200m、炸药方式200m以上）、三维数据体、任意切片、在整个预测距离内评估岩体的稳定性的特点，本文应用TSP 对温泉隧道进行探测并解译。通过将解译结果与现场开挖揭露情况进行对比验证，结果表明TSP 能较为精确的探测出岩溶空腔位置。

2、工程概况

       2.1 工程概况

       温泉隧道位于贵州中北部黔北山地高原地带，属绥阳县温泉镇所辖，为双向四车道分离式隧道，隧道长1270m，最大埋深约246m。隧道内轮廓单心圆半径5.55m，内轮廓设计高程到拱顶高度7.1m。

       2.2 地质构造

       址区所在位置为北东向构造变形区属于扬子准地台黔北台隆遵义断拱凤冈。综合地质产状为100°~125°∠56°~84°强风化岩体不仅节理发育而且岩体破碎，节理产状主要有210°∠85°、20°∠20°两组且为密闭性节理，节理间距200-400mm。场区覆盖层为残坡积层（Qe1+d1）黏土和粉质黏土。下伏基岩为三叠系下统夜郎组（T1y）灰岩及粉砂质泥岩；二叠系中统吴家坪组（P2w）灰岩及泥岩，下统栖霞组-茅口组（P1q+m）灰岩；志留系中上统韩家店群（S2-3hn）粉砂质泥岩；下统龙马溪群（S1ln）粉砂质泥岩；奥陶系上、中统组（O2+3hn）灰岩，下统湄潭组（O2+3）粉砂质泥。

图1 TGS探测成果图

3、数据采集及解译

       TSP360Pro隧道地质预报系统是俄罗斯乌拉尔国立地质大学与GEOTECH 公司合作研发的用于隧道施工超前地质预报的三维地震探测系统。该系统依据地震波反射原理，能够对隧道掌子面前方5-200m 范围内的不良地质体进行识别。可以检测产状近于垂直的岩体缺陷区域，包括断层构造带、节理构造带、溶腔或差异明显的岩性界面；计算岩体的弹性模量（杨氏模量、剪切模量、单轴压缩模量）及泊松比；计算岩体压力梯度模量的相对值，评估整个探测距离内岩体的稳定性。

       利用TSP360Pro 隧道超前地质预报系统对温泉隧道进口左洞ZK8+045-ZK8+145进行探测，如图1所示。

       依据隧址区地质情况及探测成果图，对前方100 m 范围内地质条件进行解译。本次探测范围内，发现多处小型岩溶构造带，多为岩溶裂隙带，具体解译如下：

       ZK8+045~085：岩体纵波波速为3200-3800m/s。主体为中风化灰岩，局部构造带为强风化灰岩。岩体构造不太发育，在里程060-067区段左下发育一小溶腔；072-075 区段位置向上发育小溶腔，下方裂隙带发育；在里程082-086区段发育岩溶裂隙带，可能含少量地下水。推测主体为Ⅳ级围岩。

       ZK8+085~110：岩体纵波波速为3700-4000m/s。主体为中风化灰岩，局部构造带为岩强风化灰岩，岩体构造较发育，在里程097-101 右侧和101-109 区段发育岩溶裂隙带，其中前者和后者走向与隧道轴向近垂直，视倾角近直立，且可能含少量地下水。推测主体为Ⅳ级围岩。

       ZK8+110~145：岩体纵波波速为3900-4600m/s，主体为中风化灰岩，局部构造带为强风化灰岩。岩体构造较发育，在里程110-113 区段左侧发育小型溶腔，在里程117-121、127-129、130-133、138-140、141-143区段发育岩溶节理带。走向与隧道轴向近垂直，视倾角近直立。可能含少量地下水。推测主体为Ⅳ级围岩。

       4、现场开挖情况

       温泉隧道左洞掌子面ZK8+075 爆破开挖后，发现一溶腔口。由图2可知：掌子面主体为中风化灰岩，薄-中层构造，灰白色、浅黄色，岩层产状为112°∠78°。掌子面层间夹泥或土，岩面整体干燥，局部稍许潮湿；岩溶发育，在其左右两侧分别各发育一个圆柱体型溶腔，左侧溶腔深入左边墙约0.8m，宽约3.1~3.3m，右侧溶腔深入右边墙约1.2m，宽约5.2m，两溶腔均从底板起向上延伸，深度均无法计算，目测在5-7m以上。岩面受溶腔影响节理不清晰可见，但岩质软弱，岩体破碎，底部围岩较松散。开挖结果充分的验证了此次TGS探测的准确性。

图2 实际开挖情况

       5、结论

       TSP方法是依据地层破碎带的反射异常来对其进行探测识别的，其理论依据是围岩中应力梯度幅值越大处（通常为构造破碎带），其反射波信号的幅值连同频谱变化就越高。根据这一理论，将构造破碎带与地震波反射异常结合起来，实现对地质缺陷体的探测与识别。

       通过TSP从洞内对岩溶构造进行探测并解译，成功预报了溶腔构造。经现场开挖跟踪调查，表明TSP对于小尺度岩溶构造（溶腔、溶管、溶隙带等）具有较强的探测能力，该项探测技术具有快捷、高效、准确的特点。

参考文献：
[1]李术才，李树忱，张庆松，等.岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究[J].岩石力学与工程学报，2007（02）：217-225.
[2]李术才，刘斌，孙怀凤，等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报，2014，33（06）：1090-1113.
[3]王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见[J].铁道勘察，2004（01）：7-9+18.
[4]贾国臣，刘康和.深埋长隧洞勘察技术与思考[J].工程勘察，2006（S1）：70-74.
[5]苟德强，谢衔光.岩溶隧道地质预报的几种主要方法及应用研究[J].铁道工程学报，2017，34（01）：75-80.
[6]司富安，贾国臣，高玉生.水利水电工程深埋长隧洞勘察技术方法[J].中国水利，2010（20）：69-71+58.