超前地质预报TSP法在西成客专褔仁山隧道施工中的应用

林 亮， 段 景 朝

(中国水利水电第五工程有限公司 第二分局，四川 成都 610225)

1 概 述

西成客专褔仁山隧道全长13 101.55 m。根据勘察设计文件，该隧道存在断层、涌水、岩爆等一系列不良地质情况，隧道施工存在重大安全隐患，属西成客专5标段指定的高风险隧道之一。为此，特采用TSP、GPR等一系列超前地质预报方法对未开挖的围岩进行探测，在充分了解围岩性质的基础上，安排合理的施工方法及应对措施。

笔者依托西成客专褔仁山隧道1#斜井的施工，详细论述了超前地质预报TSP法的工作原理、施作方法、数据分析以及围岩开挖后的情况对比，有效地揭示了隧道围岩的不良地质情况，为隧道的安全施工提供了技术保障。

2 超前地质预报的项目与流程

褔仁山隧道1#斜井超前地质预报的项目与内容见表1。

表1 褔仁山隧道1#斜井超前地质预报的项目与内容表

根据超前地质预报各项目的原理及特点，褔仁山1#斜井采用了多种预报方法相结合的形式对隧道围岩进行探测，其工作流程见图1。

3 超前地质预报TSP的工作原理及特点

褔仁山隧道1#斜井所采用的探测仪器为瑞士安伯格公司生产的TSP203Plus隧道地质超前预报系统，用于预报隧道掌子面前方0～100 m范围内的地层状况、软弱层的位置；超前探测断层破碎带的位置、宽度；超前探测岩溶洞穴的位置、大小、充填情况；预报富水带的具体位置等。

TSP探测是根据地震波的反射和绕射原理，人工制造一系列有规则排列的轻微震源。 由三分量地震检波器在计算机的监控下采集这些震源所发出的地震波沿隧道前方及四周区域传播遭遇不良地质体(如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等)而被反射返回的地震波数据。这些回波信号的传播速度、延迟时间、波形是与相应的不良地质体的性质和分布状况紧密相关的，通过分析，可以得到前方地层的地质力学参数。

图1 褔仁山隧道1#斜井超前地质预报工作流程图

TSP203作为一种专门为隧道超前预报设计的检测系统而被普遍采用，但在应用中，要充分考虑其边界条件，即：被探测物有足以使地震波反射的界面，而且这个界面的法线与隧道轴线的夹角越小效果越好；探测岩溶时，岩溶应有一定的延伸，形成界面，否则探测效果不好；另外，探测效果还与溶槽洞穴的发育状态有关；探测的分辨率与探测深度成反比，与探测目的物的体积成正比，物探将其称之为洞径比，即探测深度与被探测物的直径之比，一般洞径比大于20时分辨率严重降低。

4 超前地质预报TSP的工作方法

在实际施工中，超前地质预报TSP的工作流程为：钻孔——装少量炸药——引爆制造地震波——接收器采集数据——数据分析处理——得出预报结果。超前地质预报TSP的钻孔分为接收器孔与爆破孔，爆破孔中装少量炸药并逐孔引爆，所产生的地震波依次返回至接收器(孔)，其钻孔装药等技术参数如表2所示。

表2 褔仁山隧道1#斜井超前地质预报TSP钻孔装药技术参数表

接收器孔、爆破孔与隧道的断面位置关系如图2、3所示。

图2 褔仁山隧道1#斜井超前地质预报TSP接收器孔布置断面图

图3 褔仁山隧道1#斜井超前地质预报TSP爆破孔布置断面图

接收器孔、爆破孔与隧道的平面位置关系如图4所示。

图4 褔仁山隧道1#斜井超前地质预报TSP布孔平面图

5 超前地质预报TSP的数据分析

对于现场采集的地震波数据，需要运用TSP203Plus配套的计算机软件对这些数据进行分析处理。以褔仁山隧道1#斜井里程斜01+35～斜02+35为例， P波深度偏移剖面及提取的反射层如图5、6所示。

通过对计算机软件进行分析处理得出以下结论：

图5 P波深度偏移剖面图

图6 提取的反射层图

表3 褔仁山隧道1#斜井里程斜01+35～斜02+35 TSP分析结果表

6 超前地质预报TSP的结果对比

在对褔仁山隧道1#斜井里程斜01+35～斜02+35开挖后，我们对开挖后的围岩情况与超前地质预报TSP给出的推论进行了比较，结果发现预报的结果与实际情况符合率达到90%以上，可以满足施工需要。

表4 褔仁山隧道1#斜井里程斜01+35～斜02+35段预报与实际结果对比表

7 结 语

在西成客专褔仁山隧道1#斜井的施工中，运用TSP法成功地对隧道围岩情况实施了预报，发现多处不良地质情况并及时采取了处理措施，为隧道的正常施工提供了技术保障。

但是，在TSP法实施过程中，噪声(如通风机、空压机)、机械振动(如挖掘机、自卸车)等环境因素都会对地震波造成影响，从而使数据分析产生误差。对此，一方面要结合勘察设计文件，采用多种超前地质预报项目相结合的方法比照进行(如GPR法、红外探测、超前钻探)；另一方面，要尽最大努力减小震动干扰，才能使超前地质预报TSP法的结果得到保证。