TSP303系統在某鐵路隧道超前地質預報中的應用

摘? 要：TSP系統作為地震波反射法的一種，因其操作簡便、預報距離長、預報準確性高等特點，目前被廣泛應用于鐵路隧道超前地質預報工作中。文中結合該系統在某鐵路隧道的應用實例，介紹了TSP303系統的基本原理和操作方法，闡述了該系統在超前地質預報中的應用效果，通過對比分析了其在超前地質預報應用中的準確性和適用性。

關鍵詞：隧道;TSP303系統;超前地質預報

中圖分類號：U456.3? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2019）05-0000-00

0 概述

進入21世紀，我國鐵路建設步伐逐漸加快，復雜地質鐵路隧道越來越多，如何在施工階段做好地質工作，進一步查清隧道開挖工作面前方的工程與水文地質條件，降低地質災害發生幾率和危害程度，指導工程順利進行，是鐵路建設者需要重視的一項重要工作。為提高鐵路隧道超前地質預報水平，保證隧道工程質量和施工安全，結合多年來隧道超前地質預報技術的發展，原鐵道部及時發布《鐵路隧道超前地質預報技術指南》[1]，規范了鐵路隧道超前地質預報技術工作，并將該項工作納入工序管理，后結合實踐經驗，鐵路總公司于2015年發布《鐵路隧道超前地質預報技術規程》[2]，為鐵路工程建設施工質量和安全提供了技術支撐。

鐵路隧道超前地質預報的主要方法有地質調查法、超前鉆探法、物探法、超前導坑法等，其中物探彈性波反射法作為長期預報方法，在隧道超前地質工作中發揮了重要作用，其中地震波反射法應用最為廣泛。

1 TSP303法原理和操作方法

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震波反射法。地震波在設計的震源點用小量炸藥激發產生，當地震波遇到巖石波阻抗差異界面（如斷層、破碎帶和巖性變化等）時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質，反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。數據通過TSP303軟件處理，便可了解隧道工作面前方不良地質體的性質（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等）和位置及規模。

TSP303隧道地質超前預報系統觀測系統設計如下：

炮孔設計在隧道的左邊墻或者右邊墻，第1個炮孔離同側接收孔為20m，炮孔間距1.5 m，數量24個，直徑40mm，孔深1.5m。炮孔垂直隧道軸向，向下傾斜10°～20°（激發時密封炮孔）。炮孔離地面約1m。接收孔設計在隧道邊墻，距離掌子面約55m，離地面1m，數量2個（隧道左右邊墻各一個），直徑φ50mm，孔深2m，垂直隧道軸向，用錨固劑固結，向上傾斜5°～10°。接收孔內放入兩個高靈敏度傳感器，確認連接無誤后，對布置在邊墻的24個孔逐個爆破，接受原始數據，采集信號不少于22個。

通過TSP303軟件處理接收數據，可以獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學參數、各反射層能量大小等成果，以及反射層在探測范圍內的2D或3D空間分布。以數據處理成果為基礎，結合開挖工作面觀察，可預報隧道開挖工作面前方一定距離的地質情況。

2 工程概況

2.1 勘察情況

隧道區主要地層為侏羅系上統凝灰巖，進出口分布燕山晚期侵入花崗巖和閃長巖，區域斷層較發育，調繪共發現斷層14條，結合調繪和鉆探驗證，斷層F6對隧道影響較大。該斷裂構造整體呈北西走向，推測于DK164+284～DK164+459處通過設計鐵路線，向北西方向延伸較遠，南東方向被北東向斷裂限制，長度大于12km。斷裂破碎帶寬5～8m，與線路小角度相交，影響寬度較寬，帶內節理密集發育，巖石呈碎塊狀，粘土狀;風化蝕變強烈，可見高嶺土化、絹云母化，片理化現象明顯;破碎帶兩側發育構造角礫巖，次棱角狀，松散狀，黏土質膠結。測得斷裂面產狀227°∠85°。斷裂帶局部充填有安山巖巖脈，推測該斷裂為壓性斷裂。

勘察期間布置EH4大地電磁，詳見圖1，在DK164+442附近，電阻率等值線劇烈變化，向大里程等值線密集，向小里程等值線稀疏，且電阻率值突降。

圖1? EH4大地電磁二維反演斷面圖

依據地表大地電磁成果，在DK164+430左10m完成驗證鉆孔，該處隧道埋深約91m。鉆探取芯情況：地層為凝灰巖，灰綠色，弱風化，凝灰質結構，塊狀構造，節理裂隙發育，巖質硬，巖芯破碎，多呈碎塊狀及少量短柱狀，大部分塊徑3～8cm，最大約10cm，柱狀巖芯一般節長10～15cm，最長約20cm，錘擊不易碎，其中71.0～80.0m、107.0～114.2m巖芯破碎。

綜合考慮調繪、物探和鉆探驗證情況，推測DK164+284～+459段為斷層破碎帶及影響帶，圍巖分級Ⅴ級。

2.2 TSP303方法預報成果

施工階段采用TSP303超前地質預報方法對隧道DK164+560～DK164+380進行長期預報，完成預報成果詳見圖2。

結合圖2，分析認為：

（1）DK164+560～DK164+547段，圍巖情況和+560掌子面基本一致，圍巖較破碎，無水。

（2）DK164+547～DK164+507段，縱橫波速度、楊氏模量均較掌子面升高，推斷圍巖較完整、局部節理裂隙較發育。+547～+533反射面密集，推斷該段圍巖節理裂隙發育較密集，地下水較發育;SV波深度偏移2D視圖顯示，+538附近出現強橫波負反射，推斷該里程附近有線狀或股狀出水。

（3）DK164+507～DK164+405段，縱橫波速度、楊氏模量均較掌子面大幅下降，推斷該段圍巖破碎、節理裂隙發育。其中，+502、+491出現橫波負反射;+484～+463段、+418～+410段泊松比躍升，推斷上述段落地下水發育。如圖3所示。

（4）DK164+405～DK164+380段，縱橫波速度、楊氏模量均前段有較大上升，推斷圍巖變好、較完整、節理裂隙較發育。其中，+405～+399段出現多組橫波負反射，推斷該段節理裂隙發育、地下水較發育;+394～+390段泊松比躍升，推斷該段節理裂隙較發育、地下水較發育。

2.3 開挖驗證情況

經開挖驗證，圍巖情況如下：

（1）DK164+560～DK164+505段，圍巖完整性不均勻，整體較破碎～較完整，圍巖分級Ⅲ級。

（2）DK164+505～DK164+435段為壓性斷裂帶，產狀242°∠80°，巖石破碎～較破碎，節理發育，擦痕發育，具碳酸鹽化、綠泥石化、高嶺土化，因節理密閉，洞內無水，圍巖分級Ⅴ～Ⅳ級;

（3）DK164+435～+380段，圍巖較完整，圍巖分級可達Ⅲ～Ⅱ級。

3 結論與建議

（1）TSP預報的斷層位置為DK164+507～+405段，長度為102m;開挖揭示位置為DK164+505～+435段，長度為70m，長度準確率69%。

（2）起始位置開挖揭示滯后2m，基本一致;終止里程開挖時提前20m結束斷層，有一定誤差。隨著探測長度的增加，呈現誤差增大趨勢，因此對于地質條件較復雜、圍巖完整性較差地段，應減小TSP預報長度。

（3）TSP對于地下水情況的預報不夠準確。預報局部有地下水，開挖揭示為壓性斷裂，節理密閉，未見地下水。地下水的預測還需結合構造特性。

（4）通過TSP預報與施工開挖進行對比分析，當探測對象與相鄰介質存在較明顯波阻抗差異并具有足以被探測的規模，地質界面傾角較大、構造走向與隧道軸線大角度相交時，TSP預報技術對于特殊地質體的宏觀判斷效果是明顯的。

（5）地質體本身具有不均勻性，受巖石強度、地質界面產狀、節理間距及張開度、地下水等多種因素影響，具有復雜性，單純依靠TSP一種預報手段不可能做到全面查清復雜地段地質體特征，地質情況預測可能也達不到較高的精度，因此需要配合超前地質鉆探和地質調查等方法，進一步開展細致探查和觀察工作，詳細評價地質體工程特征，以滿足工程需要。

參考文獻

[1] 鐵建設[2008]105號.鐵路隧道超前地質預報技術指南[S].北京：中國鐵路總公司，2008.

[2] Q/CR 9217-2015.鐵路隧道超前地質預報技術規程[S].北京：中國鐵路總公司，2015.

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[4] 何振起，李海，梁彥忠.利用地震反射法進行隧道施工地質超前預報[J].鐵道工程學報，2000（4）：81

[5] 柳楊春.HSP 地質超前預報技術及其應用[J].西部探礦工程，1997（9）：34-36.

[6] 李永鴻，徐光黎，楊銀湖，等.地震反射波法技術及其在隧道超前地質預報中的應用研究[J].巖土工程學報，2005（10）：1180-1184.

收稿日期：2019-08-22

作者簡介：高清海（1973—），男，天津人，本科，工程師，從事鐵路工程勘察設計、施工管理及研究工作。

Application? of TSP303 System in Advance Geological Prediction of a Railway Tunnel

GAO Qinghai

（China railway design group co. LTD，TianJin? 300251）

Abstract：As one of the seismic wave reflection methods， TSP system is widely applied in advanced geological forecast of railway tunnels due to its characteristics of user-friendly control， long distance prediction and high accuracy. In the paper， we introduce the basic principle and operation method of TSP303 system and the application effect of the system in advance geological prediction based on the application of the system in railway tunnel project cases. Through comparative analysis， the accuracy and applicability of the method are proved.

Key words：Tunnel;TSP303system;Geological Prediction