TSP203在某公路隧道地質超前預報中的綜合應用*

汪旭濤 任寬林 胡 堅

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)武漢地震工程研究院，武漢 430071 3)湖北非金屬地質公司，武漢430030)

TSP203在某公路隧道地質超前預報中的綜合應用*

汪旭濤1，2)任寬林3)胡 堅1，2)

(1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)武漢地震工程研究院，武漢 430071 3)湖北非金屬地質公司，武漢430030)

以滬蓉西高速公路某隧道為例，分析了隧道的工程地質條件與隧洞穩定性的關系，并介紹了TSP203現場測試、解譯的過程和方法。

地質超前預報;TSP203;地質素描;隧道;穩定性

1 前言

目前，隧道超前預報中地質素描、地質雷達、TSP法、紅外探測、超前水平鉆孔等方法被廣泛應用于隧道工程施工中，并取得了一定的工程經濟效益［1，2］。但其各具優缺點，特別是地質條件復雜的深埋長大隧道中，應結合具體地質情況，綜合選用預報方法，相互印證，綜合解釋，以提高地質預報的準確性，減少工程事故的發生。

2 常用隧道地質超前預報方法

1)地質素描

地質素描是將隧道所揭露的地層巖性、地質構造、結構面產狀、地下水的出露點位置、出水狀態、出水量、煤層、溶洞等準確記錄并繪制成圖表，再結合已有的勘查資料，進行隧道開挖面前方地質條件的預測預報。該方法簡單方便、效率高、成本低，但對操作人員地質水平要求較高，其預報范圍有限，特別是地層巖性變化極為復雜的隧道預報準確率低。

2)地質雷達

地質雷達是以寬頻短脈沖的高頻電磁波的反射來探測目標體，其分辨率可達數厘米。該方法設備輕便，操作簡單靈活，探測精度高，特別是對于掌子面前方的含水帶、破碎帶有較高的識別能力。但其探測距離短(5～30 m)，受鋼構件的影響較大。

3)TSP法

TSP法是利用地震波在不均勻地質體中產生的反射波特性來預報。該法適用于極軟巖至極硬巖的任何地質情況，預報距離長(100～350 m)，預報準確性高，對隧道施工干擾小，但對點狀異常體(如溶洞等)的探測不理想。

4)紅外探測

紅外探水儀根據圍巖紅外輻射場強度的變化值確定掌子面前方或洞壁四周是否有隱伏的含水體。該法設備輕盈、操作簡便、效率高。但其在含水構造的問題上只能夠指導10～30 m的施工。

5)超前水平鉆孔

超前水平鉆孔是用鉆探設備向掌子面前方進行水平鉆探，從而直接揭示隧道掌子面前方地層巖性、構造、地下水等信息。該法具有直觀性、客觀性，但其費用較高，占用隧道施工時間長，且存在“一孔之見”的弊端。

3 某公路隧道地質超前預報中的綜合應用

3.1 工程概況

某深埋特長隧道為滬蓉西高速公路宜昌段控制性工程，位于長陽背斜次級背斜核部偏北翼，為構造溶蝕～侵蝕地區。

該隧道地質情況較為復雜，結合隧道巖體為非可溶性巖，本次地質超前預報采用在地質素描基礎上運用TSP203宏觀預測的綜合預報方法。

3.2 地質素描

本次預測為隧道出口右線YK45+773～YK45 +616段，埋深約410 m，巖性為水井沱組(∈1 s)炭質頁巖夾少量粉砂質頁巖，灰色、灰黑色，薄層狀，層理明顯，屬次堅石，巖層產狀為5°～25°∠40°～50°，節理主要發育2組：節理 J1產狀為140°～161°∠55°～65°，屬閉合～微張型;節理J2產狀為242°～258°∠72°～85°，屬閉合-微張型，局部少量張開。根據實測掌子面巖體結構面產狀、跡長、膠結等地質情況可以得到如下斷面示意圖(圖1和圖2)。

圖1 隧洞YK45+773處橫斷面示意圖Fig.1 Cross section at the site YK45+773 of the tunnel

圖2 隧洞YK45+773處縱斷面示意圖Fig.2 Longtubined section at the site YK45+773 of the tunnel

利用極射赤平投影等密度圖可再現隧道巖體結構面與洞軸線的切割關系(圖3)，從圖3可看出節理J1走向與洞軸向的夾角為44°～65°，不利于隧洞側墻穩定性;節理J2走向與洞軸向的夾角為37°～53°，有利于洞頂穩定性，不利于洞側穩定性;巖層層面走向與洞軸向的夾角為0°～20°，對洞頂穩定性影響一般，最不利于隧洞側墻穩定性。因此，節理裂隙切割巖體對洞身穩定性的影響相對較大。

圖3 隧道洞軸與極射赤平投影等密度圖配套分析圖Fig.3 Analysis of tunel axis kitted with stereographic projection isodense

3.3 TSP203超前地質預報

TSP203超前地質預報系統是專門為隧道和地下工程超前預報研發的，能方便快捷預報掌子面前100～200 m范圍內的地質情況。

1)TSP203工作原理

TSP203采用反射地震波測量原理。地震波在指定的震源點用小藥量激發產生，地震波在巖石中以球面波形式傳播，當地震波遇到巖石物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時，一部分地震信號反射回來，一部分信號折射進入前方介質［2］。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收，反射信號的旅行時間和反射界面的距離成正比，故能提供一種直接的測量(圖4)。

圖4 TSP203系統的原理與野外布設Fig.4 Principle and field setting of TSP203 system

2)現場測試

預報采用瑞士安伯格測量技術有限公司TSP203設備，實測時觀測系統布置一個接收孔(孔深2.0 m)和24個炮孔(孔深1.5 m，間距1.5 m)，每個炮孔炸藥量為50～100 g，采用毫秒級瞬時電雷管逐個引爆(圖5)。

圖5 TSP203觀測系統布置平面示意圖Fig.5 Plan of the monitoring system of TSP203

3)資料解譯

對隧道內不同巖性分界面的確定，主要是依據反射系數R。R值越大，說明分界面的波阻抗差別越大，此時反射波的振幅就越強。其中正反射，出現于下伏巖層波阻抗大于上層介質時，也就表明下伏巖層為剛性巖層，此時地震波為軟弱巖層向致密巖層傳播;反之，負反射表明下伏巖層為軟弱巖層，此時地震波為致密巖層向軟弱巖層傳播。

式中，ρ1、ρ2分別為介質1、2的質量密度，v1、v2分別為波在介質1、2中的傳播速度，R12波在兩種介質分界面處的反射系數。當Z1＞Z2時，R12＞0，反射波相位與接收首波相位相同;反之，反射波相位與接收首波相位相反。

圖6為軟件處理的深度偏移圖，由Radon變換所得，圖中X代表隧道軸線方向上距檢波器的距離，R代表在側線水平面上偏離隧道軸線的距離。圖中深色部分代表相對強反射界面，淺色部分代表相對弱反射界面［4］。

圖6 隧道深度偏移剖面圖Fig.6 Deep offset profile of the tunnel

圖7為反射界面提取圖，為深度偏移圖通過以下3個步驟得到：1)通過品質因子Q補償地震波在傳播過程中能量的擴散損失及大地的吸收作用［4］; 2)評估軟件在對波形軌跡掃描過程中忽略沒有反射或反射微弱部分［5］;3)以隧道軸線為標準，提取及計算相對強軟反射界面的位置。

圖7 隧道提取的反射層Fig.7 Reflecting layer graph extracted from the tunnel

圖8為巖性參數圖及二維成果圖的組合，巖性參數圖依次分別表示縱波波速、橫波波速比、泊松比及巖石密度;二維成果圖由俯視圖和側視圖組成。

圖8 隧道2D結果顯示Fig.8 2D result showing of tunnel

4 預報結果和建議

根據TSP探測結果，從偏移剖面圖上可以看出YK45+714、YK45+646處有明顯的負反射，推測YK45+714處為巖性分界面，巖體質量由此變差，YK45+646處為破碎帶。結合地質素描所獲得的巖體工程地質信息，得出如下結果和建議：

1)隧道洞身YK45+773～YK45+714段巖體節理裂隙較發育，穩定性一般;YK45+714～YK45 +678段巖體完整性降低，穩定性降低;YK45+678～YK45+646段巖體節理裂隙較發育，穩定性一般; YK45+646～YK45+630段疑是為含水破碎帶; YK45+630～YK45+616段巖體節理裂隙較發育，穩定性一般。

2)合理布設激發與接收裝置，壓制“管波”、提高信噪比，是確保數據采集質量的關鍵。①布設激發孔與接收孔應平行于隧道軸線在洞壁上成直線排列，若不能確定前方地質體產狀時，應在左右壁對稱布設接收器并保證與圍巖良好耦合，同時采集數據;②震源炸藥要與激發鉆孔保持良好耦合，孔內應注滿水以減少能量消耗，重要的是保證爆炸時產生橫波。

3)本次在地質素描基礎上運用TSP203綜合預測成果和開挖后遇到的實際情況吻合較好，但也存在一定差異，建議采用此方法進行地質超前預報時，可考慮采取水平鉆探做補充［6］，以提高地質超前預報的準確性和可靠程度。

4)建議隧洞掘進過程中采用注漿錨桿或小導管超前加固圍巖，在圍巖穩定性相對低或破碎帶的區段加大支護力度、快速施工，避免拱頂坍塌破壞，尤其加強隧洞側墻的支護。

5 結論

1)TSP203具有預報距離長、工作效率高、經濟便捷等優點，尤其對于隧道軸線大角度相交的面狀軟弱帶、斷層破碎帶及地層分界面預報效果較好，具有良好的應用前景。但此法不能直接提供巖土體的工程地質信息，與地質素描法綜合預報能提高預報準確度。

2)隧道地質超前預報涉及到構造地質學、水文與工程地質學、地球物理學、環境地質學等學科，屬于應用性較強的交叉科學。結合隧道具體工程地質條件選取合適的預報方法顯得尤為重要。

3)以地質法為基礎，以物探法為手段的綜合預報方法進行定性、定量或半定量的分析，無疑是克服和彌補物探資料解釋的多解性和提高預報水平的重要手段。

1 陳炳祥.長大隧道施工地質超前預報技術應用研究［J］.鐵道工程學報，2004，(2)：57-62.

2 何繼善，柳建新.隧道超前探測方法技術與應用研究［J］.工程地球物理學報，2004，1(2)：293-298.

3 張進鐸.地震解釋技術現狀及發展趨勢［J］.地球物理學進展，2006，21(2)：578-587.

4 宋先海，顧漢明，肖柏勛.我國隧道地質超前預報技術評價［J］.地球物理學進展，2006，21(2)：605-613.

5 李華，朱自強，李鍵.TSP203系統在巖體分級中的應用研究［J］.工程地球物理學報，2005，2(6)：449-453.

6 戴前偉，何剛，馮德山.TSP-203在隧道超前預報中的應用［J］.地球物理學進展，2005，，20(2)：460-464.

APPLICATION OF TSP203 IN GEOLOGICAL ADVANCED FORECAST IN A CERTAIN TUNNEL OF A HIGH WAY

Wang Xutao1，2)，Ren Kuanlin3)and Hu Jian1，2)

(1)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)Wuhan Institute of Earthquake Engneering，Wuhan 430071 3)The Nonmetal Geological Corporation of Hubei Province，Wuhan 430030)

Taking a tunnel of Hurong west high way as an example，a method using TSP203 to make a advanced forecast is introduced，and the relation between the geologcal condition and the stability of the tunnel is analysed.The field test，the procedure and method of the interpratation is also introduced.

geological advanced forecast;TSP203;geologiocal sketch;tunnel;stability

1671-5942(2011)Supp.-0102-04

2011-02-11

汪旭濤，男，1982年生，碩士，主要從事地震工程及巖土工程的開發研究.E-mail：Ferdie_wxt@163.com

P624

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