芭蕉湾隧道三维超前预报
一、前言
对CKGZTJ-2标段芭蕉湾隧道DK487+963～DK488+063段采用TSP三维超前预报系统和地质调查法相结合的方法进行三维超前地质预报。
预报时隧道施工开挖面里程为DK487+963。
任务目的：
1. 三维超前探测隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件；
2. 三维超前探测断层破碎带的位置、宽度等；
本次完成工作量有：TSP测试100m，地质调查10m。
二、预测段原设计情况
预测段地层为震旦系下统南沱组页岩夹砂岩、板岩，地层单斜，岩层层理产状 。节理裂隙发育，主要发育两组节理，一组N15°～43°W/65°S～90°，一组 ，受节理发育影响，岩体破碎。地下水类型主要为第四系松散土层孔隙水、基岩裂隙水，地下水不甚发育。不良地质主要为顺层围岩失稳和页岩风化剥落问题，DK487+873～+241段围岩分级为Ⅴ级，DK489+241～+196段围岩分级为Ⅳ级。
三、地质调查情况
1.掌子面地质情况
掌子面岩性为灰黑色页岩，中厚层状，局部夹薄层砂岩，层理发育，节理发育，岩体破碎，弱风化为主。岩层产状：N35°E/20°S；主要发育两组节理,J1:N55°E/70°N，节理间距0.05 ～0.25m，延伸长度0.3～1.0m，节理面光滑，密闭，J2：N25°W/80°N，节理间距0.05 ～0.25m，节理延伸长度0.5～1.5m，节理面平整，微张，无填充。围岩稳定性较差，多有掉块现象，掌子面潮湿，局部有渗水现象。附掌子面地质素描图。
2.洞身地质情况
开挖揭示岩性与掌子面岩性一致，为灰黑色页岩，中厚层状，弱风化为主，层理发育，节理较发育，岩体较破碎。岩层及节理产状与掌子面近似。围岩较稳定性较差，拱顶有掉块现象，开挖面潮湿，拱顶有滴水、渗水现象，水量较小。附拱顶和两侧边墙地质素描图。
四、三维物探超前地质预报工作
1.外业工作
在项目部的协调和配合下，于2013年6月19日布置了TSP探测接收和激发孔，6月20日完成了外业数据采集，原始数据见附表。
1）TSP观测系统布置
观测系统设计如下：
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| 接 收 器 孔 | 炮 孔 |
设计 参数 | 数 量 | 2个，位于隧道左右边墙（各1个） | 24个, 位于隧道左边墙或右边墙 |
直 径 | φ45mm～φ50mm | φ38mm～φ50mm (现有钻孔钻头) | |
深 度 | 1.9m（不超过2m） | 1.5m～1.8m | |
定 向 | 垂直隧道轴向，上倾5°～10° | 垂直隧道轴向，下倾10°～20° | |
高 度 | 离地面（隧底）高1m左右 | 离地面（隧底）高1m左右 | |
位 置 | 距离掌子面约55m | 第1个炮孔离同侧接收器孔15～20m，炮孔距1.5m左右 | |
示意图 |
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现场实际接收器位置在DK487+908，开挖面位置在DK487+963，实际激发23炮，1个接收器（检波器）接收。具体参数见附表。
实际观测系统布置示意图见图1。
2）仪器采集参数
数据采集时，采用X-Y-Z三分量同时接收，采样间隔62.5μs，记录长度451.125ms（7218采样数）。激发地震波时，采用无延迟时的瞬发电雷管，药量约为100或200克。
实际激发23炮，记录地震数据23炮。
2.TSP数据分析结果
在对原始数据的处理中，共23炮数据参与软件处理分析。
结合地质资料和施工开挖情况对二维处理结果进行分析解释，得出如下结论（以目前开挖面岩石为主要参照物）及建议：
新建沪昆铁路超前地质预报报表
预报等级：■预报 ¨警报 ¨紧急警报 预报编号：
隧道名称 | 芭蕉湾隧道 | 预报方法 | TSP | ||
预报探测范围 | DK487+963～DK488+063 | 开挖面里程 | DK487+963 | ||
仪器型号 |
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已开挖段及开挖面 地质描述 | 开挖面为页岩 测试段DK487+908～DK487+958（50m），平均波速Vp=4230m/s，Vs=2400m/s。 | ||||
预报里程 | 物性参数描述 | 主要物探异常 | |||
DK487+963～+997，长度34m。 | 该段围岩平均波速Vp=4170m/s，Vs=2350m/s；泊松比为0.22～0.28，动态杨氏模量为35～38Gpa。 | 与测试段相比，该段围岩平均波速有所下降，泊松比、动态杨氏模量等物性参数均值下降；局部有反射界面及绕射异常，其中 DK487+980～+984段反射界面较密集。 | |||
DK487+997～ DK488+053，长度56m。 | 该段围岩平均波速Vp=4150m/s，Vs=2330m/s；泊松比为0.21～0.31，动态杨氏模量为33～42Gpa。 | 与前段相比，该段围岩平均波速略微下降，泊松比、动态杨氏模量等物性参数波动较大，均值变化不大；较强反射面及绕射异常较密集，其中 DK488+021～+041段围岩物性较差。 | |||
DK488+053～+063，长度10m。 | 该段围岩平均波速Vp=4180m/s，Vs=2350m/s；泊松比为0.27，动态杨氏模量为37Gpa。 | 与前段相比，该段围岩平均波速略微上升，泊松比减小，动态杨氏模量等物性参数均值增大；无明显反射面及绕射异常。 | |||
五、预测预报分析
根据掌子面、洞身地质编录情况及TSP预报分析结果，结合设计文件工程地质和水文地质资料，对掌子面前方100m洞身及周边工程地质和水文地质条件进行综合分析如下：
1. DK487+873～+905，长度32m，较测试段，该段围岩纵波速上升，横波速略微下降，泊松比上升，动态杨氏模量等弹性模量下降，有强反射面及绕射异常密集。预测出露岩性应为薄层状泥质粉砂岩，弱风化，地层单斜，节理较发育，岩体较破碎，局部存在节理密集发育带，不排除局部有出现小型褶皱或断层的可能性；从物探测试结果分析，地下水有发育趋势，开挖过程中会出现渗水、滴水等情况，水量受降雨影响较大，局部段出水量有增大现象；综上分析，隧道开挖中较易发生掉块等围岩失稳现象，施工中应予以重视。
2. DK487+905～+973，长度68m，较前段，该段围岩纵、横波速下降，泊松比上升，动态杨氏模量等弹性模量下降，局部有较强反射面及绕射异常。该段局部位于隧道浅埋段，预测该段出露岩性为页岩夹泥质粉砂岩，质软易风化，尤其浅埋段，岩体可能呈强风化现象，地层单斜，节理发育，岩体破碎，尤其930～+973段局部可能发育次生地质构造，岩体可能呈碎块角砾状；从物探测试结果分析，局部基岩裂隙发育段地下水较发育，主要以渗水、滴水等情况为主，水量受降雨影响较大；综上分析，隧道开挖中局部发生塌方、掉块等围岩失稳现象的可能性较大，施工中应予以重视。
六、结论
1. DK487+873～+905，长度32m，预测出露岩性应为薄层状泥质粉砂岩，弱风化，地层单斜，节理较发育，岩体较破碎，局部存在节理密集发育带，不排除局部有出现小型褶皱或断层的可能性；地下水有发育趋势，开挖过程中会出现渗水、滴水等情况，水量受降雨影响较大，局部段出水量有增大现象；综上分析，隧道开挖中较易发生掉块等围岩失稳现象，施工中应予以重视。建议围岩级别定为Ⅴ级。
2. DK487+905～+973，长度68m，该段局部位于隧道浅埋段，预测该段出露岩性为页岩夹泥质粉砂岩，质软易风化，尤其浅埋段，岩体可能呈强风化现象，地层单斜，节理发育，岩体破碎，尤其930～+973段局部可能发育次生地质构造，岩体可能呈碎块角砾状；局部基岩裂隙发育段地下水较发育，主要以渗水、滴水等情况为主，水量受降雨影响较大；综上分析，隧道开挖中局部发生塌方、掉块等围岩失稳现象的可能性较大，施工中应予以重视。建议围岩级别定为Ⅴ级。
七、建议
在DK487+873～+973段施工过程中，建议通过加深炮孔验证并确认预测结果，采用弱爆破、短进尺掘进，迅速封闭岩面，加强初期支护，及时跟进二次衬砌，尤其对可能出现的围岩失稳现象、地下水发育情况，应予以重视，密切监测，并采取超前措施进行加固，以防止突发事故，确保安全。
八、其它
应在DK487+998～DK488+053段施作炮孔和接收孔,为下次施作TSP数据采集工作做好准备。
九、附图及附表
附图3 P波深度偏移剖面（上）及提取的反射层（下）
附图4 前方物性及异常特征
