TSP203在乌鞘岭隧道F7断层的应用

1TSP203在乌鞘岭隧道F7断层的应用唐和青中铁一局摘要：本文就TSP203在乌鞘岭隧道F7断层复杂的地质构造情况下的应用情况进行了介绍。关键词：TSP203乌鞘岭隧道F7断层应用0、引言乌鞘岭隧道全长20050m，设计为两座单线隧道。位于兰新铁路兰州～武威南段打柴沟车站和龙沟车站之间。全隧道洞身最大埋深1100米，本区整体属于祁连山东北部中高山区。乌鞘岭隧道区内断裂构造发育，主要为区域性大断裂，走向基本为北西向，压性～压扭性，具有深切割、延伸长、规模大的特点，破碎带一般较宽，断带内物质主要为碎裂岩、断层角砾。由南向北依次分布如下：毛毛山南缘F4断层（逆断层）、大柳树～黑马圈河F5断层（逆断层）、毛毛山岭中F6断层（逆断层）及毛毛山～老虎山F7断层。施工中可能出现围岩失稳、突然涌水涌泥、岩爆、高地温、瓦斯等地质情况。F7断层位于毛毛山岭北山前，延伸长度174Km，前期为逆断层，后期表现为左旋逆走滑断层。断层走向北西西向，倾向南，倾角70度，断带物质主要由断层泥砾及碎裂岩组成，松散破碎，风化严重，破碎带出露宽度400～800m，局部大于1000m，全新世以来该断层仍有活动迹象。由中铁一局施工的乌鞘岭隧道Ⅰ线隧道出口原设计在YDK177+810～YDK177+025段隧道洞身通过F7断层破碎带，隧道通过长度约785m。1、TSP203测量原理TSP203和其它反射地震波方法一样，采用了回声测量原理。地震波在指定的震源点（通常在隧道的左、右壁，大约24个炮点布成一条直线）用小量炸药激发产生。地震波在岩层中以球面波的形式传播。当地震波遇到过渡性岩层(即波阻抗差异接口，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震波信号反射回来，一部分地震波信号透射进入前方介质。反射的地2震波信号将被高灵敏度的地震检波器接收。由于反射信号的传播时间和反射界面的距离成正比，故能提供一种直接的测量。TSP203地质预报系统测量原理图该设备和技术特别适用于高分辨率的折射微地震探测，以及对断裂带和岩体强度降低的软弱破碎带的探测，对于掌子面前方及其周围的地质界面情况的位置，均用数据处理后的图象2维图及3维图来直观反映，对剪切横波（S波）的数据处理能籍以提高含水断裂带和地质构造走向的辨识率，并能自动进行数据分析，在遇到不良地质地段时，能及时为科学调整施工方案提供依据。2、TSP203现场测量由于乌鞘岭隧道11号斜井内隧道内高压风水管在线路右侧，通风管在线路左侧，为避免爆破破坏管路，所以选择线路左侧壁为爆破面，为了防止爆破所产生的地震波能量的损失，爆破前用水封闭爆破孔，爆破前,暂停测3量现场的机械施工及人员走动，以免干扰信号过强造成对TSP203采集到的爆破反射信号的不准确性。自2003年9月14日，中铁一局购买的TSP203仪器进场工作，至2004年2月26日，中铁一局采用TSP203对YDK177+932~177+482共进行了四次地质超前预报，现列表简介四次测量的基本情况：次数预报时间掌子面里程接收器位置爆破孔数目超前预报里程12003．9．20YDK177+932YDK178+01024YDK177+932~79522003．10。22YDK177+785YDK177+85622YDK177+785~65032003．12．12YDK177+682YDK177+74923YDK177+682~58042004．2．26YDK177+482YDK177+55620YDK177+482~390以上四次均采用等量乳胶炸药爆破产生地震波，由于围岩的软弱不同、爆破孔用水封堵的效果不一样以及每次接收器与围岩的耦合情况不同，造成接收器对爆破信号的采集强弱不一，致使每次预报的有效距离长短不一。现分别就四次试验预报结果及开挖后实际地质情况相互验证性作一比较。1）第一次测量情况在测量前隧道地质情况为：掌子面已经进入三叠系（T）砂岩夹炭质页岩地段，砂岩以灰色及灰白色为主，中—细粒结构，中厚层状构造，部分与炭质页岩呈薄互层状，层理零乱且不明显；炭质页岩为灰黑色泥质结构，污手，薄层状构造，岩质软弱。地下水不发育，开挖后拱部易掉块，设计为Ⅳ级围岩，块石碎石状结构。根据现场采集的原始数据，采用TSPwin1.1软件对数据进行处理并进行分析，最后得到YDK177+932～+780段的地质超前预报形象变化2D图（见下页）。通过该2D图及得到的一些岩石物理指标，我们做出了如下的地质超前预报：①、YK177+932段围岩已经进入软弱的F7断层北界边缘影响带，岩石较前段的白垩系围岩较软、较破碎，为Ⅳ级围岩，YDK177+932～+840段，地质情况变化不是很明显，基本上和目前已开挖出的围岩情况相类似；该段出现大的地下水的可能性不大，局部围岩潮湿、破碎掉块（开挖后证实4了该段的预报和实际情况吻合）；第一次TSP203预报输出结果（图中红线代表传感器1，绿线代表传感器2）②、YDK177+932～+915和YDK177+890～+885里程段围岩有可能发生变化，有可能出现较为破碎的软弱夹层，围岩自稳能力有所下降（该段正好处于非绝缘锚段，从开挖后围岩破碎，局部坍塌掉块及喷砼后围岩还是出现局部开裂掉块就说明预报还是很准确的）。③、通过数据结果分析，极有可能在YDK177+850附近进入F7断层，比预设计的YDK178+810提前40米左右（设计院在进行动态设计的时候把YDK177+852定为开始进入F7断层，这和预报结果可以说很接近的）；YDK177+845～+830段及YDK177+820～+795段围岩强度发生显著下降，该段含水的可能性较大，施工中可能会遇到掉块，边墙及掌子面跨塌和突水、突5泥等现象（由于第一次预报，经验不足，对数据及图形的解析不是很准确，该段开挖后无水及泥，但是岩壁局部潮湿，局部岩石掉块），而在YDK177+820～+830段含水的可能性很小（开挖后验证情况一致）。2)第二次测量情况掌子面已经进入F7断层破碎影响带，岩性为碎裂岩，岩体受构造影响，节理、裂隙发育，用手容易掰碎，地下水不发育，局部有渗水，围岩破碎，自稳能力差，设计为Ⅴ级围岩。通过对试验原始数据的处理分析我们输出了如下2D图。第二次TSP203预报输出结果（图中红线代表传感器1，绿线代表传感器2）通过分析，我们作出了如下的超前地质预报：①、YDK177+785～+770段岩性基本和前段已开挖面的三叠系围岩基本一致，该段出现大的地质情况变化的可能性不大，围岩可能会局部微量渗6水，建议按照Ⅴ级围岩施工（开挖后证实了该段和已开挖段地质情况基本吻合）。②、预测在YDK177+770左右进入F7断层主带，围岩会变差，变软，可能存在微量出水点，围岩遇水后自稳能力下降，易局部坍塌（开挖后的围岩为碎裂岩，岩质软弱，节理裂隙发育，局部有微量渗水，围岩自稳能力差，且在该段围岩在初支后变形相当大，最大拱腰收敛值为499mm，最大拱顶下沉值为153mm）。第二个大的围岩岩性变化带可能出现在YDK177+710附近，有可能比原设计的YDK177+610提前约100米进入Ⅵ级围岩（该段开挖后的岩石由志留系（S）的砂质板岩及千枚岩组成，由于地质构造作用，挤压揉皱作用强烈，节理、裂隙发育，围岩整体破碎，灰白色，开挖后成粉末状，强度底，遇水成泥，后来在进行动态设计时在YDK177+690提前变更进入F7全圆断面，比预设计提前了80米）。3)第三次测量情况掌子面已经进入F7断层全圆断面。隧道围岩以断层泥砾,断层角砾岩为主,局部为碎裂岩,灰绿色、灰白色,围岩破碎，偶尔有白垩系砖红色砂岩与掌子面成斜交状态夹杂于断层泥砾,角砾岩中,厚度不等。我们根据采集到的原始数据分析后做出了如下预报结论：①、YDK177+680～+615段围岩与已掌子面段围岩的地质情况大致相同，以断层泥砾,断层角砾岩为主，部分地段有砂岩夹杂于掌子面（开挖后已证实基本相符）。②、YDK177+615～+600段围岩破碎成断层碎裂岩，也不排除含少量水的可能性（该段开挖后变形有所增加，没有水）。③、在YDK177+600～+590段围岩有可能较前变好（该段由于含砖红色砂岩夹杂其中，岩石自稳性较以前要好，从量测数据可以发现较以前变形要小）。④、过了YDK177+590后，S波波速开始变大，泊松比也快速降低，这说明围岩变得更加致密，整体性较以前都稍微要好，基本上不含水或者只是潮湿（从已开挖的YDK177+590～500段基本上都是志留系板岩、千枚岩和砂岩的夹杂体，自稳性都较以前要好，从每天开挖的进尺可以感觉得到比以前要好，基本上能保持在每天3米的进尺）。7第三次TSP203预报输出结果（图中红线代表传感器1，绿线代表传感器2）4)第四次测量情况根据对原始数据的分析处理，由于围岩更加破碎松散，信号反射能量弱，本次只预测了大约100米距离，大致预报情况如下：①、YDK177+482～+430段围岩总的来说变化不是很大，与已开挖围岩的地质情况大致相同，岩体破碎,完整性差,自稳能力差,出现地下水的可能性小,局部潮湿滴水（从已开挖揭示的地质情况看基本相符）。②、YDK177+430～+405段围岩泊松比下降明显，密度及杨氏模量都变大，说明该段围岩将会较前段围岩变好，硬度及完整性有所提高，基本无水（该段还未开挖）。③、YDK177+405～390段泊松比变大、波速变小、杨氏模量及密度都快速变小，则可预测在该段围岩可能较前得变破碎，有可能局部地段潮湿83、几点体会通过TSP203在乌鞘岭隧道F7断层的四次应用，本人感觉TSP203作为当今最先进的隧道超前地质预报系统，这已是无可争辩的事实，在现场操作中，发现TSP203地质预报系统还具有以下几个特点：1）TSP203的优点①、预报距离长：在软弱围岩地段都可以达到100m以上；②、操作简单，对施工过程无防碍；③、30分钟即可以作好准备工作，测量时间小于90分钟；④、能对地质缺陷地区、漏水区等作空间定位；⑤、预报精度高，对不良地质体的预报精度可以达到1～2m；2）TSP203处理成果解释的基本准则①正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。②若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。③Vp/Vs增加或泊松比突然增大，常常由于流体的存在而引起。④若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。3）TSP203的基本：采集是基础处理是关键解释是重点TSP测量的根本和重点是成果解译,最终是要达到指导施工的目的.因此,好的成果解译(预报准确率)需要多方面的知识和实践经验,绝非一日之功.具体需要的知识包括物探知识、地质学知识、隧道施工知识如掘进工艺、支护工艺、钻孔工艺、爆破工艺、计算机软件操作的基本知识等。4、结束语由于初次接触及经验不足，在对乌鞘岭隧道F7断层的四次地质超前预报中，其预报结果和实地开挖结果进行对比，可能有个别地段和预报不是很相符，没有预想中差，但总体上来说对整体预报效果还是比较满意的，基本达到了地质超前预报的预期效果。我相信随着经验的积累及预报结果同开挖后的真实地质情况不断比对修正，在以后的地质预报中对原始数据的处理时参数的选择及对成果解译将越来越会接近真实的地质情况，TSP203预报成果将作为科学决策施工的依据，为祖国的隧道建设发挥越来越发挥重要的作用。