TSP與TST工程應用對比研究

鄭苗苗 姚海波 劉玉潔 聶忠權

摘 要：目的：為比較Tunnel Seismic Prediction（TSP）與Tunnel Seismic Tomography（TST）在工程應用中的技術特點，研究二者在隧道超前地質預報的適用性。方法：本文選擇崗烏、丫口寨和坡桑三條地質條件較為復雜的隧道作為研究對象，通過TST與TSP的探測結果進行超前地質預報對比研究。結果：結果表明，TSP操作簡單，進度快，結果較為準確，但存在漏判。TST探測結果與實際開挖結果接近，進度快，但造價高，工作量較大。結論：因此，建議采用多種手段相結合的方式進行隧道超前預報。

關鍵詞：TSP;TST;工程應用;超前地質預報

文獻標識碼：A

隨著我國社會經濟迅速發展，公路、鐵路交通網的不斷發展，礦山資源開采的不斷加快。由于西部山區深部地質條件相對復雜，在隧道施工、探采深部資源的同時，也面臨著嚴峻的安全問題。為了防止安全事故的發生，及時、有效地掌握施工期間掌子面前方的地質情況，以減少或杜絕施工過程中的地質災害，實現生產安全，采用合理的施工超前地質預報，可有效地減少安全事故的發生，提高隧道工程的綜合效益[1]-[3]。目前，TSP技術在世界范圍內應用較為廣泛，但未進行波場分離和方向濾波，未濾除側向波和面波，不可避免地在縱橫波中包含側向波干擾，預報圖像中包含虛假成分，造成誤報，存在較嚴重的技術缺陷。TST系統2007年投入市場，也已成功地解決了一系列超前預報的技術問題，成就了國際領先水平[4]-[7]。因此，在工程施工中如何選擇高效可靠的地質超前預報技術，使其在復雜地層條件、不良地質體等方面發揮重要作用，確保山區深部開拓工程的施工工期，減少安全事故的發生，對比研究TSP與TST對隧道超前預報的適用性，具有一定的實用價值。

1 TSP與TST技術概況

1.1 TSP技術特點

TSP作為一種比較先進的探測手段，已它具有預報距離相對較長、精度較高、提交資料及時、經濟等優點，尤其與隧洞軸線或呈大角度相交的面狀軟弱帶，如斷層、破碎帶、軟弱夾層、地下洞穴（溶洞）以及地層的分界面等效果較好。

數據采集時，在隧洞一邊側墻等間隔鉆制20余個炮孔，兩側壁鉆取2個檢波器孔，使檢波器置入套管中，依次激發，從掌子面前方任一波阻抗差異界面反射的信號及直達波信號將被2個三分量檢波器接收，該過程所需時間約1小時。TSP三分量檢波器埋入隧道側壁1.5～1.9m，炮點設置在側壁巖體內1.5m，等間距排列，與接收點在一條平行隧道走向的直線上，這與國內的采用“負視速度法”的觀測方式基本相同。TSP系統炮孔布置于面向掌子面方向右側，炮孔和接收器孔的布置位置見圖1。

TSP采用深度偏移成像方法。在偏移成像之前進行二維Radon變換，利用視速度的差異，消除與隧道走向近乎平行的反射界面，利用TSPwin軟件對縱、橫波（P、SV、SH）分別進行處理，可得P波和S波波場分布規律。

TSP技術在隧道反射地震方面是做得比較好，有較好的實用性。但是由于受觀測方式的限制，不可能對與隧道特小角度相交或平行的斷層產狀、位置進行準確的判斷，仍存在很多技術缺陷，如：對不規則形態的地質缺陷或與隧洞軸線平行的不良地質體，如幾何形狀為圓柱體或圓錐體的溶洞、暗河及含水情況探測有一定的局限性，不能進行三維波場分離，消除側向干擾波，TSP不能準確地確定圍巖波速等[8]-[11]。

1.2 TST技術優勢

TSTTST技術采用F-K變換進行波場分離和方向濾波，其系統硬件主要由地震信號采集器、地震信號記錄器、檢波器及連接線纜、震源等幾部分組成，詳見圖2。測試時可在隧洞內掌子面、兩側、上頂和下底面，也可在隧洞外山頂布置8個炮孔和8個檢波器孔，洞內觀測時檢波器埋入巖體1.5～2m，以避免聲波和面波干擾。可采用爆炸或可控震源激發地震波。

TST軟件包括地震數據預處理、方向濾波、偏移成像、速度掃描四大模塊。在深入地研究地下三維波場特征的基礎上，從觀測方案、三維波場分離、圍巖波速分析、散射波場原理、偏移成像等方面進行了理論研究與軟件技術開發，成功地解決了超前預報的技術問題，成就了國際領先水平[8][12]-[14]。

2 TSP與TST工程對比研究

TSP與TST超前地質預報系統，均采用地球物理方法中的地震波法原理進行地質探測，能夠預報斷層帶、巖性接觸帶、軟弱夾層、采空區、涌水、溶洞等不良地質現象，有效預報距離100～200m。為了研究二者在隧道超前地質預報的適宜性，本文選擇崗烏、丫口寨和坡桑三條地質條件較為復雜的隧道作為研究對象，進行隧道超前地質預報對比研究。

2.1 崗烏隧道進口超前地質預報對比

首先采用TSP對進口D1K868+565～D1K868+665段進行預報;然后使用TST對進口D1K868+575～D1K868+725段進行對比，預報結果見圖3，效果對照見表1。

表1中超前地質對比預報結果表明：TSP操作簡單，進度快，結果較為準確，但是存在漏判;TST探測結果與實際開挖結果接近，進度快。

2.2 丫口寨隧道出口超前地質預報對比

先采用TSP對出口D1K849+812～D1K849+712段進行預報，再用TST對出口D1K868+805～D1K868+655段進行對比，預報結果表明TSP仍存在漏判，見圖4和表2。

2.3 坡桑隧道進口超前地質預報對比

同樣先用TSP對進口D1K835+380～D1K835+480段進行預報，再用TST對進口D1K835+385～D1K868+535段進行對比，預報結果見圖5和表3，預報結果亦表明TST探測結果與實際開挖結果接近，TSP結果較為準確，但是存在漏判。

3 結論與建議

TSP操作簡單，進度快，結果較為準確，但是存在漏判。TST探測結果與實際開挖結果接近，進度快，但造價高、工作量較大。因此，建議采用多種手段進行隧道超前預報。

參考文獻：

[1]李勇.超前地質預報在隧道施工中的應用[J].交通世界，2020（Z1）：124-125.

[2]潘多.綜合超前地質預報在隧道工程中的應用[J].現代城市軌道交通，2020（03）：72-75.

[3]高熙賀.隧道超前地質預報技術應用現狀及其發展趨勢[J].科技風，2019（04）：101+107.

[4]馮義.綜合超前地質預報在巖溶隧道中的應用[J].筑路機械與施工機械化，2017，34（12）：121-126.

[5]唐曾智，田新成，李二兵，王濤.綜合超前地質預報在巖溶隧道施工中的應用[J].西華大學學報（自然科學版），2017，36（05）：91-96.

[6]許江波，晏長根，張曉毅，伍法權，謝永利.隧道施工地震超前地質預報方法[J].土木建筑與環境工程，2016，38（S1）：166-172.

[7]葉松，田帥團.隧道超前地質預報的應用現狀與展望[J].公路交通科技（應用技術版），2016，12（07）：218-220.

[8]隧洞施工超前預報方法——物探法[DB/OL].https：//bbs.zhulong.com/102040_group_739/detail32726648/.

[9]向勇.基于TSP和GPR的隧道超前地質預報對比分析[J].市政技術，2019，37（03）：126-129.

[10]唐亞輝.地質雷達和TSP法在隧道超前地質預報中的應用[J].人民長江，2015，46（S1）：100-102.

[11]周治國，劉保衛，唐孟雄，李愛兵.TSP和GPR綜合方法隧道超前地質預報[J].礦業研究與開發，2008（04）：32-33+59.

[12]李術才，聶利超，劉斌，田明禛，王傳武，宋杰，劉征宇，王世睿.多同性源陣列電阻率法隧道超前探測方法與物理模擬試驗研究[J].地球物理學報，2015，58（04）：1434-1446.

[13]楊庭偉，彭蓉.聚焦電流法隧道超前探測有限元模擬分析[J].西部交通科技，2012（07）：85-90+94.

[14]楊宙.巖溶地區隧道施工安全控制技術研究[D].長安大學，2010.

作者簡介：鄭苗苗（1984—），女，漢族，陜西西安人，博士，工程師，主要從事地質災害、礦山地質環境保護方面的研究工作。