TSP在高速鐵路隧道超前地質預報中的應用研究

陳 劍，吳 立，2，徐昌茂，2，袁 青，鄧 星

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢 430074;2.巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心，湖北武漢 430074)

高速鐵路隧道工程地質條件復雜，災害源多、開挖斷面大及施工工序復雜等顯著特點決定了高速鐵路隧道開挖具有高風險性。在隧道開挖過程中，由于對開挖面前方地質體特性認識的不足而引起的各類工程事故不計其數［1-2］。為減少隧道開挖過程中的盲目性，加強對掌子面前方圍巖地質情況的掌握和監控，已開發出諸多超前地質預報方法，如地質調查、超前鉆探、紅外探水、地質雷達和彈性波探測等。在眾多的預報手段中，TSP作為當今較為成熟的中長期地質預報技術，自1994年應用至今，在國內外各類工程中進行了上千次富有成效的超前地質預報，取得了良好的社會經濟效益［3］。本文介紹TSP的基本原理，總結其解譯原則和注意事項。并結合滬昆客專轎頂坡隧道工程實例，將TSP探測結果與隧道開挖情況進行對比，以期為同類工程施工提供借鑒。

1 TSP的基本原理

TSP和其它反射地震波法一樣，采用了回聲測量原理。地震波在指定震源點用小藥量激發產生，震源點通常布置在離不良地質體較近的一側邊墻，一般18～24個炮點布成一條直線，接收點和炮點在同一水平面(如圖1所示)。地震波以球面波的形式在巖體中傳播，一部分向接收器方向前進形成直達波，TSP以直達波作為計算波速的依據。一部分沿掌子面前方繼續傳播，當遇到巖石物性界面如斷層破碎帶、溶洞、暗河、巖溶陷落柱、不同巖性接觸面等不良地質界面時，一部分地震信號將反射回來，一部分折射進入前方巖體。反射地震信號將被1～2個高靈敏度的三分量(X，Y，Z方向)檢波器接收，反射信號的傳播時間和到反射界面的距離成正比，由此可確定界面的位置［4］。反射波的能量大小、波形及傳播速度與相關地質界面的性質和產狀密切相關，因而可以判斷出探測范圍內各種地質體的性質和規模。通過TSPwin軟件處理，可以獲得P波、SH波、SV波速度剖面圖，能量深度偏移圖，反射層提取圖，巖石物理力學參數和二維推斷分析圖以及反射層在探測范圍內的空間分布［5］。

圖1 TSP原理示意

2 地質概況

2.1 地貌與地層

隧道地貌類型單一，為構造侵蝕溶蝕低山—丘陵溝谷地貌，山脊走向大致呈北東—南西向。沿線自然坡度 25°～37°，局部為55°以上的陡崖。

除大部分平緩斜坡表層有少量第四系全新統殘坡積層(Qel+dl4)外，大部分地段基巖裸露，基巖主要為寒武系中下統碳酸鹽巖組。

2.2 地質構造

隧道通過地段基本處于以元古界板溪群五強溪組(Ptbnwl)為核部，震旦系—寒武系地層為翼部的新晃復背斜的西北翼。地層基本為單斜巖層，整體傾向西北，產狀較為半緩。

隧道區有多條斷裂帶通過，斷層破碎帶巖體破碎，結構松散，透水性強，圍巖自穩能力差。洞身分布的斷層角礫結構松散，易塌方、涌水，對隧道施工有一定影響。

2.3 水文地質特征

隧道區斷裂破碎帶發育，平面延伸長，切割錯動地層，長期接受大氣降水和地下水的下滲補給，含水量豐富。但隧道區斷層為壓扭性，破碎帶內巖石膠結較好，裂隙寬度較小，使其富水性和透水性不均勻。

3 實例分析

3.1 TSP203觀測系統的布置

本次 TSP預報范圍為 DK418+649—DK418+769。根據前期勘察資料及現場地質調查分析，確定不良地質體與隧道軸線的方位關系，并以此為據選取隧道進口的右邊墻為探測壁。接收器里程為DK418+601，第一個炮點距接收器18 m，設置1排20個炮點，炮口均在同一直線上。炮點間距1.5m，孔深1.5m，孔徑42 mm，向下傾斜10°左右。接收器套管放入打好的孔中，套管與圍巖耦合良好，向上傾斜15°左右。把接收器放入套管內，對好方向，接收信號線一端連接接收器，另一端連接記錄單元。將乳化炸藥、瞬發電雷管制成炸藥包(藥量75～100 g)，采用木制炮棍將炸藥包安放到位，起爆線一端連接雷管角線，另一端連接觸發盒。引爆前，炮孔用水充填，封住炮口。連續激發20炮，進行數據采集。最終結果如圖2和圖3所示。

圖2 巖體物理性質參數

圖3 二維推斷分析圖

3.2 解譯預報與開挖驗證

3.2.1 解譯原則

獲取上述數據后，需要結合具體的工程實例對預報數據進行解譯。根據本標段多次TSP預報成果和經驗，本區段灰巖地區Ⅲ、Ⅳ級圍巖的臨界波速在5.0 km/s左右。解譯過程中，堅持以下經驗原則:①堅持以縱波波速Vp值作為初步判斷圍巖情況的依據，Vp值越大表明巖體越堅硬致密，Vp值降低表明巖體裂隙度、孔隙度增加，密度和楊氏模量降低。同時，以已開挖圍巖段直達波速和圍巖級別作為標準，結合前期經驗值，初步判斷掌子面后方圍巖級別。②巖體含水狀態與橫波速度密切相關，一般來說，若橫波反射明顯比縱波強，表明巖體飽含水。縱橫波波速比Vp/Vs或泊松比突然變大常常是由于巖體內的流體引起，流體的性質根據其變化幅值的大小體現出來。③總體上，縱橫波波速比Vp/Vs與泊松比成正相關，與巖體的密度和彈性模量成負相關。④巖體物理性質參數只能作為初步判定依據，同時要結合深度偏移剖面圖、反射層提取圖及其3D視圖相互驗證，力求解譯的全面性和準確性。⑤巖體的縱波速度Vp值只能作為判斷圍巖級別的初步依據而不是唯一依據，例如，一段干燥、節理密度為3條/m的Ⅲ級圍巖的縱波速度可能比一段飽含水、節理密度為5條/m的Ⅳ級圍巖縱波速度低得多。⑥巖體物理性質參數在某區段內頻繁波動，基本可判斷此區段圍巖破碎或軟硬巖互層。⑦圍巖分級不僅與圍巖波速有關，而且與巖層的陡緩程度也有很大關系。在圍巖波速相同的情況下，產狀平緩的圍巖通常比陡立的圍巖級別高半級左右。

3.2.2 預報結果與開挖情況對比分析

滬昆高速鐵路長昆湖南段轎頂坡隧道起訖里程DK418+009—DK419+928，全長1 919 m，最大埋深102 m。本次預報范圍內隧道埋深為42.5～85.0m。勘察結論為DK418+649—DK418+769段圍巖級別為Ⅲ級，巖性為薄層灰巖夾泥灰巖，弱風化，巖質較堅硬，巖體較完整，節理裂隙弱發育，塊狀結構。地下水主要為巖溶裂隙水，以股狀淋水為主。

掌子面DK418+649圍巖為弱風化灰巖夾泥質灰巖，薄層狀，產狀平緩，裂隙發育，裂隙傾角較陡。從掌子面觀察看，巖石溶蝕以豎向裂隙溶蝕為主，層間溶蝕較弱。掌子面局部輕微滲水。

根據以上解譯原則，結合深度偏移剖面解譯標志［6］，同時對預報段圍巖的地質素描整理分析，得出本次TSP探測結果與開挖情況對照表，見表1。

表1 轎頂坡隧道TSP203預報結果與開挖情況對照

由表1可見，除DK418+665—DK418+673段地下水預報結果與實際情況有所偏差外，其余段TSP地質預報結果與開挖情況一致。本次探測基本查明了預報范圍內圍巖的地質情況，探明了隧道掌子面前方軟弱巖層、溶蝕孔洞、節理裂隙發育帶的分布范圍及規模，推斷出了地層含水狀態，概略地確定出圍巖級別。不僅彌補了初期勘察在水文地質方面精度不足的缺陷，還能夠積極指導施工。

4 結論與建議

TSP作為當前較為成熟的中長期超前地質預報技術，具有探測不良地質種類多，探測距離遠，分辨率高，抗干擾能力強，對施工影響小，提交成果及時和預報準確等優點［7］。但也存在一些技術缺陷，如成本高，預報工序多、操作復雜，直線觀測方式不盡合理，解譯主觀性強等。

1)超前地質預報過程中，嚴格遵循相關行業規范規定，建立健全超前地質預報及監督體系，保證預報所采取數據的真實性及合理性。

2)改進TSP現有單一的觀測方式或數據處理軟件。由于TST觀測系統比直線布置的觀測系統優越，能獲得不同橫向偏移距的資料，能可靠地確定前方圍巖的速度分布，提高地質體的定位精度，保證偏移圖像位置的真實性，因此可以采用TST數據處理軟件對TSP原始數據進行處理，對比分析得出解譯成果。這需要廠商間加強合作，提高其軟硬件的兼容能力。

3)聘用地質工作經驗豐富的專業人員進行數據處理和解譯，力求解譯得全面具體。同時應結合地質調查、地質雷達、紅外探水、超前鉆孔等手段，相互驗證，提高預報的準確性。

［1］王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術［M］.北京:人民交通出版社，2010:914-915.

［2］賀志軍.山嶺鐵路隧道工程施工風險評估及其應用研究［D］.長沙:中南大學，2009.

［3］林建林，李庶林，焦玉勇，等.TSP超前地質預報探測技術及其應用現狀［J］.工程地質學報，2010，18(增刊):220-227.

［4］贠永峰，張存亮.TSP超前地質預報在東塘溝隧道中的應用［J］.鐵道建筑，2011(6):71-74.

［5］劉志剛，凌宏億，愈文生.隧道隧洞超前地質預報［M］.北京:中國鐵道出版社，2011:256～258.

［6］許振浩，李術才，張慶松，等.TSP超前地質預報地震波反射特性研究［J］.地下空間與工程學報，2008，4(4):640-644.

［7］劉志剛，劉秀峰.TSP(隧道地震勘探)在隧道隧洞超前預報中的應用與發展［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(8):1399-1402.