TSP203在某公路隧道地质超前预报中的综合应用*

汪旭涛 任宽林 胡 坚

(1)中国地震局地震研究所，武汉 430071 2)武汉地震工程研究院，武汉 430071 3)湖北非金属地质公司，武汉430030)

TSP203在某公路隧道地质超前预报中的综合应用*

汪旭涛1，2)任宽林3)胡 坚1，2)

(1)中国地震局地震研究所，武汉 430071 2)武汉地震工程研究院，武汉 430071 3)湖北非金属地质公司，武汉430030)

以沪蓉西高速公路某隧道为例，分析了隧道的工程地质条件与隧洞稳定性的关系，并介绍了TSP203现场测试、解译的过程和方法。

地质超前预报;TSP203;地质素描;隧道;稳定性

1 前言

目前，隧道超前预报中地质素描、地质雷达、TSP法、红外探测、超前水平钻孔等方法被广泛应用于隧道工程施工中，并取得了一定的工程经济效益［1，2］。但其各具优缺点，特别是地质条件复杂的深埋长大隧道中，应结合具体地质情况，综合选用预报方法，相互印证，综合解释，以提高地质预报的准确性，减少工程事故的发生。

2 常用隧道地质超前预报方法

1)地质素描

地质素描是将隧道所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水的出露点位置、出水状态、出水量、煤层、溶洞等准确记录并绘制成图表，再结合已有的勘查资料，进行隧道开挖面前方地质条件的预测预报。该方法简单方便、效率高、成本低，但对操作人员地质水平要求较高，其预报范围有限，特别是地层岩性变化极为复杂的隧道预报准确率低。

2)地质雷达

地质雷达是以宽频短脉冲的高频电磁波的反射来探测目标体，其分辨率可达数厘米。该方法设备轻便，操作简单灵活，探测精度高，特别是对于掌子面前方的含水带、破碎带有较高的识别能力。但其探测距离短(5～30 m)，受钢构件的影响较大。

3)TSP法

TSP法是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报。该法适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况，预报距离长(100～350 m)，预报准确性高，对隧道施工干扰小，但对点状异常体(如溶洞等)的探测不理想。

4)红外探测

红外探水仪根据围岩红外辐射场强度的变化值确定掌子面前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体。该法设备轻盈、操作简便、效率高。但其在含水构造的问题上只能够指导10～30 m的施工。

5)超前水平钻孔

超前水平钻孔是用钻探设备向掌子面前方进行水平钻探，从而直接揭示隧道掌子面前方地层岩性、构造、地下水等信息。该法具有直观性、客观性，但其费用较高，占用隧道施工时间长，且存在“一孔之见”的弊端。

3 某公路隧道地质超前预报中的综合应用

3.1 工程概况

某深埋特长隧道为沪蓉西高速公路宜昌段控制性工程，位于长阳背斜次级背斜核部偏北翼，为构造溶蚀～侵蚀地区。

该隧道地质情况较为复杂，结合隧道岩体为非可溶性岩，本次地质超前预报采用在地质素描基础上运用TSP203宏观预测的综合预报方法。

3.2 地质素描

本次预测为隧道出口右线YK45+773～YK45 +616段，埋深约410 m，岩性为水井沱组(∈1 s)炭质页岩夹少量粉砂质页岩，灰色、灰黑色，薄层状，层理明显，属次坚石，岩层产状为5°～25°∠40°～50°，节理主要发育2组：节理 J1产状为140°～161°∠55°～65°，属闭合～微张型;节理J2产状为242°～258°∠72°～85°，属闭合-微张型，局部少量张开。根据实测掌子面岩体结构面产状、迹长、胶结等地质情况可以得到如下断面示意图(图1和图2)。

图1 隧洞YK45+773处横断面示意图Fig.1 Cross section at the site YK45+773 of the tunnel

图2 隧洞YK45+773处纵断面示意图Fig.2 Longtubined section at the site YK45+773 of the tunnel

利用极射赤平投影等密度图可再现隧道岩体结构面与洞轴线的切割关系(图3)，从图3可看出节理J1走向与洞轴向的夹角为44°～65°，不利于隧洞侧墙稳定性;节理J2走向与洞轴向的夹角为37°～53°，有利于洞顶稳定性，不利于洞侧稳定性;岩层层面走向与洞轴向的夹角为0°～20°，对洞顶稳定性影响一般，最不利于隧洞侧墙稳定性。因此，节理裂隙切割岩体对洞身稳定性的影响相对较大。

图3 隧道洞轴与极射赤平投影等密度图配套分析图Fig.3 Analysis of tunel axis kitted with stereographic projection isodense

3.3 TSP203超前地质预报

TSP203超前地质预报系统是专门为隧道和地下工程超前预报研发的，能方便快捷预报掌子面前100～200 m范围内的地质情况。

1)TSP203工作原理

TSP203采用反射地震波测量原理。地震波在指定的震源点用小药量激发产生，地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号折射进入前方介质［2］。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收，反射信号的旅行时间和反射界面的距离成正比，故能提供一种直接的测量(图4)。

图4 TSP203系统的原理与野外布设Fig.4 Principle and field setting of TSP203 system

2)现场测试

预报采用瑞士安伯格测量技术有限公司TSP203设备，实测时观测系统布置一个接收孔(孔深2.0 m)和24个炮孔(孔深1.5 m，间距1.5 m)，每个炮孔炸药量为50～100 g，采用毫秒级瞬时电雷管逐个引爆(图5)。

图5 TSP203观测系统布置平面示意图Fig.5 Plan of the monitoring system of TSP203

3)资料解译

对隧道内不同岩性分界面的确定，主要是依据反射系数R。R值越大，说明分界面的波阻抗差别越大，此时反射波的振幅就越强。其中正反射，出现于下伏岩层波阻抗大于上层介质时，也就表明下伏岩层为刚性岩层，此时地震波为软弱岩层向致密岩层传播;反之，负反射表明下伏岩层为软弱岩层，此时地震波为致密岩层向软弱岩层传播。

式中，ρ1、ρ2分别为介质1、2的质量密度，v1、v2分别为波在介质1、2中的传播速度，R12波在两种介质分界面处的反射系数。当Z1＞Z2时，R12＞0，反射波相位与接收首波相位相同;反之，反射波相位与接收首波相位相反。

图6为软件处理的深度偏移图，由Radon变换所得，图中X代表隧道轴线方向上距检波器的距离，R代表在侧线水平面上偏离隧道轴线的距离。图中深色部分代表相对强反射界面，浅色部分代表相对弱反射界面［4］。

图6 隧道深度偏移剖面图Fig.6 Deep offset profile of the tunnel

图7为反射界面提取图，为深度偏移图通过以下3个步骤得到：1)通过品质因子Q补偿地震波在传播过程中能量的扩散损失及大地的吸收作用［4］; 2)评估软件在对波形轨迹扫描过程中忽略没有反射或反射微弱部分［5］;3)以隧道轴线为标准，提取及计算相对强软反射界面的位置。

图7 隧道提取的反射层Fig.7 Reflecting layer graph extracted from the tunnel

图8为岩性参数图及二维成果图的组合，岩性参数图依次分别表示纵波波速、横波波速比、泊松比及岩石密度;二维成果图由俯视图和侧视图组成。

图8 隧道2D结果显示Fig.8 2D result showing of tunnel

4 预报结果和建议

根据TSP探测结果，从偏移剖面图上可以看出YK45+714、YK45+646处有明显的负反射，推测YK45+714处为岩性分界面，岩体质量由此变差，YK45+646处为破碎带。结合地质素描所获得的岩体工程地质信息，得出如下结果和建议：

1)隧道洞身YK45+773～YK45+714段岩体节理裂隙较发育，稳定性一般;YK45+714～YK45 +678段岩体完整性降低，稳定性降低;YK45+678～YK45+646段岩体节理裂隙较发育，稳定性一般; YK45+646～YK45+630段疑是为含水破碎带; YK45+630～YK45+616段岩体节理裂隙较发育，稳定性一般。

2)合理布设激发与接收装置，压制“管波”、提高信噪比，是确保数据采集质量的关键。①布设激发孔与接收孔应平行于隧道轴线在洞壁上成直线排列，若不能确定前方地质体产状时，应在左右壁对称布设接收器并保证与围岩良好耦合，同时采集数据;②震源炸药要与激发钻孔保持良好耦合，孔内应注满水以减少能量消耗，重要的是保证爆炸时产生横波。

3)本次在地质素描基础上运用TSP203综合预测成果和开挖后遇到的实际情况吻合较好，但也存在一定差异，建议采用此方法进行地质超前预报时，可考虑采取水平钻探做补充［6］，以提高地质超前预报的准确性和可靠程度。

4)建议隧洞掘进过程中采用注浆锚杆或小导管超前加固围岩，在围岩稳定性相对低或破碎带的区段加大支护力度、快速施工，避免拱顶坍塌破坏，尤其加强隧洞侧墙的支护。

5 结论

1)TSP203具有预报距离长、工作效率高、经济便捷等优点，尤其对于隧道轴线大角度相交的面状软弱带、断层破碎带及地层分界面预报效果较好，具有良好的应用前景。但此法不能直接提供岩土体的工程地质信息，与地质素描法综合预报能提高预报准确度。

2)隧道地质超前预报涉及到构造地质学、水文与工程地质学、地球物理学、环境地质学等学科，属于应用性较强的交叉科学。结合隧道具体工程地质条件选取合适的预报方法显得尤为重要。

3)以地质法为基础，以物探法为手段的综合预报方法进行定性、定量或半定量的分析，无疑是克服和弥补物探资料解释的多解性和提高预报水平的重要手段。

1 陈炳祥.长大隧道施工地质超前预报技术应用研究［J］.铁道工程学报，2004，(2)：57-62.

2 何继善，柳建新.隧道超前探测方法技术与应用研究［J］.工程地球物理学报，2004，1(2)：293-298.

3 张进铎.地震解释技术现状及发展趋势［J］.地球物理学进展，2006，21(2)：578-587.

4 宋先海，顾汉明，肖柏勋.我国隧道地质超前预报技术评价［J］.地球物理学进展，2006，21(2)：605-613.

5 李华，朱自强，李键.TSP203系统在岩体分级中的应用研究［J］.工程地球物理学报，2005，2(6)：449-453.

6 戴前伟，何刚，冯德山.TSP-203在隧道超前预报中的应用［J］.地球物理学进展，2005，，20(2)：460-464.

APPLICATION OF TSP203 IN GEOLOGICAL ADVANCED FORECAST IN A CERTAIN TUNNEL OF A HIGH WAY

Wang Xutao1，2)，Ren Kuanlin3)and Hu Jian1，2)

(1)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)Wuhan Institute of Earthquake Engneering，Wuhan 430071 3)The Nonmetal Geological Corporation of Hubei Province，Wuhan 430030)

Taking a tunnel of Hurong west high way as an example，a method using TSP203 to make a advanced forecast is introduced，and the relation between the geologcal condition and the stability of the tunnel is analysed.The field test，the procedure and method of the interpratation is also introduced.

geological advanced forecast;TSP203;geologiocal sketch;tunnel;stability

1671-5942(2011)Supp.-0102-04

2011-02-11

汪旭涛，男，1982年生，硕士，主要从事地震工程及岩土工程的开发研究.E-mail：Ferdie_wxt@163.com

P624

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