TSP203超前地質預報系統在客運專線高風險隧道中的應用*

鄒 偉，雪飛勝，沈進喜

(湖南中大設計院有限公司，湖南長沙410075)

TSP203超前地質預報系統在客運專線高風險隧道中的應用*

鄒 偉，雪飛勝，沈進喜

(湖南中大設計院有限公司，湖南長沙410075)

客運專線中存在較多的長大隧道，其隧道斷面大、埋深大，在地質情況復雜的地區給隧道施工帶來安全隱患，因此，在隧道施工中開展超前地質預報工作十分有必要。本文基于TSP203技術在滬昆客專某隧道進行了超前地質預報，對掌子面前方的地質情況作出了較為精準的預測，為指導隧道施工提供了可靠的依據，保證了隧道施工的安全。

隧道超前預報;TSP203;隧道施工;巖溶

根據國家《中長期鐵路網規劃》以及京津城際、武廣、京滬等高速鐵路的開通，標志著我國已全面進入高鐵時代，擁有世界上最龐大的高鐵網絡。客運專線設計時速一般為250～350km/h，對勘察、設計、施工以及管理帶來了空前的挑戰。就目前已開通和在建的線路來看，其中橋梁和隧道的比重占整個線路里程較大，尤其是地質條件十分復雜的長大隧道往往成為關鍵控制性工程。由于隧道施工速度越來越快，隧道埋深也越來越大，因此有效的探明掌子面前方的地質情況，關系到施工安全、質量以及進度的保證。目前利用物探進行超前地質預報的方法較多，有地質雷達法、瑞雷面波法、聲波法、TSP法等，大量的實踐證明［1－4］，TSP法是一種預報精度較高、技術成熟使用的物探方法，在目前客運專線建設中被廣泛采用。

一、TSP203預報系統的原理與特點

TSP－203系統就是專門為隧道超前地質預報所設計，它能長距離預報隧道施工前方的地質變化:如斷層破碎帶、軟弱巖層及其他不良地質地段，其準確預報范圍為掌子面前方100～150m。TSP是一種用微量炸藥爆破產生地震波進行隧道地質超前預報的技術，工作原理示意圖如圖1所示。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。再由專門的傳感器記錄地震信號，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。TSP203技術相比其他物探技術而言，具有使用范圍廣、預報距離長、準確率高、對隧道工地干擾小以及提交成果及時等特點［5］。

二、工程地質概況

本隧道為一特長隧道，位于在建滬昆客運專線云南段，全長14800m，最大埋深為750m。該段隧道洞身差主要穿越可溶巖地段，構造發育，主要穿過楊梅山－小達村斷層、發伍多－東鋪斷層、迤后所－羊洞斷層，大落沖斷層(F1)、(F2)和(F3)斷層，巖體破碎，富水或存水，施工中易產生坍方、掉塊及涌水涌泥等情況，風險評估為Ⅰ級風險隧道。本次采用TSP203方法對本隧道中地質勘探巖性變化急劇，存在可溶巖以及夾煤層等不良地質段的地質情況進一步的探明，以便及時掌握和反饋隧道掌子面前方的地質情況，調整防護措施，為優化隧道施工組織、制定施工安全應急預案提供依據。勘探地質情況如圖2所示，圖中P1q為灰巖，強風化層，節理裂隙發育，巖體破碎，屬Ⅳ級軟石;P1l為砂巖、泥頁巖夾煤層，薄至中厚層狀，質軟易風化，煤線厚度一般小于0.4m;C3mp為灰巖夾白云質灰巖、泥巖，中厚層狀，塊狀構造，節理裂隙發育，屬Ⅳ級軟石;C2hn為灰巖、白云質灰巖，中厚層狀，塊狀構造，節理裂隙發育，致密質堅性脆。

圖1 TSP法工作原理示意圖

圖2 勘探地質情況

三、數據采集與分析處理

本次TSP203預報的地震波接收器里程位置在PDK979+120，掌子面里程位置為PDK979+187，設計為24炮，2個接收器接收。通過試驗，確定采用藥量為75ɡ乳化炸藥。數據采集時采用X－Y－Z三分量接收，采樣間隔62.5μs，記錄長度451.125ms。實際激發24炮，所記錄的23炮合格，可用于數據處理和解釋。

現場采集的數據采用TSPwim專用軟件進行處理，TSPwin軟件主要由數據庫、處理、計算反射界面三部分組成。① 數據庫:編輯現場采集的數據和定義觀測系統。② 處理:對原始數據進行放大、能量均衡、濾波等流程的處理。③ 計算反射界面:在波形處理后，從地震波形記錄中拾取縱波波至和橫波波至，根據爆炸點與檢波器的距離可分別計算各段圍巖的縱波速度vp和橫波速度vs。vp和vs值的大小綜合反映了圍巖的物理力學性質，根據vp和vs值可直接計算動力學參數，即計算動彈性模量Ed、動剪切模量Gd和泊松比μd，計算式如下:

其中，ρ為圍巖的密度。

根據繞射重疊法原理(與常規地震反射資料處理中偏移流程的原理類似)計算反射界面與隧道的相對位置，即與隧道軸線的交角或至掌子面的距離。最后根據TSP法的原理和工作經驗，把距離隧道軸線近、能量大的反射波組判釋為圍巖異常區，并綜合地震波速、反射波相位、泊松比和動態楊氏模量等參數對圍巖異常區的類別進行劃分。

四、預報成果與實際開挖情況對比

(一)預報成果解譯

TSP203系列的主要成果包括:三波速度剖面圖、三波速度偏移剖面圖、三波反射層提取剖面圖、物理力學參數與二維、三維推斷分析圖［6］。解釋原則如下所述:① 泊松比高說明有流體存在，縱波波速低說明有裂隙存在;②S波反射能量強，P波反射能量弱，說明有流體存在;③ S波反射能量弱，P波反射能量強，說明有裂隙存在;④反射波為正相位時，說明圍巖由軟弱巖層進入堅硬巖層;⑤ 反射波為負相位時，說明圍巖由堅硬巖層進入軟弱巖層;⑥當泊松比大于0.28或VP/VS突然增大時，前方地質情況為有水或圍巖較破碎;⑦ 當靜態楊氏模量大于30時，石質堅硬，反之，石質較軟;⑧ 當反射界面較多且靜態楊氏模量和泊松比變化頻繁，幅度較大時，圍巖為破碎帶，若為負反射振幅時，圍巖為軟弱破碎帶。圖3為預報結果的二維視圖。

圖3 預報成果2D圖

TSP資料的解釋應該緊密結合施工設計資料及現場的地質記錄，以現有的地質資料指導資料的解釋，再根據TSP203的解譯原則以及對TSP203原理的理解的基礎上對預報進行解釋。其思路如下:首先利用P波速度對圍巖破碎的敏感性，預報構造破碎帶。斷層破碎帶、斷層群或密集節理帶，由于結果面發育，巖土松散、破碎而具有較差的力學性質，P波波速較之兩側圍巖要低得多。其次利用SH波和SV波速度對充水地質體的敏感性，預報充水地質體。當巖石空隙空間充滿水時，含水巖石更容易壓縮，因此，P波可以通過巖石基質和空隙中的流體來傳播，但速度一般要降低，而橫波只通過巖石基質而很難通過空隙間的流體而傳播(橫波速度趨近于零)，故，相對于P波波速降低量來說，SH波和SV波波速降低得更多。第三綜合考慮三波反射層剖面圖以及三波能量參數對劃分結果進行分析驗證。本次預報的結果如下:①PDK979+187～PDK979+220段:圍巖破碎，節理裂隙發育，巖溶中等發育，存在溶蝕裂隙、軟弱夾層，中等富水，存在突泥、突水的可能，特別注意PDK979+198～PDK979+212，防止涌水，坍塌等情況發生;②PDK979+220～PDK979+265段:圍巖較破碎～破碎，節理裂隙發育，存在軟弱夾層、弱富水;③PDK979+265～PDK979+297段:圍巖破碎，節理裂隙較發育，巖溶中等發育，其中PDK979+270～PDK979+280段存在溶洞、軟弱夾層或溶蝕裂隙、富水。由于本段地質條件復雜，提高預報精度，此次預報距離為掌子面前方110m。

(二)實際開挖情況

①PDK979+187～PDK979+200段，圍巖破碎、節理裂隙發育，在開挖過程中掌子面有滲水現象;PDK979+200～PDK979+220段，圍巖極破碎，存在大量溶蝕裂隙，且裂隙水十分發育，隧頂及掌子面有大量出水現象，施工單位提前做好了防排水措施，但未見較大的溶洞出現，與預報結果相符。

②PDK979+220～PDK979+265段，圍巖相對轉好，但存在軟弱夾層，巖體局部破碎，節理裂隙發育，有少量裂隙水，但未見與地質勘探結果中的煤線。由于TSP不能對煤層有較好的判別，因此本段TSP預測結果吻合較好。

③PDK979+265～PDK979+297段，圍巖破碎程度較高，存在大量的軟弱夾層，弱富水，由于提前做好了防排水措施，對施工影響不大;其中在PDK979+278附近，發現一寬度約為0.5m溶蝕裂隙，由于隨著掌子面的開挖裂隙水大量排出，對施工影響較小。與預測結果吻合，但與前期地質勘探的巖性判斷有所出入。這是因為地質勘探由于其精度所致，難免有所出入，而TSP203對于掌子面前方100～150m的圍巖破碎情況、斷層以及是否有水等預報較為精準。

五、結論

(1)此次運用TSP203技術成功的對地質條件比較復雜的地段進行了預報，施工單位根據預報的結果，提前做好了防止措施，減少了施工時的風險，保證了施工人員以及隧道的安全。

(2)由于前提地質勘探工作的精度限制，對于一些比較復雜的地質無法做出比較詳細的判定，而TSP203技術作為中長期預報手段，其預報成果可以直接指導隧道的施工，對隧道的施工方案和施工措施的選擇，能夠提供積極的指導性建議。

(3)TSP技術作為一種物探方法，其預報的準確度與現場數據采集、數據分析以及預報人員的工作經驗息息相關，只有根據不同的地質條件不斷積累經驗，才能使預報更接近事實。同時，由于地下工程的隱蔽性以及物探的間接性與多解性，采用多種物探手段綜合預報是以后客運專線隧道超前地質預報的發展趨勢。

［1］李堅.TSP法在鐵路客專專線隧道超前地質預報工作中的應用前景［J］.鐵道勘察，2005，31(6):45－49.

［2］劉新榮，祝云華，陳金華，等，高壓富水區隧道超前地質預報應用研究［J］.地球物理學進展，2008，23(4):1304 －1309.

［3］宋先海，顧漢明.我國隧道地質超前預報技術評述［J］.地球物理學進展，2006，21(2):598 －604.

［4］Dickmann T，Sander B K.Drivage concurrent tunnel seisimic prediction(TSP) ［J］.Felsbau，1996，14(6):406 －411.

［5］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.

［6］劉志剛，凌宏億，俞文生.隧道隧洞超前地質預報［M］.北京:人民交通出版社，2011.

2012－02－28

鄒偉(1986－)，男，湖南益陽人，碩士。