TSP超前地質預報及其在地鐵施工中的應用

楊昆鵬張志強高雪濤劉海龍周浩

1. 中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135；2. 大連海事大學，大連 116026

TSP超前地質預報及其在地鐵施工中的應用

楊昆鵬1張志強2高雪濤1劉海龍1周浩1

1. 中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135；2. 大連海事大學，大連 116026

簡要介紹了TSP超前地質預報系統的發展歷程以及該技術在我國的應用現狀和技術原理。結合大連市某地鐵施工工程實際具體闡述了TSP的具體應用步驟，優缺點，以及在施工過程中應注意的事項。通過對TSP和地質雷達的具體勘測特點和實際得到的結果做出對比，得到了二者結合運用可以增加勘測準確性的結論。對以后TSP在實際工程中的應用以及與其他勘測設備的綜合應用具有重要的指導意義。

超前地質預報；TSP；地鐵施工；工作原理；技術應用

tunnel geological prediction; TSP; subway construction; principle; technology

引言

超前地質預報出現在上個世紀的中后期，是工程地質學的一個分支，我國在這個方面的研究始于20世紀70年代以后，幾十年來地質超前預報在我國也有了很大的發展。然而隨著近些年來鐵路、公路、城市軌道交通等的迅速發展，隧道的長度和埋深的不斷增大，隧道施工中出現的問題也越來越多。如果對這些問題處理不當，將有可能造成嚴重的工程問題和巨大的經濟損失。為了避免因地質問題而引起工程事故，超前地質預報在工程施工中就顯得越來越重要。現在在我國應用的主要的地質超前預報系統有負視角速度法、HSP、TSP、TGP、TST等[1]，其中TSP作為一種進入中國較晚的勘測技術，代表了中國地質預報領域的先進水平。文本通過將TSP技術應用在地鐵工程中，驗證了TSP超前預報系統的效果。并提出了一些增強TSP勘測效果準確性綜合性勘測方法。

1 TSP的簡介及其工作原理

1.1 TSP簡介

二十世紀六十年代，美國國家安全局網羅了眾多資深地球物理學家應用地震波勘測技術來研究地層應力釋放現象及地層結構掃描成像。在此過程中形成了隧道反射層析掃描成像超前預報技術(Tunnel Reflection Tomography)，簡稱TSP技術。TSP系統是一種新穎、快速、有效、無損的反射地震預報技術，以其簡單的操作，準確、全面、直觀的勘測結果，在國內迅速發展起來。

1.2 TSP系統的工作原理

TSP隧道地質超前預報系統是利用地震波的反射原理進行地質預報的。預報時，通過錘擊或激震器產生的地震波，地震波在隧道中的巖體內傳播，當遇到一個地震界面時，如斷層、破碎帶、溶洞、大的節理面等，一部分地震波就被反射回來，反射波經過一個短暫時間到達傳感器后被接收并被記錄主機記錄下來，然后經專門的3D軟件進行分析處理，對地震波進行疊加，就得到清晰的異常體的層析掃描三維圖像。再通過對異常體的里程、形狀、大小、走向進行分析，并結合區域地質資料、跟蹤觀測地質資料就可以確定隧道前方及周圍區域地質構造的位置和特性。入射到邊界的反射系數計算公式如下：

式中R為反射系數，p為巖層的密度，V等于地震波在巖層中的傳播速度。地震波從一種低阻抗物質傳播到一個高阻抗物質時，反射系數是正的；反之，反射系數是負的。因此，當地震波從軟性地質體傳播到硬質地質體時，回波的偏轉極性和波源是一致的。當巖體內部有破裂帶時，回波的極性會反轉。反射體的尺寸越大，聲學阻抗差別越大，反射波就越明顯，越容易被探測到[2]。

2 應用實例

2.1 預報地段

對大連市某地鐵車站小導洞進行超前預報檢測，以對掌子面前方的地質情況進行分析評估。預報內容為地層巖性、地質構造、不良地質構造及地下水含量。預報長度110m。

2.2 地質狀況

根據勘察資料，場地地層從上至下依次為：

(1)第四系全新統人工堆積層（Q4ml），主要由黏性土、灰巖碎石、石英巖碎石、板巖碎塊及少量的生活建筑垃圾等組成的素填土；

(2) 第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl）主要由稍濕的粉質黏土，卵石組成；

(3) 震旦系長嶺子組板巖（Zwhc），長嶺子組上部為板巖夾黃色薄層泥灰巖，局部夾薄層粘土質粉晶灰巖；

(4) 燕山期輝綠巖(βμ)。

2.3 數據采集與處理

本次測試安裝8個傳感器，左、右邊墻各4個；錘擊震源點共計12個，靠近掌子面的兩邊墻上各6個。勘測范圍：豎向為隧道中心線上下各20m，橫向為隧道中心線左右各20m ，縱向為110m。圖1為數據采集軟件工作界面。圖2是軟件操作界面示意。

圖1 數據采集界面Fig.1 Data Acquisition Interface

圖2 軟件操作界面Fig.2 Software interface

2.4 分析結果

地震波波速圖，地震波層析掃描成像三維圖，圖中最上部分的條狀線顏色值從低到高，代表反射系數，地震波從高密度巖層向軟層傳播，反射系數為負，反之為正。

圖3 地震波波速圖Fig.3 Seismic wave velocity

圖4 層析反射成像圖Fig.2 Reflection tomography Image

2.5 預報結論與建議

通過對地震波波速，地震波反射掃描成像三維圖及掌子面資料分析，可以得出如下結論：

(1) DK7+255.88～DK7+312.88段：該段巖層巖體較破碎，節理裂隙很發育，圍巖變化很小。

(2) DK7+312.88～DK7+365.88段：該段巖層巖體極破碎，節理裂隙很發育，可能會產生細小斷層，含有少量的地下水，施工時容易產生掉塊，加強初期支護和排水工作。

(3) 由于車站為兩端對向開挖，進行TSP探測時，另一端DK7+312.88～DK7+365.88里程段已經進行了導洞施工，完成了初期支護。相當于人為提高了該段的反射系數，測試結果顯示該段破碎程度明顯增大，但不是巖層的破碎，而是反射波作用到初支上的結果。

2.6 TSP的優缺點

(1) 優點：

① 采用三維數據處理技術，能夠清晰直觀的反映地質體的異常情況，能有效地對反射異常區域進行識別解釋。

② 在數據采集上實現無線傳輸，更為有效快捷。

③ 不使用炸藥作為震源，減少了對隧道圍巖產生的擠壓破壞。

(2) 缺點：TSP系統要在三維空間內布置傳感器，因此必須使用升降設備將傳感器安裝在隧道的拱頂、拱腰等位置，而且必須測量出TSP的三維大地坐標(精確到10cm以內)，這給預報作業又增加了一定的難度。另外，TSP采用錘擊震源激發地震波，要求傳感器靈敏度高以便更好地接受地震波信號，但是傳感器接收到的外界干擾噪聲的能量與采集信號的靈敏度高低是成正比的， 如何消除干擾是有待解決的問題[3]。

2.7 在本工程中還將TSP與地質雷達(GPR)結合使用

GPR一般用作距離為30米以內的短距離預測，地質雷達是目前分辨率最高的工程地球物理方法，對于斷層帶特別是含水帶與破碎帶有較高的識別能力，而且操作方便，占用施工時間少，處理數據速度快[4]。對于地鐵工程，由于埋深較淺，采用地質雷達可以直接探測到地下部分的地質狀況。

本工程中GPR的預測結論為：

(1) 由于施工段位于市區，探測區內地下管線較多，表現為雷達圖像地表部分較多異常；探測范圍內深部暫未發現異常體。

(2) 探測剖面中顯示勝利廣場站地下導洞C1-C2段的6～50m基層有輕微破壞，建議在友好街站-勝利廣場站整個施工段爆破施工中，加強支護和監測。

地鐵工程一般位于城市的繁華地段，大部分城市都有錯綜復雜的地下管網，甚至是地下商場等隱蔽性建（構）筑物。施工過程具有隱蔽性、復雜性和不確定性等突出的特點，又因其復雜的地質和外部情況，給施工帶來了諸多不便，如果地質狀況不良，施工措施不當，將有可能引起重大的安全事故。因此將短距離預測與長距離預測相結合，可以得到更為準確的結果，能夠更有效地反映地下的真實狀況。

3 結論

TSP可以準確預測隧道前方圍巖地質體的性質、位置和規模。可以減少隧道施工過程中的盲目性，避免隧道施工過程中可能的重大不良地質或災害地質的發生。在實際施工中，根據現場預報結果，及時調整或修正圍巖分級、設計參數及施工方法，正確指導施工，使施工安全、經濟合理、高效地進行。但是隨著隧道工程復雜性的增加，僅僅使用一種勘測手段進行地質超前預報已經不能滿足超前預報的要求，要學會綜合各種勘測手段的優缺點，綜合利用多種勘測技術，選用高素質、經驗豐富的勘測人員進行預報，才能更準確地做好地質超前預報，更好地為地下工程的施工服務。

表1 TSP與GPR比較Table 1 TSP compared with the GPR

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TSP Geological Prediction and Application in the Subway Construction

YANG Kun-peng1， ZHANG Zhi-qiang2， Liu Hai-long1，Gao Xue-tao1，Zhou Hao11. dalian branch，china construction eighth engineering division corp.ltd，Dalian，116021; 2.Dalian Maritime University， Dalian

This paper simply introduces TSP tunnel geological prediction system development course，and the present situation of the application of this technology and the technical principle in our country. Expounded TSP’s application steps and relative merits Combined with engineering practice and which should notices In the construction engineering. Based on the TSP and geological radar specific survey’s character and actual results obtained make contrast，got the conclusion that a combination using can increase the accuracy of Survey. For TSP’s application in engineering as well as with other survey equipment comprehensive application in the future has important guiding significance.

TD15; U231.3

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.15.024

楊昆鵬（1980.7-），男，2002年畢業于東北大學土木工程專業，本科，工程師，注冊一級建造師，中建八局大連分公司大連地鐵項目總工程師，主要研究領域：地鐵及隧道工程。