TSP203檢測儀在隧道水害預報中的應用

李紅澤

（中鐵十九局集團有限公司計量測試中心，遼寧 遼陽 111000）

TSP203檢測儀在隧道水害預報中的應用

李紅澤

（中鐵十九局集團有限公司計量測試中心，遼寧 遼陽 111000）

根據TSP探測數據結果解譯原則，結合工程檢測實例，辨析TSP203對隧道水害預報結果的判斷依據，探討該儀器探測圍巖中流體分布時的優缺點。

橫波；縱波；泊松比

近年來隨著隧道建設快速發展，保證隧道安全、優質、快速施工成為隧道工程界的主攻方向。然而由于隧道工程地質狀況的復雜多變性和難以預見性，在隧道工程勘察設計階段查明隧道周圍地質體的準確狀態顯得比較困難。隧道工程修建過程中，許多不良地質狀況下地質災害的發生常常和隧道水害有著直接或間接的關系。TSP203 PLUS隧道地震波檢測儀是在我國使用比較早而且應用比較廣泛的一種超前地質預報探測儀器。該儀器在隧道水害方面的探測效果一直以來存在爭議，本文以預報實例探討該儀器在隧道水害探測時的判斷依據，并分析其實用性和優缺點。

1 TSP203探測數據結果解譯原則

在TSP203用戶手冊中指出處理成果的解釋與評估，主要基于以下的地震勘探基本準則：

（1）反射振幅越強，反射系數和波阻抗的差別越大。

（2）正反射振幅（紅色）表明正的反射系數，表明堅硬巖層；負反射振幅（藍色）表明軟弱巖層。

（3）若橫波反射比縱波強，則表明巖層飽含水。

（4）縱橫波速度比有較大的增加或者泊松比突然增大，常常因流體的存在而引起。

（5）若縱波速度下降，則表明裂隙密度或孔隙度增加。

本文主要辨析解譯原則中第（4）、第（5）條內容。

2 縱橫波速度比、泊松比及相關關系

根據材料力學知識，泊松比和巖體中的縱、橫波波速關系可以表達為：

其中：δ為泊松比，PV為巖體中地震波縱波速度，SV為巖體地震波橫波速度。

在已知巖體中傳播的地震波縱波(P波）和橫波（S波）速度若視為已知，其縱橫波速度比值用M來表示，即:

根據巖體力學知識，我們知道巖石不同狀態下M取值范圍如下：

（1）固結的巖石M＜2.0, δ＜0.33；

（2）當巖石的孔隙充滿水時，M從1.4～2.0；

（3）當巖石的孔隙充滿氣時，M從1.3～1.7；

（4）水飽和的未固結地層M＞2.0。

橫波S是剪切波，不能在液體中傳播。均勻巖體中，在不考慮圍巖應力影響時流體的存在對縱波速度變化影響不大，而對橫波速度變化影響明顯。

3 實際檢測結果分析原則方法與判別研究

3.1 檢測實例及一般原則

橫波S是剪切波，不能在液體中傳播。均勻巖體中，在不考慮圍巖應力影響時流體的存在對縱波速度變化影響不大，而對橫波速度變化影響明顯。

2012年4月11日在西康二線鐵路王家嶺2#斜井DK169+189隧道掌子面涌水時，對比3月7日與4月12日連續2次隧道超前預報對相同里程段圍巖波形分析（圖1），其中共同點：縱波P速度變化不大或無變化，橫波S速度下降較多（即M值上升），δ值上升，其原因通常為存在流體或巖層含水，這是TSP判斷圍巖水害的最重要原則。在多年的實際檢測中，按照這個原則準確預報圍巖是否含水的成功范例較多，不再贅述。

圖1 DK169+193～187波形參數對比

3.2 對二維反射層提取圖上相似數據形狀去偽存真

M作為縱橫波速比值，如橫波下降幅度大于縱波，M值也會上升，導致δ上升。經過多次檢測結果和實際圍巖對比驗證，這種情況幾乎全部為圍巖裂隙增多、孔隙比增加或存在風化的緣故所導致。

在實際檢測結果中，如縱波速度上升較多，橫波速度變化不大或稍有上升導致的泊松比數據的上升，這種情況常常是因為圍巖密度和地應力增加引起的。

以上兩種情況都不能簡單的按照泊松比上升就說明存在水或流體。

3.3 預報結論要與對應地形地質圖相結合

超前預報人員應具備一定的專業素質，實際中常常出現非地質專業人員的操作者，對地質專業知識不甚了解，導致對軟件的處理結果做出違反地質規律的錯誤判譯。在進行隧道地質超前預報結論編寫階段，地形圖和地質圖是仍然是重要的參考資料。在檢測埋深僅幾百米的隧道時，線路山體表面地形特征和地質構造形態往往可以提供非常重要的信息。例如上覆溝槽、溪流、懸崖、植被、節理走向、斷層產狀，甚至既有線的圍巖描述都能給予提示，因此應正確解讀這些自然的標記和符號。

2010年7月9日在西康二線鐵路王家嶺隧道1#斜井施工至DK166+449處時左側邊墻及掌子面出現裂隙涌水（圖2），水質清澈，無異味，出水量5312m3/d。在施工前對該段里程進行預報時，發現縱波P速度幾乎無變化，而橫波S速度有所降低，即M值上升，泊松比δ突然增大，判斷出該段含水。同時參考地形地質圖，在該里程段埋深約300米，山體地形存在溝槽，溝中常年有溪流，節理面幾乎豎直，推測地表徑流可能影響隧道內出水量，綜合判斷如下：DK166+447～466段圍巖主體為灰巖，巖質較堅硬，節理較發育，存在風化水蝕漬跡，節理水發育，水量較大，整體性較差，為一區域富水帶，449處存在裂隙水。

可見按照上述原則，參考地形地質資料判斷得到的結果與實際情況相符。

圖2 王家嶺隧道DK166+449處裂隙涌水

3.4 對預報存在偏差問題的再研究

雖然在這項原則基礎上取得了很多成功的實例，但在一些特定地質條件下，仍存在預報偏差。

2011年3月2日西康二線新馬家坪隧道出口施工至DK194+814時掌子面出現溶洞（圖3），溶洞走向與線路方向接近正交，寬度為0.5-0.8m，條帶狀發育裂隙溶蝕，溶腔表面為碳酸鈣堆積物，凹凸不平，在隧道左側邊墻底腳甚至發現方解石晶簇，圍巖主體為灰巖，淺灰～灰黃色，以薄中層為主，節理裂隙發育，較破碎，存在滲水。

圖3 新馬家坪隧道DK194+814溶蝕裂隙

根據2月20日現場實測波形分析（圖4），可看到在DK194+814-810段，P波速度基本無變化，而S波速度明顯下降，δ上升。按照上述原則得TSP超前預報結論為：該段圍巖強度較之前變化不大，巖質仍較堅硬，節理較發育，潮濕。814～810段存在滲水。

圖4 DK194+814處波形參數

根據報告結論和實際圍巖揭示情況對比可以看出：

（1）該段圍巖存在滲水的預測準確，本文所述原則結論在此處是適用的；

（2）但未能準確預測到裂隙溶蝕，這在超前預報工作中屬較嚴重的偏差。

在出現這種情況后，經過重新分析數據，查閱資料后總結，結果存在偏差的原因可歸納為以下2點：

（1）溶蝕為裂隙溶蝕，沿隧道走向長度短，僅0.5～0.8m，該裂隙在反射層提取圖中僅顯示為1條反射層細線，實際里程上1m在圖中僅約1mm，即儀器的顯示精度客觀上對判斷結論有影響。

（2）S波不能在液體中傳播，在空氣中傳播時速度也會明顯下降，而在裂隙很窄的情況下，P波表現不靈敏。導致這種裂隙空洞在波形上與巖層含水情況波形類似。

因此，在超前地質預報過程中，應以更加謹慎的態度注意前方探測段巖性及可能存在的特殊地質情況。當然，更多的特殊地質情況還需進一步歸納和總結。

3.5 分析儀器探測數據能力的缺點

TSP超前預報系統可以粗略估計圍巖中的P波速度、S波速度、縱橫波速比、泊松比、拉梅系數、動楊氏模量等各項參數，針對P波和S波速度比和泊松比，需要經過我們的去偽存真，對圍巖中是否含水的情況有較為準確的反應。然而儀器探測時，前方圍巖中的水被巖體封閉靜止，儀器分析巖層含水僅限于靜態水，無法測得水體體積、壓力及水頭高度等參數，無法預估隧道開挖至含水體附近時出水量的大小，可能造成出水量描述上的不準確。

但如果我們能夠根據地質學知識和地質、地形圖，在其他相關資料的輔助下，進行綜合判定，也可以有效提高預報結果的可靠性和準確性。

5 結束語

TSP超前地質預報系統在目前應用最廣泛的隧道超前預報手段之一，依靠該系統的強大功能，檢測人員在規避隧道安全施工風險方面做出了很大的貢獻。但在該系統對隧道水害的探測效果方面，見仁見智，存在爭議，但只要我們秉持求真務實的工作態度，明辨慎思的職業精神，相信在經過廣大檢測人員不斷的總結和交流后，一定會取得長足的進步。

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The Application of TSP203 Advanced Geological Prediction of Tunnel Water Interpretation Principle in Forecasting

LI Hong-ze

(China Railway 19th Bureau Group Co., LTD., Liaoyang 111000)

according to the principle of translation solutions TSP detection data, combined with the engineering test, summarizes the results based on TSP203 tunnel flood forecasting, discuss the advantages and disadvantages of instrument for detecting water distribution in the surrounding rock.

Transverse wave;Longitudinal wave;Poisson ratio

U452.1+7

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.05.001

1672–7304(2016)05–0001–03

（責任編輯：廖建勇）

李紅澤（1984-），男，河南內鄉人，工程師，研究方向：橋梁與隧道工程，試驗與檢測。