T S P超前探測在巨跨地下隧洞中的應用探析

李兆龍

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司隧道設計分公司，天津 300133）

1 引言

近年來，我國經濟社會高速發展，大規模的交通、水利、儲庫等地下隧洞大量出現，使隧洞的建設也越來越趨于深埋、超長、巨跨、地質條件復雜等特點，尤其是隨著經濟發展需求的增加，隧洞開挖斷面面積不斷增大，跨度在30 m以上的巨跨隧洞屢見不鮮，其設計與施工難度較常規隧洞有較大增加[1]。因此，在施工期更好地進行超前地質預報是對巨跨隧洞施工安全的強有力保障。現有超前地質探測中，TSP（隧道地震預測系統）探測是其中使用最為廣泛的一種方法[2]，但對于巨跨地下隧洞而言，其橫向范圍的地質情況同樣存在較大差異，而常規TSP探測方法在橫向上的探測范圍有限，解譯效果欠佳。因此，亟須對現有TSP探測方法進行優化調整，從而解決其在巨跨隧洞超前探測的局限性問題。

2 T S P原理

TSP于2002年前后被引入我國，其基本原理是利用人工激發的地震波向前傳播，在地震波遇到地質結構面（如地層界面、斷層、節理、溶洞等）時發生反射，通過預先安裝的檢波器將反射波的傳播速度、強度、時間、波形等數據記錄下來，再經過相應的軟件進行數據處理，最后形成波形圖等，用來解譯前方的地質情況，即數據采集—數據處理—成果解譯3部分[3]。

3 存在的問題

從TSP探測的基本原理可以看出，影響其探測成果最重要的因素是所采集的數據質量。對于常規地下隧洞，其跨度大都在15 m以下。在檢波器、震源激發孔設置合理，TSP儀器參數調整適當的情況下，往往能準確獲取隧洞開挖前方各種地震參數，并形成探測報告，判斷前方50～200 m范圍的地質情況[4，5]。

對于跨度大于40 m的巨跨地下隧洞，常規的施工方法往往采用減跨、分部的開挖方式（見圖1），將巨跨隧洞分為左、中、右3個導洞進行開挖，一般按順序先開挖兩側的導洞（1、2號），后開挖中間導洞（3號）。

圖1 巨跨地下隧洞開挖分步示意圖

由于跨度巨大，按常規思路，對于巨跨隧洞的TSP探測一般有兩種方法。其一，對每一個導洞分別進行TSP探測，這樣做耗時費力，且往往存在幾次探測結果互相疊加，影響最終的解譯；其二，根據現場實際，選擇其中1個先行開挖的導洞進行TSP探測，形成地質預報成果，供其他2個導洞參考，這種方法由于在其橫向上缺乏足夠的地震波反射，因此，橫向范圍內的探測精度較差，無法準確查明其他2個導洞前方開挖范圍內的地質情況，其成果的參考意義較小。

4 解決方案

對于巨跨地下隧洞的TSP探測，必須進行一定的優化調整，確保在成本增加不大的前提下，提高其探測范圍和探測精度。

前文提到，巨跨隧洞開挖一般采用分導洞開挖的方式進行減跨，常規做法是先開挖兩側導洞，后開挖中間導洞。因此，在進行巨跨隧洞TSP探測時，選擇一側導洞（如1號導洞）按常規方法合理布置TSP激發孔及檢波器孔（檢波器1和4），同時，在另一側（如2號導洞）內選擇適當的位置增設2個檢波器（檢波器3和4），即現場采用4個檢波器同時進行地震波數據采集（見圖2）。對不同檢波器所采集的數據兩兩組合進行處理、解譯，便能得到3個導洞的不同探測成果，其中，檢波器1、2的數據對應1號導洞，檢波器1、3的數據對應3號導洞，檢波器3、4對應2號導洞。這樣，在幾乎不增加額外成本的情況下，即完美解決了常規TSP在巨跨隧洞橫向探測范圍和精度上的缺陷。

圖2 巨跨隧洞T S P探測檢波器與激發孔平面布置示意圖

5 工程案例

根據上述對巨跨地下隧洞TSP探測的優化和調整，在某工程現場進行了對比試驗。該工程跨度40 m以上，場地位于喀斯特侵蝕剝蝕中山區，其埋深85～210 m。地勘報告顯示，工程開挖范圍內主要地層巖性為灰巖，局部夾粉砂巖，場區內地質構造較為簡單，無較大規模斷裂構造，節理裂隙較為發育。

該工程開挖方式與圖1所示基本一致。在其左側導洞（以開挖方向為參考）按優化調整后的布設方式（圖2的方式）進行TSP數據采集，對其數據進行處理以及結果解譯。其探測結果對比見表1。

表1 探測結果對比

上述結果對比后續實際開挖情況顯示，結果與實際地質情況基本一致。由此可見，左右兩側導洞的地質情況明顯有所不同，因此，以左側導洞的探測結果為參考，推斷右側導洞地質情況的常規探測方法是不可取的。另一方面，也印證了優化調整過的TSP探孔布設和數據處理方法在巨跨地下隧洞超前探測上的可行性及其優點。

6 結語

隨著地下工程建設的高速發展，超大跨度地下工程建設還將得到更廣泛的推廣，跨度在40 m以上的巨跨地下隧洞必然會越來越多，這對巨跨地下隧洞在超前地質預報工作中的探測精度及探測效率也提出了更高的要求，本文對常規的TSP探測方法進行優化調整，使其在跨度40 m以上巨跨地下隧洞超前地質預報實施中，具備探測范圍廣、精度高，探測效率高、成本低等優勢，在今后的類似工程建設過程中，根據現場實際合理布置、使用，必將使TSP探測在巨跨地下隧洞建設應用中達到更佳的效果。