TSP203技術(shù)在鐵路隧道工程中的應(yīng)用
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1TSP（tunnelseismicprediction）203技術(shù)概述
TSP203技術(shù)就是采用波的形式來(lái)探測(cè)巖層結(jié)構(gòu)，波從一激發(fā)點(diǎn)傳播經(jīng)不同的巖層以折射或反射的方式再返回到接收點(diǎn)，以此可以反映出不同的波速，從而就能反映不同的地質(zhì)條件。波的生成主要靠炸藥爆破產(chǎn)生的振動(dòng)波，接收則是由傳感器控制的。從波速與巖層密度的關(guān)系；當(dāng)巖層含水時(shí)爆破得到橫向波就會(huì)消失，因?yàn)樗疅o(wú)抗堿性，這樣應(yīng)用公式就會(huì)勘探出巖層是否含有水。因此，實(shí)際施工過(guò)程中，為了保證隧道各項(xiàng)施工的安全性，避免在挖掘時(shí)出現(xiàn)塌方或者海水倒灌等情況，可以積極的利用TSP203技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的地質(zhì)預(yù)報(bào)，以獲得更多有用的信息，更好的指導(dǎo)具體的施工。
1.2TSP203技術(shù)原理分析
TSP是一種多波多分量地震反射法，具有較高的分辨率。在不均勻地質(zhì)體中，地震波會(huì)產(chǎn)生不同的反射波特。而基于這一情況，便可以利用TSP203技術(shù)技術(shù)對(duì)隧道掘進(jìn)面的周邊以及前方等區(qū)域的地質(zhì)狀況進(jìn)行分析和預(yù)報(bào)，達(dá)到超前預(yù)報(bào)的目的。應(yīng)用過(guò)程中，按照實(shí)際情況和預(yù)報(bào)的需要，合理的設(shè)置震源點(diǎn)。然后，在震源點(diǎn)利用少量的炸藥獲得地震波。地震波產(chǎn)生之后，在傳播的的過(guò)程中會(huì)遇到不同的巖石波阻抗差異界面，于是，地震信號(hào)一部分會(huì)發(fā)生反射，另一部分則會(huì)發(fā)生透射作用，進(jìn)入前方的介質(zhì)之中。利用具有較高靈敏度的檢波器接收反射回來(lái)的地震信號(hào)，并利用TSPwin軟件進(jìn)行處理，便可以得到相應(yīng)的地質(zhì)信息。工作人員通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行分析，便可以對(duì)各種不良地質(zhì)體的具體性質(zhì)予以全面的了解。實(shí)際施工過(guò)程中，通過(guò)工程物探與地質(zhì)分析方法相結(jié)合是方式，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，確定斷層、破裂帶、含水帶等不良地質(zhì)現(xiàn)象的識(shí)別模型、巖體結(jié)構(gòu)特征和物性參數(shù)特征，采用隧道綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)，可以顯著提高不同地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。
1.3TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)目的分析
1）對(duì)施工前期階段的勘查結(jié)果予以進(jìn)一步明確，了解是否存在未被探明的重大地質(zhì)問(wèn)題，進(jìn)一步提高施工的針對(duì)性和安全性。
2）對(duì)可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分析，減少施工過(guò)程中各種災(zāi)害的出現(xiàn)，提高隧道施工的安全水平。
3）為隧道施工提供可靠的信息和資料，提高隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，提高施工的效率和效果。
4）為隧道長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)提供所需的各項(xiàng)基礎(chǔ)資料。
2TSP203技術(shù)在鐵路隧道工程中的應(yīng)用案例分析
2.1工程概況
1）工程名稱：嚴(yán)家塔隧道。
2）工程位置：黃土梁峁區(qū)。
3）基本情況：地形起伏較大，多開(kāi)辟為耕地，隧道進(jìn)口里程改MDI-IK45+645.24，出口里程改MDIIK47+400，全長(zhǎng)1754.76米，其中黃土V級(jí)594.76米，IV級(jí)750米，III級(jí)410米，隧道最大埋深155.43米。
4）隧道區(qū)情況：隧道區(qū)地層為第四系上新統(tǒng)坡洪積新黃土，中更新統(tǒng)洪積老黃土第三系粉質(zhì)粘土，粗圓礫土，二疊系上統(tǒng)砂巖級(jí)泥巖，土壤最大凍深1.04米。工點(diǎn)范圍內(nèi)特殊巖土為：濕陷性黃土、膨脹巖。工程范圍內(nèi)不良地質(zhì)主要有坡面溜坍、錯(cuò)落、滑坡等。
2.2TSP技術(shù)的具體應(yīng)用
1）TSP超前探測(cè)內(nèi)容為：在施工之前，對(duì)節(jié)理密集地段、地層軟硬相間、不同巖性接觸帶、富水段、淺埋地段等進(jìn)行重點(diǎn)探測(cè)。
2）TSP203plus超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的組成為：a.記錄單元。b.地震波接收。利用三分量加速度地震檢波器對(duì)地震波進(jìn)行接收，具有靈敏度高、操作范圍大等特點(diǎn)。其中，頻率范圍為0.5～5000Hz，操作溫度范圍為0℃～65℃，靈敏度為1000mV/g±5%，共振頻率9000Hz，橫向靈敏度＞1%。c.數(shù)據(jù)采集與處理。利用TSPwin軟件對(duì)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得所需信息。
3）測(cè)線布置情況：在設(shè)置炮孔的時(shí)候，孔深設(shè)為1.5m，數(shù)量設(shè)為24個(gè)，直徑設(shè)為38mm，離地高度設(shè)為1m左右。在設(shè)置炮孔位置的時(shí)候，要將其設(shè)置在隧道右邊墻，并合理的進(jìn)行間距設(shè)置。其中，第一個(gè)孔和接收器之間的距離要保持在16m，剩余的不同炮孔之間均以1.5m為間距。在方向方面，為保證激發(fā)的時(shí)候水可以對(duì)炮孔予以封填，炮孔要保持沿軸徑向，并向下方傾斜一定的角度，角度保持在10~20°即可。接收器孔。位置：在隧道邊墻（面對(duì)掌子面），距離掌子面大約50m。數(shù)量：2個(gè)，隧道左、右邊墻各一個(gè)。直徑：φ43~45mm/孔深2m。布置：沿軸徑向，用環(huán)氧樹(shù)脂固結(jié)，向上傾斜10°左右。高度：離地面1m。
4）數(shù)據(jù)采集。在進(jìn)行預(yù)報(bào)相關(guān)數(shù)據(jù)處理的時(shí)候，主要分為兩個(gè)部分，一部分是洞內(nèi)的數(shù)據(jù)采集，另一部分是室內(nèi)的數(shù)據(jù)分析、處理。a.鉆接收器孔一共為2個(gè)，具體情況如測(cè)線布置所示。b.鉆爆破孔一共24個(gè)，具體情況見(jiàn)測(cè)線布置。c.埋置接收器管：將環(huán)氧樹(shù)脂放入接收器孔中，然后將接收器管旋轉(zhuǎn)插入孔內(nèi)，15分鐘后環(huán)氧樹(shù)脂、接收器管與周圍巖體就能很好地粘結(jié)在一起。d.裝藥：每爆破孔裝藥量大約75g（巖石2#乳化炸藥），具體進(jìn)行裝藥的時(shí)候，要注意結(jié)合實(shí)際環(huán)境條件，按照圍巖的軟硬程度和完整破碎程度以及和接收器之間的位置關(guān)系等，合理的進(jìn)行調(diào)整。e.聯(lián)線。f.放炮，并對(duì)相應(yīng)的信號(hào)予以接收。g.拆除線路，并對(duì)使用的設(shè)備進(jìn)行妥善清理。TSP203洞內(nèi)數(shù)據(jù)采集部分具體情況如圖3所示。室內(nèi)計(jì)算機(jī)分析處理。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整采集之后，利用TSPwin軟件予以相應(yīng)的分析和處理。具體來(lái)看，軟件處理涉及到多個(gè)步驟，主要包括數(shù)據(jù)設(shè)置和拾取處理以及反射波提取和提取反射層等步驟。其中，通過(guò)進(jìn)行速度分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射信號(hào)傳播時(shí)間的轉(zhuǎn)換，獲得相應(yīng)的具體的距離信息。然后，結(jié)合隧道軸實(shí)際交角大小等數(shù)據(jù)信息，對(duì)反射層所對(duì)應(yīng)空間位置予以明確。最后，按照分析結(jié)果對(duì)地質(zhì)體質(zhì)進(jìn)行全面、科學(xué)的分析嗎，并得出最終的結(jié)果和結(jié)論。
5）數(shù)據(jù)分析。利用TSPwin軟件對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得相應(yīng)的分析結(jié)果，包括不同反射層的能量大小和巖石各種物理力學(xué)參數(shù)、提取的反射層，以及深度偏移剖面等，另外，還可以獲得探測(cè)范圍內(nèi)反射層的空間分布情況。提交資料室內(nèi)分析處理一般在24小時(shí)內(nèi)完成并可提交正式成果報(bào)告，報(bào)告一般包括如下內(nèi)容：a.工作概況；b.探測(cè)的方法、設(shè)備及原理；c.測(cè)線布置；d.對(duì)測(cè)試結(jié)果的初步分析；e.結(jié)論。TSP報(bào)告中應(yīng)附的成果圖表包括：a.現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄表；b.巖石參數(shù)曲線圖（橫坐標(biāo)為里程）；c.二維結(jié)果圖（橫坐標(biāo)為里程）；d.巖石參數(shù)表。通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以為實(shí)際施工建設(shè)提供大量具有較高參考價(jià)值的數(shù)據(jù)信息。對(duì)合理指導(dǎo)施工、節(jié)約投資，縮短工期，降低安全風(fēng)險(xiǎn)起到重要作用。項(xiàng)目實(shí)施中，因提前預(yù)報(bào)了斷層破碎帶影響范圍、突泥涌水段等不良地質(zhì)段，有效減少了塌方、突泥等造成的工程事故，保證了施工的安全、高效開(kāi)展。
6）預(yù)計(jì)預(yù)報(bào)范圍。TSP203每次可探測(cè)100～200m，為保證預(yù)報(bào)結(jié)果的精確性，采用重疊方式進(jìn)行預(yù)報(bào)。
3總結(jié)
隧道工程數(shù)量和建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，可能遇到的施工地質(zhì)條件愈加復(fù)雜（如地質(zhì)破碎帶、斷裂帶、卵石堆積層、溶洞、地下水體等)。為保證施工的安全性，施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)受到參建各方的高度重視。通過(guò)本文的分析也不難發(fā)現(xiàn)，TSP技術(shù)功能強(qiáng)大，將其應(yīng)用于鐵路隧道工程之中可以獲得良好的效果。可以更好的指導(dǎo)隧道全程施工，為優(yōu)化施工方案提供有效信息，有力地保障了工程質(zhì)量，預(yù)防安全事故，提高了工程進(jìn)度。但是，TSP方法是一個(gè)學(xué)習(xí)的過(guò)程，在隧道開(kāi)挖的過(guò)程中要邊預(yù)測(cè)邊學(xué)習(xí)，將施工過(guò)程中觀察得到的數(shù)據(jù)反饋回來(lái)，對(duì)此方法進(jìn)行不斷的修正。
作者：李虎虎 單位：中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司
