超前地質預報TSP法在西成客專褔仁山隧道施工中的應用

林 亮， 段 景 朝

(中國水利水電第五工程有限公司 第二分局，四川 成都 610225)

1 概 述

西成客專褔仁山隧道全長13 101.55 m。根據勘察設計文件，該隧道存在斷層、涌水、巖爆等一系列不良地質情況，隧道施工存在重大安全隱患，屬西成客專5標段指定的高風險隧道之一。為此，特采用TSP、GPR等一系列超前地質預報方法對未開挖的圍巖進行探測，在充分了解圍巖性質的基礎上，安排合理的施工方法及應對措施。

筆者依托西成客專褔仁山隧道1#斜井的施工，詳細論述了超前地質預報TSP法的工作原理、施作方法、數據分析以及圍巖開挖后的情況對比，有效地揭示了隧道圍巖的不良地質情況，為隧道的安全施工提供了技術保障。

2 超前地質預報的項目與流程

褔仁山隧道1#斜井超前地質預報的項目與內容見表1。

表1 褔仁山隧道1#斜井超前地質預報的項目與內容表

根據超前地質預報各項目的原理及特點，褔仁山1#斜井采用了多種預報方法相結合的形式對隧道圍巖進行探測，其工作流程見圖1。

3 超前地質預報TSP的工作原理及特點

褔仁山隧道1#斜井所采用的探測儀器為瑞士安伯格公司生產的TSP203Plus隧道地質超前預報系統，用于預報隧道掌子面前方0～100 m范圍內的地層狀況、軟弱層的位置；超前探測斷層破碎帶的位置、寬度；超前探測巖溶洞穴的位置、大小、充填情況；預報富水帶的具體位置等。

TSP探測是根據地震波的反射和繞射原理，人工制造一系列有規則排列的輕微震源。 由三分量地震檢波器在計算機的監控下采集這些震源所發出的地震波沿隧道前方及四周區域傳播遭遇不良地質體(如地層層面、節理面、巖溶面，特別是斷層破碎帶界面等)而被反射返回的地震波數據。這些回波信號的傳播速度、延遲時間、波形是與相應的不良地質體的性質和分布狀況緊密相關的，通過分析，可以得到前方地層的地質力學參數。

圖1 褔仁山隧道1#斜井超前地質預報工作流程圖

TSP203作為一種專門為隧道超前預報設計的檢測系統而被普遍采用，但在應用中，要充分考慮其邊界條件，即：被探測物有足以使地震波反射的界面，而且這個界面的法線與隧道軸線的夾角越小效果越好；探測巖溶時，巖溶應有一定的延伸，形成界面，否則探測效果不好；另外，探測效果還與溶槽洞穴的發育狀態有關；探測的分辨率與探測深度成反比，與探測目的物的體積成正比，物探將其稱之為洞徑比，即探測深度與被探測物的直徑之比，一般洞徑比大于20時分辨率嚴重降低。

4 超前地質預報TSP的工作方法

在實際施工中，超前地質預報TSP的工作流程為：鉆孔——裝少量炸藥——引爆制造地震波——接收器采集數據——數據分析處理——得出預報結果。超前地質預報TSP的鉆孔分為接收器孔與爆破孔，爆破孔中裝少量炸藥并逐孔引爆，所產生的地震波依次返回至接收器(孔)，其鉆孔裝藥等技術參數如表2所示。

表2 褔仁山隧道1#斜井超前地質預報TSP鉆孔裝藥技術參數表

接收器孔、爆破孔與隧道的斷面位置關系如圖2、3所示。

圖2 褔仁山隧道1#斜井超前地質預報TSP接收器孔布置斷面圖

圖3 褔仁山隧道1#斜井超前地質預報TSP爆破孔布置斷面圖

接收器孔、爆破孔與隧道的平面位置關系如圖4所示。

圖4 褔仁山隧道1#斜井超前地質預報TSP布孔平面圖

5 超前地質預報TSP的數據分析

對于現場采集的地震波數據，需要運用TSP203Plus配套的計算機軟件對這些數據進行分析處理。以褔仁山隧道1#斜井里程斜01+35～斜02+35為例， P波深度偏移剖面及提取的反射層如圖5、6所示。

通過對計算機軟件進行分析處理得出以下結論：

圖5 P波深度偏移剖面圖

圖6 提取的反射層圖

表3 褔仁山隧道1#斜井里程斜01+35～斜02+35 TSP分析結果表

6 超前地質預報TSP的結果對比

在對褔仁山隧道1#斜井里程斜01+35～斜02+35開挖后，我們對開挖后的圍巖情況與超前地質預報TSP給出的推論進行了比較，結果發現預報的結果與實際情況符合率達到90%以上，可以滿足施工需要。

表4 褔仁山隧道1#斜井里程斜01+35～斜02+35段預報與實際結果對比表

7 結 語

在西成客專褔仁山隧道1#斜井的施工中，運用TSP法成功地對隧道圍巖情況實施了預報，發現多處不良地質情況并及時采取了處理措施，為隧道的正常施工提供了技術保障。

但是，在TSP法實施過程中，噪聲(如通風機、空壓機)、機械振動(如挖掘機、自卸車)等環境因素都會對地震波造成影響，從而使數據分析產生誤差。對此，一方面要結合勘察設計文件，采用多種超前地質預報項目相結合的方法比照進行(如GPR法、紅外探測、超前鉆探)；另一方面，要盡最大努力減小震動干擾，才能使超前地質預報TSP法的結果得到保證。