TSP地震波法隧道超前探測工程應用與對比分析

（中交一公局土木工程建筑研究院有限公司，北京 101102）

當前，如何做到定量準確的超前探測，仍是隧道施工過程中需要優化和改進的技術性難題。以往大量隧道施工實踐表明，由于現場地質的復雜性、地勘的精度及經費等各種其他條件的限制，經常出現基于地勘資料做出的設計與實際掘進過程中揭露的地質條件不一致，因而在隧道掘進中，常常會發生突水、突泥、塌方等現象，這對隧道施工安全影響極大。因此，如何進行超前探測，得到準確的掌子面前方地質條件尤為重要。目前，國內一些學者對TSP超前探測的準確性做了一些研究，丁國華等以雪峰山公路隧道超前探測結果與開挖的對比分析為例，展示了TSP超前探測的應用前景；舒森等在云南某鐵路隧道巖溶預報的應用實例中，發現TSP系統能夠在隧道探測中起到較好的作用；謝平等以某隧道TSP探測為例，介紹了對隧道數據的處理。

本文依托在建華麗高速公路中的營盤山隧道的TSP探測工程實例，通過TSP超前地質預報系統對復雜地質條件下隧道不良地質體的判定和解釋，并與實際開挖揭露的地質情況進行了對比分析，提出了提高TSP超前探測準確性的一些有效方法和措施，研究成果可為今后的TSP超前探測工作提供重要的指導作用。

一、依托工程概況

（一）營盤山隧道工程概況

營盤山特長隧道隸屬于國家高速公路網G4216的蓉麗高速公路中的華坪至麗江段高速公路。該隧道位于云南省西北部，全長11.3km，是華麗高速公路項目的“咽喉”工程。

（二）工程地質及水文地質

營盤山隧道地質條件極其復雜多變，突泥、涌水、巖爆及瓦斯情況嚴重。營盤山隧道以大斷裂為主，縱貫全區，發育多條斷層，規模較大的褶皺構造區主要有華坪至六德短軸褶皺區、廣羊村至平川街褶皺區。由于地表條件差，缺少詳細的物探、地質資料。因此在隧道的開挖過程中，TSP超前探測極其重要，肩負著施工關鍵性的指導工作。

隧道區域內地表水主要的來源為沖溝中的溪流，屬季節性溪流，水量變化大，具有暴漲暴落的特點。地下水主要來源于第四紀松散覆蓋層中包含的孔隙水、基巖中的裂隙水及巖溶水。

二、TSP法超前探測原理及數據分析

（一）TSP法探測原理

TSP（Tunnel Seismic Prediction ahead）方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波由在設計的震源點用小當量炸藥激發產生（一般在構造走向與隧道軸向小角度相交的邊墻上布置24個炮點）。如圖1所示，當地震波傳播過程中，遇到巖性變化、斷層、破碎帶等波阻抗差異界面，一部分地震信號反射而回，另一部分信號透射進入前方介質。反射而回的地震波信號由三分量傳感器接收。通過TSPwin軟件處理及分析數據判定，從而掌握掌子面前方地質體的性質（含水巖層、軟弱巖帶、斷層、破碎帶等）、位置和規模。

圖1 TSP法隧道地質超前預報原理

（二）TSP法現場數據采集

進行現場數據采集之前，從掌子面附近的邊墻上開始布置檢測用孔；其中接收器孔2個，深2m；炮孔24個，深1.5m，如圖2所示。數據開始采集前，測量各孔實際相對位置及深度、傾角并做好記錄，裝填炸藥，安裝接收器，連接好儀器。準備完畢后進行爆破，采集震動信號。

圖2 數據采集布置

（三）TSP探測數據分析解譯

數據采集完成后，使用TSPwin軟件處理，得到以下結果：1.反射振幅越強，表明反射系數和波阻抗的差別越大；2.正反射振幅通常表現為正反射系數，代表剛性巖層；負反射振幅指向軟弱巖層。在同一地質構造中，對巖體中的P波和S波反射振幅進行比較有特殊作用；3.S波反射明顯強于P波，則表明巖層中飽含地下水。比較任何反射振幅時必須小心，因為反射振幅容易受到隨機噪音的干擾及數據處理的影響；4.當Vp/Vs變大或泊松比δ突然增加，通常是因為有流體的存在；5.Vp降低，則表明節理、裂隙的發育程度或孔隙度增加；6.探測結果的最終判定必須結合數據處理、各項視圖及隧道地質調查得到的成果確定。

三、TSP超前探測工程案例對比分析

（一）進口右線涌水案例

1.預報段落設計地勘資料

設計圖紙上K19+223～K19+338里程范圍內圍巖以中風化砂巖及片麻巖和石英閃長巖為主；砂巖及片麻巖為侵入關系。該段圍巖的巖質較硬，節理、裂隙發育，圍巖較破碎。

2.TSP超前探測分析結果

對營盤山隧道進口右線K19+223～K19+338地段進行了TSP檢測。通過對采集數據進行處理，得到二維預報成果圖，如圖4所示；縱橫波深度偏移圖，如圖5所示。

圖3 采集原始數據圖

圖4 TSP203二維預報成果圖

圖5 縱橫波深度偏移圖

3.隧道開挖驗證對比分析

結合分析成果，并對掘進過程中揭露的圍巖地質情況進行跟蹤觀察和工程驗證對比分析：

（1）K19+223～K19+236段內探測結果：巖體內縱、橫波波速變化較小，密度及靜態楊氏模量無明顯變化，推斷該段圍巖情況與掌子面類似，無明顯變化，以弱～中風化中厚～厚層狀砂巖為主，節理、裂隙較發育，巖體結構較破碎；巖層層間結合較差，局部存在基巖裂隙水。

實際開挖揭示：開挖過程中所揭露地質情況與掌子面對比，無明顯變化，由此得到該段的探測結果實際情況完全一致，達到了探測目的。

（2）K19+236～K19+298段內探測結果：巖體內縱、橫波波速下降，該段圍巖Vp/Vs由1.3至2.0，顯示出圍巖充滿裂隙水；橫波深度偏移以強烈的負反射開始，以強烈的負反射結束。結合地質調查資料推斷此段為圍巖富水區，巖體結構較破碎，節理、裂隙發育，裂隙水發育，建議采取防排水預案，做好加深炮孔及超前水平鉆探測工作。

實際開挖揭示：如圖5所示，當掌子面掘進到K19+240時，掌子面開始出現滲水現象，呈線狀流出，隨后掘進過程中水量增大，掘進至K19+245時，掌子面呈淋雨狀；到K19+252時掌子面出現涌水，股狀流出，日流量達3000m3。隨后開挖過程中，裂隙水沿掌子面整體流出，水量較大，平均日流量維持3000m3。經追蹤對比該段實際由K19+240開始水量逐步增加，與探測結果存在4m里程偏差；與探測結果基本吻合，TSP超前探測效果良好。

圖5 K19+245掌子面情況

（3）K19+298～K19+338段探測結果：巖體縱、橫波波速下降。縱波深度偏移以負反射為主，橫波深度偏移以強烈的負反射開始，以強烈的正反射結束，反射帶內正負反射層多而雜亂，以負反射為主。結合地質調查資料推斷該段為不整合接觸帶，節理、裂隙發育，巖體結構破碎，存在軟弱夾層，裂隙水發育，做好超前水平鉆探測工作，并加強支護做好防排水工作。

圖7 K19+305掌子面情況

實際開挖揭示：如圖7所示，掌子面掘進到K19+305時，掌子面巖性發生變化，夾有片麻巖及砂巖，掌子面超前鉆孔中出水量達4000m3，后續面狀出水，維持4000m3左右，掌子面掘進至K19+335時，巖性基本以石英閃長巖為主，與探測結果基本吻合。

四.結論

TSP203系統是一種基于地震波反射獲取物性差異界面的探測方法，其預報成果的準確性與前期數據的采集、數據的處理方法及解釋人員對物探及地質知識的掌握程度均密切相關。通過對TSP工程案例探測結果與開挖揭示結果的對比分析，能提高探測結果準確性，并得出如下結論。

1.TSP地震波反射法能準確探測和預報隧道前方不良地質情況，指導隧道安全施工并規避施工風險。

2.采用TSP法隧道超前地質預報方法，對超前探測分析結果與現場開挖情況需進行跟蹤和工程驗證對比分析，才能提高超前探測準確性。

3.確保現場取得高質量的原始采集數據是提高探測準確性的基礎。現場采集數據過程須牢固安裝接收器套管，嚴格設置參數、控制地震波爆破的質量、減少震蕩產生的干擾信號。

4.數據解譯是核心。物探具有多解性，對于Vp、Vs、Vp/Vs及泊松比四項參數要有深入的了解，提高解譯的準確性。預報前要了解隧道的地勘資料，沿隧道軸線在地表進行踏勘，掌握隧道基本地質情況；預報后要在隧道掘進過程中跟蹤地質調查，對比預報結論與實際開挖結果，積累經驗，為后期更準確地作出預報結論夯實基礎。