TSP超前地质预报在隧道工程中的应用研究

TSP超前地质预报在隧道工程中的应用研究

李晓亮李红伟韦冠宁

济南力稳岩土工程有限公司山东省济南市250061

摘要：结合工程实例，介绍了隧道超前地质预报中地震勘探的工作原理与应用方法，探测结果揭示了隧道围岩不良地质的分布情况，并给出了相应的结论与施工建议。同时，隧道开挖揭露围岩验证了该方法在数据获取、处理等方面的优势，保证了隧道的安全快速施工。

关键词：TSP；超前地质预报；隧道

0、引言

近年来我国基础设施建设尤其是中西部地区公路和铁路建设高速发展。其中，隧道工程由于其在道路建设中的重要性，进一步引起人们的重视[1]。为了满足隧道工程中安全性与施工进度，就要对隧道内的地质信息进行超前地质预报。

隧道地震波法（tunnelseismicprediction，简称TSP）是隧道超前地质预报的重要方法[2]。该方法通过高精度的接收仪器获取爆破所产生的地震波信号并通过计算机软件初步探查前方围岩性质、节理裂隙分布、及含水状况等[3]。

1、TSP预报方法和原理

本次预报采用瑞士安伯格公司生产的最新型号的TSP203plus隧道地质超前预报系统。TSP测量系统是通过在掌子面后方一定距离内的钻孔中以微震爆破来发射信号的，爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，经隧道前方的界面反射回来，反射信号经接受传感器转换成电信号并放大[4]。从起爆到发射信号被接收的这段时间是与反射面的距离成比例的。通过反射时间与地震波传播速度的换算就可以将反射面的位置、与隧道轴线的夹角以及与隧道掘进面的距离确定下来，同时还可以将隧道中存在的岩性变化带的位置方便的探测出来[5]。振动波由在特定位置人为制造的小型爆破产生，一般是沿隧道一侧洞壁布置24个爆破点，爆破点平行于隧道底面呈直线排列，孔距1.5m，孔深1.5m，炮孔垂直于边墙向下倾斜10～15度，以利于灌水堵孔[6]。距最后的爆破点15～20m处设接收器点（在一侧或双侧），接收器安装孔的孔深2m，向上倾斜15度，内置接收传感器。图1为观测系统与隧道关系平面示意图，图2为TSP隧道超前地质预报布孔要求示意图。

图1观测系统与隧道关系平面示意图

图2TSP隧道超前地质预报布孔要求

在测量过程中，逐次引爆爆破点的炸药（约50-150g，根据围岩不同适时调整），制造出小型地震波，地震波遇到节理面、地层层面、破碎带界面和溶洞、暗河等不良地质界面时，将产生反射波，反射波的强度及传送时间反映了相关界面的性质、产状、距离接收点的距离。利用TSPwin软件对采集的TSP数据进行处理，获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面和反射层提取以及岩石物性参数等一系列成果。在成果解释中，以P波资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释。解释中，遵循以下准则：

①正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。

②若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。

③Vp/Vs增加或δ突然增大，常常由于流体的存在而引起。

④若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。

2、工程概况

二台坪隧道是拟建银川至北海高速公路建始（陇里）至恩施（罗针田）段上的一座分离式隧道。长831m，为中长隧道。隧道最大埋深约160m。根据勘察资料，隧道地表土层为坡积成因的粉质粘土（Q4dl）、冲积成因（Q4al）粉质粘土，岩层为三叠系下统嘉陵江组（T1j1）微晶灰岩，大冶组（T1d）灰岩、页岩。根据地表调查测量，隧址周边岩体节理裂隙较发育。址属于缺水地区，周边无地表仅隧道出口下方河流有长年流水，流量随季节性变化大，山坡汇水面积小，降雨时地表径流消散很快。结合水文地质边界条件分析，本隧道无地下水，降雨渗入隧道内的水极少，毋需考虑隧道涌水量。

隧址覆盖土层较薄，岩体结构及岩体质量较好，自然山坡处于稳定状态，无重力地质作用产生的不良地质现象；岩层为可溶岩，其隧址区地表溶沟、溶槽较发育；洞口开挖会有边、仰坡掉块及浅埋段地表岩溶深入洞内出现冒顶现象，但规模较小。

3、本次TSP探测成果

用TSPwin软件对接收到的地震波信号进行处理，得到掌子面前方岩体波速、界面及岩体物性参数等成果，如图3、4所示。

图3P波提取的反射界面图4围岩异常特征2D显示

在YK94+598～YK94+668段，长度70m，该段围岩与目前掌子面围岩相似，岩体完整性较好，结合掌子面揭露所见，推测该段范围内岩体为微风化灰岩为主，局部夹杂少量泥质。其中YK94+610~YK94+620段、YK94+660~YK94+665段处Vp/Vs、泊松比、密度均变化异常，正负反射明显，以负反射为主，开挖揭露如图5所示，该处围岩软弱交替，孔隙裂隙较发育，与探测结果基本一致。

图5隧道开挖揭露溶蚀裂隙

在YK94+668～YK94+728，长度60m，该段围岩与目前掌子面围岩相似，岩体整体情况较好，局部可能裂隙发育，裂隙中含少量夹泥或溶蚀裂隙水。其中YK94+710~ZK94+714段，Vp/Vs增加，泊松比增大，密度上升，正负反射较明显，该段岩体受溶蚀作用影响，节理裂隙较发育，裂隙中含少量夹泥或溶蚀裂隙水与探测结果基本一致，因此隧道施工过程加强了支护措施，保证了隧道的安全快速施工。

4、结论与建议

综合TSP探测结果及地质资料分析，预报段总体情况如掌子面揭露所见，岩体以微风化或中风化灰岩为主，岩体完整性较好，局部存在异常，其中YK94+610~YK94+620、YK94+660~YK94+665、YK94+710~ZK94+714范围内，岩体软弱交替，孔隙裂隙较发育，施工时着重加强了支护措施，有效的防止了隧道塌方等工程事故的发生，保证了隧道施工安全。

参考文献：

[1]任辉.关于隧道信息化施工中综合超前地质预报技术的研究[J].低碳世界，2013（20）：217-219.

[2]席锦州，周捷.TRT6000超前地质预报系统在新铜锣山隧道中的运用[J].现代隧道技术，2012（5）：137-141，150.

[3]许振浩，李术才，张庆松，等.TSP超前地质预报地震波反射特性研究［J］.地下空间与工程学报，2008，4（4）：640-644.

[4]汪成兵，丁文其，由广明.隧道超前地质预报技术及应用[J].水文地质工程地质，2007，01：120-122

[5]刘卫红，谌跃飞.隧道塌方原因与处理技术——以通平高速公路姜源岭隧道为例[J].公路工程，2012（1）：180-182.

[6]陈国亮.岩溶地面塌陷的成因与防治.北京：中国铁道出版社，1994