TSP超前地质预报及其在地铁施工中的应用

杨昆鹏张志强高雪涛刘海龙周浩

1. 中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135；2. 大连海事大学，大连 116026

TSP超前地质预报及其在地铁施工中的应用

杨昆鹏1张志强2高雪涛1刘海龙1周浩1

1. 中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135；2. 大连海事大学，大连 116026

简要介绍了TSP超前地质预报系统的发展历程以及该技术在我国的应用现状和技术原理。结合大连市某地铁施工工程实际具体阐述了TSP的具体应用步骤，优缺点，以及在施工过程中应注意的事项。通过对TSP和地质雷达的具体勘测特点和实际得到的结果做出对比，得到了二者结合运用可以增加勘测准确性的结论。对以后TSP在实际工程中的应用以及与其他勘测设备的综合应用具有重要的指导意义。

超前地质预报；TSP；地铁施工；工作原理；技术应用

tunnel geological prediction; TSP; subway construction; principle; technology

引言

超前地质预报出现在上个世纪的中后期，是工程地质学的一个分支，我国在这个方面的研究始于20世纪70年代以后，几十年来地质超前预报在我国也有了很大的发展。然而随着近些年来铁路、公路、城市轨道交通等的迅速发展，隧道的长度和埋深的不断增大，隧道施工中出现的问题也越来越多。如果对这些问题处理不当，将有可能造成严重的工程问题和巨大的经济损失。为了避免因地质问题而引起工程事故，超前地质预报在工程施工中就显得越来越重要。现在在我国应用的主要的地质超前预报系统有负视角速度法、HSP、TSP、TGP、TST等[1]，其中TSP作为一种进入中国较晚的勘测技术，代表了中国地质预报领域的先进水平。文本通过将TSP技术应用在地铁工程中，验证了TSP超前预报系统的效果。并提出了一些增强TSP勘测效果准确性综合性勘测方法。

1 TSP的简介及其工作原理

1.1 TSP简介

二十世纪六十年代，美国国家安全局网罗了众多资深地球物理学家应用地震波勘测技术来研究地层应力释放现象及地层结构扫描成像。在此过程中形成了隧道反射层析扫描成像超前预报技术(Tunnel Reflection Tomography)，简称TSP技术。TSP系统是一种新颖、快速、有效、无损的反射地震预报技术，以其简单的操作，准确、全面、直观的勘测结果，在国内迅速发展起来。

1.2 TSP系统的工作原理

TSP隧道地质超前预报系统是利用地震波的反射原理进行地质预报的。预报时，通过锤击或激震器产生的地震波，地震波在隧道中的岩体内传播，当遇到一个地震界面时，如断层、破碎带、溶洞、大的节理面等，一部分地震波就被反射回来，反射波经过一个短暂时间到达传感器后被接收并被记录主机记录下来，然后经专门的3D软件进行分析处理，对地震波进行叠加，就得到清晰的异常体的层析扫描三维图像。再通过对异常体的里程、形状、大小、走向进行分析，并结合区域地质资料、跟踪观测地质资料就可以确定隧道前方及周围区域地质构造的位置和特性。入射到边界的反射系数计算公式如下：

式中R为反射系数，p为岩层的密度，V等于地震波在岩层中的传播速度。地震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。因此，当地震波从软性地质体传播到硬质地质体时，回波的偏转极性和波源是一致的。当岩体内部有破裂带时，回波的极性会反转。反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，反射波就越明显，越容易被探测到[2]。

2 应用实例

2.1 预报地段

对大连市某地铁车站小导洞进行超前预报检测，以对掌子面前方的地质情况进行分析评估。预报内容为地层岩性、地质构造、不良地质构造及地下水含量。预报长度110m。

2.2 地质状况

根据勘察资料，场地地层从上至下依次为：

(1)第四系全新统人工堆积层（Q4ml），主要由黏性土、灰岩碎石、石英岩碎石、板岩碎块及少量的生活建筑垃圾等组成的素填土；

(2) 第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）主要由稍湿的粉质黏土，卵石组成；

(3) 震旦系长岭子组板岩（Zwhc），长岭子组上部为板岩夹黄色薄层泥灰岩，局部夹薄层粘土质粉晶灰岩；

(4) 燕山期辉绿岩(βμ)。

2.3 数据采集与处理

本次测试安装8个传感器，左、右边墙各4个；锤击震源点共计12个，靠近掌子面的两边墙上各6个。勘测范围：竖向为隧道中心线上下各20m，横向为隧道中心线左右各20m ，纵向为110m。图1为数据采集软件工作界面。图2是软件操作界面示意。

图1 数据采集界面Fig.1 Data Acquisition Interface

图2 软件操作界面Fig.2 Software interface

2.4 分析结果

地震波波速图，地震波层析扫描成像三维图，图中最上部分的条状线颜色值从低到高，代表反射系数，地震波从高密度岩层向软层传播，反射系数为负，反之为正。

图3 地震波波速图Fig.3 Seismic wave velocity

图4 层析反射成像图Fig.2 Reflection tomography Image

2.5 预报结论与建议

通过对地震波波速，地震波反射扫描成像三维图及掌子面资料分析，可以得出如下结论：

(1) DK7+255.88～DK7+312.88段：该段岩层岩体较破碎，节理裂隙很发育，围岩变化很小。

(2) DK7+312.88～DK7+365.88段：该段岩层岩体极破碎，节理裂隙很发育，可能会产生细小断层，含有少量的地下水，施工时容易产生掉块，加强初期支护和排水工作。

(3) 由于车站为两端对向开挖，进行TSP探测时，另一端DK7+312.88～DK7+365.88里程段已经进行了导洞施工，完成了初期支护。相当于人为提高了该段的反射系数，测试结果显示该段破碎程度明显增大，但不是岩层的破碎，而是反射波作用到初支上的结果。

2.6 TSP的优缺点

(1) 优点：

① 采用三维数据处理技术，能够清晰直观的反映地质体的异常情况，能有效地对反射异常区域进行识别解释。

② 在数据采集上实现无线传输，更为有效快捷。

③ 不使用炸药作为震源，减少了对隧道围岩产生的挤压破坏。

(2) 缺点：TSP系统要在三维空间内布置传感器，因此必须使用升降设备将传感器安装在隧道的拱顶、拱腰等位置，而且必须测量出TSP的三维大地坐标(精确到10cm以内)，这给预报作业又增加了一定的难度。另外，TSP采用锤击震源激发地震波，要求传感器灵敏度高以便更好地接受地震波信号，但是传感器接收到的外界干扰噪声的能量与采集信号的灵敏度高低是成正比的， 如何消除干扰是有待解决的问题[3]。

2.7 在本工程中还将TSP与地质雷达(GPR)结合使用

GPR一般用作距离为30米以内的短距离预测，地质雷达是目前分辨率最高的工程地球物理方法，对于断层带特别是含水带与破碎带有较高的识别能力，而且操作方便，占用施工时间少，处理数据速度快[4]。对于地铁工程，由于埋深较浅，采用地质雷达可以直接探测到地下部分的地质状况。

本工程中GPR的预测结论为：

(1) 由于施工段位于市区，探测区内地下管线较多，表现为雷达图像地表部分较多异常；探测范围内深部暂未发现异常体。

(2) 探测剖面中显示胜利广场站地下导洞C1-C2段的6～50m基层有轻微破坏，建议在友好街站-胜利广场站整个施工段爆破施工中，加强支护和监测。

地铁工程一般位于城市的繁华地段，大部分城市都有错综复杂的地下管网，甚至是地下商场等隐蔽性建（构）筑物。施工过程具有隐蔽性、复杂性和不确定性等突出的特点，又因其复杂的地质和外部情况，给施工带来了诸多不便，如果地质状况不良，施工措施不当，将有可能引起重大的安全事故。因此将短距离预测与长距离预测相结合，可以得到更为准确的结果，能够更有效地反映地下的真实状况。

3 结论

TSP可以准确预测隧道前方围岩地质体的性质、位置和规模。可以减少隧道施工过程中的盲目性，避免隧道施工过程中可能的重大不良地质或灾害地质的发生。在实际施工中，根据现场预报结果，及时调整或修正围岩分级、设计参数及施工方法，正确指导施工，使施工安全、经济合理、高效地进行。但是随着隧道工程复杂性的增加，仅仅使用一种勘测手段进行地质超前预报已经不能满足超前预报的要求，要学会综合各种勘测手段的优缺点，综合利用多种勘测技术，选用高素质、经验丰富的勘测人员进行预报，才能更准确地做好地质超前预报，更好地为地下工程的施工服务。

表1 TSP与GPR比较Table 1 TSP compared with the GPR

[1]赵永贵.国内外隧道超前预报技术评析与推介[J].地球物理学进展.2007,22(4):1 344-1 352

[2]王明华，王国斌，利奕年.TSP在岩溶隧道地质超前预报中的应用研究[J].水资源与水工程学报.2010年05期

[3]陈刚毅.TSP地质超前预报技术及其在三峡翻坝高速公路中的应用[J].资源环境与工程. 2009年03期

[4]杜明玉,吕乔森.地质雷达在岩溶隧道短期超前地质预报中的应用[J].中国西部科技. 2010年04期

[5]刘斌,张庆松,薛翊国,等.综合超前预报手段在探查充填溶洞中的应用研究[C].中国地球物理.2007: 285 -286

[6]何发亮,李苍松.隧道施工期地质超前预报技术的发展[J].现代隧道技术. 2001, 38 (3): 12 -14

[7]薛翊国,李术才,张庆松,等. TSP203超前预报系统探测岩溶隧道的应用研究[J].地下空间与工程学报.2007, 3(7): 1187-1191

[8]李术才,李树忱,张庆松,等.岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究[J].岩石力学与工程学报.2007,26(2): 217 -225

[9]闫小兵,周永胜,申飞. TSP203在溶洞探测中的应用[J].工程地球物理学报. 2007, 4 (6): 589-595

[10]肖书安,吴世林.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术[J].工程地球物理学报. 2004, 1(2): 159-164

[11]张勇，等.TSP超前地质预报在公路隧道中的应用［J］.东北公路.2006，24（2）：77-79

[12]高辉,王建辉.TSP地质超前预报在隧道建设中应用价值的探讨[J].山西交通科技.2006, 180(3):71-73

TSP Geological Prediction and Application in the Subway Construction

YANG Kun-peng1， ZHANG Zhi-qiang2， Liu Hai-long1，Gao Xue-tao1，Zhou Hao11. dalian branch，china construction eighth engineering division corp.ltd，Dalian，116021; 2.Dalian Maritime University， Dalian

This paper simply introduces TSP tunnel geological prediction system development course，and the present situation of the application of this technology and the technical principle in our country. Expounded TSP’s application steps and relative merits Combined with engineering practice and which should notices In the construction engineering. Based on the TSP and geological radar specific survey’s character and actual results obtained make contrast，got the conclusion that a combination using can increase the accuracy of Survey. For TSP’s application in engineering as well as with other survey equipment comprehensive application in the future has important guiding significance.

TD15; U231.3

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.15.024

杨昆鹏（1980.7-），男，2002年毕业于东北大学土木工程专业，本科，工程师，注册一级建造师，中建八局大连分公司大连地铁项目总工程师，主要研究领域：地铁及隧道工程。