TSP技术在公路隧道超前地质预报中的应用

刘建平，李少斌

(洛阳市公路规划勘察设计院有限公司)

桥梁工程

TSP技术在公路隧道超前地质预报中的应用

刘建平，李少斌

(洛阳市公路规划勘察设计院有限公司)

介绍了TSP24系统的应用原理及现场的施工布置，并结合实例分析，结果证明TSP24系统可以对施工隧道围岩前方的地质属性进行比较准确的探测和预报，能确保隧道施工的安全，有效地防止地质灾害的发生。

TSP;地质预报;公路隧道;隧道围岩

1 TSP技术及其工作原理

1.1 TSP超前地质预报系统

TSP超前地质预报系统由隧道内数据信息采集和室内计算机分析两部分组成。

隧道内数据信息采集主要由传感器、数据记录仪和引爆设备构成。其中TSP系统传感器主要是为了接收地震波反射回来的信号，数据记录仪是将传感器接收到的反射信号进行放大、模数转换、测量过程控制以及信号数据处理，引爆设备主要是引爆电雷管和炸药。

室内计算机分析就是将洞内采集的数据传输到计算机上，由专业技术人员应用数据处理软件对地震波返回信号进行分析处理，依次经过数据库部分(功能是负责与数据采集有关参数地输入、编辑和管理)、震动数据处理部分(功能是提炼出含有直达波的原始数据，然后对其进行进一步的放大、滤波等有关处理，以便下一步分析处理时使用)、确定反射界面部分(作用是经过前两个过程的分析，确定出反射界面在隧道掌子面前方的相对位置、与轴线的交角以及绘制出岩石的力学参数曲线)三个程序块。

1.2 工作原理

TSP超前地质预报系统的工作原理是利用地震波的反射特性来预报隧道掌子面前方及周围的地质状况，该反射特性是由地震波在不均匀地质体中产生的。该系统的工作流程是:(1)在掌子面后方左侧边墙上按照设计位置布置一排爆破孔;(2)进行爆破，由爆破产生的地震波信号在隧道前方周围岩体内进行传播，当岩石状态或者强度发生改变时，一部分的地震波信号就会被返回(地震波界面两侧的岩石状态或者强度相差越大，反射到接收器的信号就会越强); (3)返回来的信号经过传感器转化为电信号，并进一步的放大，系统根据信号的返回时间和返回方向，经过内置的专用数据软件进一步的进行处理，最终可以分析出岩体状态或者强度变化界面所处的位置。

1.3 TSP超前地质预报系统布置

在对隧道进行TSP地质预报是，主要做的工作是传感器钻孔和炮孔的布置、系统设备安装、系统测试前准备以及地质预报操作。

(1)炮孔布置

在布置炮孔位置时，一般要根据施工隧道所处的地质条件以及岩石状况来安排爆破钻孔所在位置。经过大量的工程实践证明，往往布置在隧道的左侧。

爆破炮孔:一次预报要炮孔24个，呈直线布置。第一个炮孔要距离前方掌子面40 m左右，距离TSP传感感应器20 m左右。其他各个爆破孔间隔1.5 m左右;炮孔直径约40 mm，钻孔深度约1.5 m，炮孔朝向为垂直于隧道轴线方向而且朝下10°～15°;炮孔竖向位置布置在隧道底部以上1.0 m左右。

(2)TSP传感器钻孔布置

完成一次TSP预报需要传感器钻孔1个。传感器钻孔位置设计:隧道轴线方向距离第一个炮孔约20 m，距离前方掌子面60 m左右;钻孔直径和孔深分别为50 mm和2.0 m;钻孔的朝向垂直于隧道轴线方向。钻孔竖向位置布置在隧道底部以上1.0 m左右。

TSP系统各钻孔平面布置示意图如图1。

2 工程实例

工程实例来自于重庆市双碑隧道，该隧道隶属于重庆市沙坪坝区，设计长度为4 373 m，全线穿越中梁山脉，工程地质钻探报告显示洞身段围岩主要为Ⅳ级和Ⅴ级围岩，沿线经过西永镇，歌乐山镇和双碑街道。隧道设计左右线采用分离式双洞单向三车道，隧道进口位于沙坪坝区西永镇香蕉园村，地形坡角15°～20°，左右线洞口桩号关系为:K2+303= K2+300.65，洞口地形平缓。隧道出口位于重庆二钢厂耐火分厂十二车间附近，地形坡角20°～25°，左右线洞口桩号关系为K6+676=K6+673.65，且出口紧邻长春沟大桥。

图1 TSP系统各钻孔平面布置示意图

两隧道线路测设计中线间间距为20 m，为小净距隧道，隧道平面线型为直线。隧道纵断面设计采用0.3%/1 630 m及－2.794%/3 500 m的人字坡，隧道主洞(单洞)限界净宽为13 m(检修道0.75 m+路缘带0.5 m+行车道10.5 m+路缘带0.5 m+检修道0.75 m)，限界净高5 m。

3 左线预报成果

3.1 主要技术参数

(1)设备类型:TSP24;(2)左线掌子面桩号:Kz3+265; (3)左线传感器桩号:Kz3+205;(4)炮孔和传感器布置:左线在隧洞左壁布置24个炮孔及1个传感器。

3.2 探测预报区域

本次地质预报的探测方法采用TSP法，进行了长距离超前探测，与此同时，还进行了开挖工作面的地质调查和地质综合判定工作，完成的主要工作量如表1。

表1 TSP预报里程一览表

3.3 成果解释

经过室内计算机分析，生成的效果图，见图2、图3、图4。

图2 速度分布图

图3 SV波深度偏移剖面

图4 传感器2D成果图

经过对上图的分析，解译成果如下。

(1)K3+265～K3+307(42 m):岩体完整性差，节理发育，层理发育。建议围岩级别为Ⅴ级。

(2)K3+307～K3+342(35 m):岩体完整性较差，节理发育，层间结合较差。建议围岩级别为Ⅴ级。

(3)K3+342～K3+365(23 m):岩体完整性较差。岩体强度较差。建议围岩级别为Ⅴ级。

4 右线预报成果

4.1 主要技术参数

(1)设备类型:TSP24;(2)右线掌子面桩号:K3+265; (3)右线传感器桩号:K3+205;(4)炮孔和传感器布置:右线在隧洞左壁布置24个炮孔及1个传感器。

4.2 探测预报区域

本次地质预报的探测方法采用TSP法，进行了长距离超前探测，与此同时，还进行了开挖工作面的地质调查和地质综合判定工作，完成的主要工作量如表2。

表2 TSP预报里程一览表

4.3 成果解释

经过室内计算机分析，生成的效果图，见图5、图6、图7。

经过对上图的分析，解译成果见表2。

(1)K3+265～K3+307(42 m):岩体完整性差，节理裂隙发育，层间结合力差。建议围岩级别为Ⅴ级。

图5 纵波、横波绕射偏移

图6 反射界面俯视图

图7 比速度及反射符号分布

(2)K3+307～K3+342(35 m):岩体完整性较差，节理发育，层间结合较差，个别处有软弱夹层。建议围岩级别为Ⅴ级。

(3)K3+342～K3+365(23 m):岩体完整性较差，岩体强度、稳定性差、地下水以裂隙水为主。建议围岩级别为Ⅴ级。

5 结语

(1)使用范围广。不仅可以应用于完整的岩石围岩，而且还可以用于软岩以及软弱地质，还可以探测出前方的破碎带和溶洞等。

(2)预报距离长。相较于超前钻探的短距离预测，TSP技术能准确地预报到隧道掌子面前方100～350 m范围内的地质状况。如果隧道的地质状况好且围岩完整，那么TSP能预报出的距离就越长。

(3)施工干扰小。TSP预报可以在隧道施工过程中或者施工班组交接班时进行，整个预报过程下来大约只需要一个小时。TSP系统的接收器和炮孔不在掌子面上是它的又一个优点，因此它对隧道掌子面的开挖没有干扰。

(4)效率高。TSP系统由试验人员在现场采集数据完成后，在室内可以用很短的时间完成对数据的分析。因此，可以快速的向委托人提交正式的预报成果报告。

TSP24系统虽然在系统和使用上得到了比较完善的改进，但是，TSP24系统也存在一些缺点。

(1)炮点激发的误差分析、侧线排序和信号接受的关系等相关问题还需要进一步的解决。

(2)地震波波速与围岩的关系还需要进一步的探索。

(3)在TSP探测实际的实施过程中，现场环境复杂多变，无法完全按照理论的设计位置来进行布置和操作。

［1］ 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，(12).

［2］ 孙克国，李术才，张庆松.TSP203超前地质预报系统在龙潭隧道中的应用［J］.岩土力学，2006，27.

［3］ 徐超，李哲.TSP技术在隧道探测中的应用［J］.低温建筑技术，2012，(11).

［4］ 孙克国，李术才，张庆松，薛翊国，李树忱，许振浩.TSP在岩溶区山岭隧道预报中的应用研究［J］.山东大学学报(工学版)，2008，(2).

［5］ 周文峰.地震反射波法(TSP)在隧道地质超前预报中的应用研究［D］.成都:成都理工大学，2009.

TSP Technology's Application In Highway Tunnel Advance Geological Forecast

LIU Jian－ping，LI Shao－bin
(Luoyang City Highway Planning Survey and Design Institute Co.，Ltd.)

The paper describes the application of the principle TSP24 system and on－site construction layout，combined with case analysis，the results prove that TSP24 system can be more accurate detection and prediction of the geological properties of the surrounding rock in front of the tunnel construction，to ensure the safety of the tunnel construction，effectively prevent the occurrence of geological disasters.

TSP;Geologic forecast;Highway tunnel;Tunnel rock

U442

C

1008－3383(2015)10－0071－02

2015－01－13

刘建平(1987－)，男，河南洛阳人，研究生，研究方向:道路、桥梁与隧道工程设计。