TSP203超前地質預報系統工作原理及其應用研究

■高 瑋 ■河南水利與環境職業學院(土木工程系)，河南 鄭州 450008

隨著我國的交通基礎建設的大力發展，作為其重要組成部分的隧道工程要想在設計階段、施工階段完全搞清楚隧道所處位置的工程水文地質情況，以及不良地質體的狀態特征是非常困難的［1］。面臨復雜多變的地質情況，如果在沒有應對地質災害的應急防范措施的情況下施工，質量安全事故將不可避免。在當前我國安全生產倍受國家和媒體重視的今天，隧道事故的發生造成的影響是巨大的，不僅會延誤工程的進度，造成總工期的拖延，而且還會造成工程成本的上升，以及不良的社會影響。為預防隧道施工過程中銀地質問題引發突發性地質災害事故，在隧道開始施工時，必須要做好隧道的地質預測預報，掌握隧道開挖前方的地質情況，在隧道施工前提前做好應急準備，并及時調整施工工藝，確保隧道的安全施工［2］。隧道超前地質預報TSP法是一種預報精度較高、技術成熟的物探方法，是目前國內隧道超前地質預報中使用最為廣泛的一種超前探測技術。

1 TSP203預報系統的特點

1．1 TSP203預報系統的特點

隧道超前地質預報TSP203法相比其他的物探方法，TSP203法在隧道地質預報中的使用范圍更廣、預報的距離也相對更長、準確率也更高。由于該方法在隧道施工的間歇期進行地質預報，因此在施工過程中對隧道的干擾幾乎沒有，且該方法在預報地質時提交成果也比較及時。結合隧道超前地質預報TSP203法在目前隧道的超前地質預報中使用情況，歸納起來，隧道超前地質預報TSP203法具有以下特點：(1)適用的范圍廣：這種預報方法是利用地震波在不均勻地質中產生的反射波特性進行預報地質情況的，所以使用范圍更廣。(2)預報的距離長、準確率高：隧道掌子面前方100～250m范圍內的地質狀況能被準確預報，且預報長度隨著圍巖完整發生變化，圍巖越完整，預報距離就越大。(3)不會對隧道施工造成干擾：可在隧道施工間歇期進行地質預報，對隧道的正常施工干擾較小。(4)提交成果非常及時：這種方法利用專用的處理軟件以及計算機自動繪出地質變化圖，處理速度比較快，因此能在現場采集數據后的第二天即可提交正式成果報告。

1．2 TSP203預報系統可解決的主要技術問題

(1)超前地質預報TSP203法能探測掌子面前方是否存在斷層、特殊軟巖等特殊不良地質體；

(2)超前地質預報TSP203法能對隧道掌子面前方的不良地質體的相對位置以及規模進行有效的探測；

(3)超前地質預報TSP203法能對不良地質體的圍巖類別進行有效判斷，并預測地質災害發生的可能性。

2 TSP203地震波超前地質預報系統介紹及工作原理

2．1 TSP203 簡介

TSP隧道超前地質預報系統是目前隧道超前地質預報方法中最新的地球物理探測方法之一，代表了當今隧道地質超前預報的最新水平。TSP隧道超前地質預報系統屬于多波、多分量、高分辨率地震反射地震勘探方法，其主要組成主要有：洞內資料采集的儀器主要由三分量檢波器、儀器主機及起爆器組成。三分量檢波器用來接收地震波信號；儀器主機將接收到的地震波信號進行放大、模數轉換和數據記錄，同時還進行測量過程控制；起爆器用于引爆電雷管和炸藥。TSP203隧道超前地質預報法是一項先進的長距離超前預報系統，在很多方面，與其他的地質預報方法相比，其優勢非常突出，如對軟弱地層的分布，斷層及其影響帶和裂隙發育帶等方面預報。

2．2 TSP203地震波超前地質預報系統工作原理

隧道超前地質預報TSP203法和其它反射地震波方法一樣，也是采用回聲測量原理。然而TSP隧道地震波超前地質預報系統是利用微量炸藥爆破產生地震波在不均勻地質體中產生的反射特性，來達到預報隧道掌子面前方及周圍臨近區域地質體狀況。其基本工作方法是沿平行隧道軸線方向在隧道側壁布置觀測系統，在炮孔中用炸藥人工激發地震波，地震波向隧道掌子面前方傳播，當遇到巖石彈性不同的分界面時，例如巖層分界面、斷層和巖溶等，就發生反射。因此地震波的震源點通常在隧道的左邊墻或右邊墻，大約24個炮點布成一條直線，用小藥量依次進行微弱爆破激發產生。地震波信號在隧道周圍巖體內以球面波形式傳播。當地震波遇到巖石物性界面(巖石強度發生變化、遇到地層層面、節理面)時，特別是斷層破碎帶界面，和溶洞、暗河、巖溶、淤泥帶等不良地質界面時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被兩個高靈敏度的地震檢波器接收(一般左邊墻與右邊墻各一個)，通過軟件分析地震信息，從而推斷和解釋掌子面前方地質構造形態及圍巖的力學物理參數?；夭ㄐ盘枖祿鶕祷氐膫鞑ニ俣?、延遲時間、波形、強度和方向，通過TSPWIN軟件處理。反射信號的旅行時間和反射界面的距離成正比，通過反射時間與地震傳播速度的換算就可以將反射面的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進面的距離確定下來，便可了解隧道工作面前方地質體的性質(軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等)和位置及規模，并可計算出其巖石物理力學參數，從而確保隧道施工安全與質量。

3 TSP203系統存在的不足

大量的工程實踐資料表明，TSP隧道超前預報系統在隧道施工超前預報方面很有成效。然而對某些不良地質體，TSP預報法預報效果可能達不到預期效果，或者說得出的結論存在一定的局限性，主要體現在以下幾個方面：(1)采用一維觀測系統，不能準確確定掌子面前方圈巖的波速分布，也不能準確推斷反射地質界面的位置和力學性狀；(2)對某些不良地質體，有時候不能嚴格區分巖體的強度，漸變巖體不容易分辨；(3)對溶洞，洞穴以及不連續的地質體預報效果比較差；(4)在進行巖溶災害預報時，只能對地質體的軟弱夾層、斷層及斷層破碎帶、不同巖性分界面以及地層分界面等位置進行預報，而并非對巖溶形狀進行探測。因此在隧道施工預報中，所有的地質情況僅依靠TSP系統去解決是不切實際的，因此需要利用綜合預報的方法進行，以達到較好的預報效果。

4 結語

隧道掌子面前方的地質情況能夠通過TSP203超前地質預報系統及時準確的作出判斷，這對隧道施工前對隧道施工方案和施工措施的選擇具有重要的指導意義。由于TSP是一種物探方法，現場操作分析人員對儀器使用的熟練程度、施工經驗、地質知識等都會影響超前地質預報系統預報的精度，因此這就需要TSP203超前地質預報操作分析人員不斷地積累工作經驗，積累知識，熟練掌握儀器的使用，才能使預報的結果更加接近事實，從而更好的指導施工。

［1］胡輝榮，于貴.TSP203Plus超前地質預報系統在高竹頂隧道斷層中的應用［J］.鐵道工程學報，2011，(5)：1-4.