TSP203检测仪在隧道水害预报中的应用

李红泽

（中铁十九局集团有限公司计量测试中心，辽宁 辽阳 111000）

TSP203检测仪在隧道水害预报中的应用

李红泽

（中铁十九局集团有限公司计量测试中心，辽宁 辽阳 111000）

根据TSP探测数据结果解译原则，结合工程检测实例，辨析TSP203对隧道水害预报结果的判断依据，探讨该仪器探测围岩中流体分布时的优缺点。

横波；纵波；泊松比

近年来随着隧道建设快速发展，保证隧道安全、优质、快速施工成为隧道工程界的主攻方向。然而由于隧道工程地质状况的复杂多变性和难以预见性，在隧道工程勘察设计阶段查明隧道周围地质体的准确状态显得比较困难。隧道工程修建过程中，许多不良地质状况下地质灾害的发生常常和隧道水害有着直接或间接的关系。TSP203 PLUS隧道地震波检测仪是在我国使用比较早而且应用比较广泛的一种超前地质预报探测仪器。该仪器在隧道水害方面的探测效果一直以来存在争议，本文以预报实例探讨该仪器在隧道水害探测时的判断依据，并分析其实用性和优缺点。

1 TSP203探测数据结果解译原则

在TSP203用户手册中指出处理成果的解释与评估，主要基于以下的地震勘探基本准则：

（1）反射振幅越强，反射系数和波阻抗的差别越大。

（2）正反射振幅（红色）表明正的反射系数，表明坚硬岩层；负反射振幅（蓝色）表明软弱岩层。

（3）若横波反射比纵波强，则表明岩层饱含水。

（4）纵横波速度比有较大的增加或者泊松比突然增大，常常因流体的存在而引起。

（5）若纵波速度下降，则表明裂隙密度或孔隙度增加。

本文主要辨析解译原则中第（4）、第（5）条内容。

2 纵横波速度比、泊松比及相关关系

根据材料力学知识，泊松比和岩体中的纵、横波波速关系可以表达为：

其中：δ为泊松比，PV为岩体中地震波纵波速度，SV为岩体地震波横波速度。

在已知岩体中传播的地震波纵波(P波）和横波（S波）速度若视为已知，其纵横波速度比值用M来表示，即:

根据岩体力学知识，我们知道岩石不同状态下M取值范围如下：

（1）固结的岩石M＜2.0, δ＜0.33；

（2）当岩石的孔隙充满水时，M从1.4～2.0；

（3）当岩石的孔隙充满气时，M从1.3～1.7；

（4）水饱和的未固结地层M＞2.0。

横波S是剪切波，不能在液体中传播。均匀岩体中，在不考虑围岩应力影响时流体的存在对纵波速度变化影响不大，而对横波速度变化影响明显。

3 实际检测结果分析原则方法与判别研究

3.1 检测实例及一般原则

横波S是剪切波，不能在液体中传播。均匀岩体中，在不考虑围岩应力影响时流体的存在对纵波速度变化影响不大，而对横波速度变化影响明显。

2012年4月11日在西康二线铁路王家岭2#斜井DK169+189隧道掌子面涌水时，对比3月7日与4月12日连续2次隧道超前预报对相同里程段围岩波形分析（图1），其中共同点：纵波P速度变化不大或无变化，横波S速度下降较多（即M值上升），δ值上升，其原因通常为存在流体或岩层含水，这是TSP判断围岩水害的最重要原则。在多年的实际检测中，按照这个原则准确预报围岩是否含水的成功范例较多，不再赘述。

图1 DK169+193～187波形参数对比

3.2 对二维反射层提取图上相似数据形状去伪存真

M作为纵横波速比值，如横波下降幅度大于纵波，M值也会上升，导致δ上升。经过多次检测结果和实际围岩对比验证，这种情况几乎全部为围岩裂隙增多、孔隙比增加或存在风化的缘故所导致。

在实际检测结果中，如纵波速度上升较多，横波速度变化不大或稍有上升导致的泊松比数据的上升，这种情况常常是因为围岩密度和地应力增加引起的。

以上两种情况都不能简单的按照泊松比上升就说明存在水或流体。

3.3 预报结论要与对应地形地质图相结合

超前预报人员应具备一定的专业素质，实际中常常出现非地质专业人员的操作者，对地质专业知识不甚了解，导致对软件的处理结果做出违反地质规律的错误判译。在进行隧道地质超前预报结论编写阶段，地形图和地质图是仍然是重要的参考资料。在检测埋深仅几百米的隧道时，线路山体表面地形特征和地质构造形态往往可以提供非常重要的信息。例如上覆沟槽、溪流、悬崖、植被、节理走向、断层产状，甚至既有线的围岩描述都能给予提示，因此应正确解读这些自然的标记和符号。

2010年7月9日在西康二线铁路王家岭隧道1#斜井施工至DK166+449处时左侧边墙及掌子面出现裂隙涌水（图2），水质清澈，无异味，出水量5312m3/d。在施工前对该段里程进行预报时，发现纵波P速度几乎无变化，而横波S速度有所降低，即M值上升，泊松比δ突然增大，判断出该段含水。同时参考地形地质图，在该里程段埋深约300米，山体地形存在沟槽，沟中常年有溪流，节理面几乎竖直，推测地表径流可能影响隧道内出水量，综合判断如下：DK166+447～466段围岩主体为灰岩，岩质较坚硬，节理较发育，存在风化水蚀渍迹，节理水发育，水量较大，整体性较差，为一区域富水带，449处存在裂隙水。

可见按照上述原则，参考地形地质资料判断得到的结果与实际情况相符。

图2 王家岭隧道DK166+449处裂隙涌水

3.4 对预报存在偏差问题的再研究

虽然在这项原则基础上取得了很多成功的实例，但在一些特定地质条件下，仍存在预报偏差。

2011年3月2日西康二线新马家坪隧道出口施工至DK194+814时掌子面出现溶洞（图3），溶洞走向与线路方向接近正交，宽度为0.5-0.8m，条带状发育裂隙溶蚀，溶腔表面为碳酸钙堆积物，凹凸不平，在隧道左侧边墙底脚甚至发现方解石晶簇，围岩主体为灰岩，浅灰～灰黄色，以薄中层为主，节理裂隙发育，较破碎，存在渗水。

图3 新马家坪隧道DK194+814溶蚀裂隙

根据2月20日现场实测波形分析（图4），可看到在DK194+814-810段，P波速度基本无变化，而S波速度明显下降，δ上升。按照上述原则得TSP超前预报结论为：该段围岩强度较之前变化不大，岩质仍较坚硬，节理较发育，潮湿。814～810段存在渗水。

图4 DK194+814处波形参数

根据报告结论和实际围岩揭示情况对比可以看出：

（1）该段围岩存在渗水的预测准确，本文所述原则结论在此处是适用的；

（2）但未能准确预测到裂隙溶蚀，这在超前预报工作中属较严重的偏差。

在出现这种情况后，经过重新分析数据，查阅资料后总结，结果存在偏差的原因可归纳为以下2点：

（1）溶蚀为裂隙溶蚀，沿隧道走向长度短，仅0.5～0.8m，该裂隙在反射层提取图中仅显示为1条反射层细线，实际里程上1m在图中仅约1mm，即仪器的显示精度客观上对判断结论有影响。

（2）S波不能在液体中传播，在空气中传播时速度也会明显下降，而在裂隙很窄的情况下，P波表现不灵敏。导致这种裂隙空洞在波形上与岩层含水情况波形类似。

因此，在超前地质预报过程中，应以更加谨慎的态度注意前方探测段岩性及可能存在的特殊地质情况。当然，更多的特殊地质情况还需进一步归纳和总结。

3.5 分析仪器探测数据能力的缺点

TSP超前预报系统可以粗略估计围岩中的P波速度、S波速度、纵横波速比、泊松比、拉梅系数、动杨氏模量等各项参数，针对P波和S波速度比和泊松比，需要经过我们的去伪存真，对围岩中是否含水的情况有较为准确的反应。然而仪器探测时，前方围岩中的水被岩体封闭静止，仪器分析岩层含水仅限于静态水，无法测得水体体积、压力及水头高度等参数，无法预估隧道开挖至含水体附近时出水量的大小，可能造成出水量描述上的不准确。

但如果我们能够根据地质学知识和地质、地形图，在其他相关资料的辅助下，进行综合判定，也可以有效提高预报结果的可靠性和准确性。

5 结束语

TSP超前地质预报系统在目前应用最广泛的隧道超前预报手段之一，依靠该系统的强大功能，检测人员在规避隧道安全施工风险方面做出了很大的贡献。但在该系统对隧道水害的探测效果方面，见仁见智，存在争议，但只要我们秉持求真务实的工作态度，明辨慎思的职业精神，相信在经过广大检测人员不断的总结和交流后，一定会取得长足的进步。

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[4]赵永贵. 隧道围岩含水性预报技术[J]. 地球与环境, 2005, 33(3):29-35.

The Application of TSP203 Advanced Geological Prediction of Tunnel Water Interpretation Principle in Forecasting

LI Hong-ze

(China Railway 19th Bureau Group Co., LTD., Liaoyang 111000)

according to the principle of translation solutions TSP detection data, combined with the engineering test, summarizes the results based on TSP203 tunnel flood forecasting, discuss the advantages and disadvantages of instrument for detecting water distribution in the surrounding rock.

Transverse wave;Longitudinal wave;Poisson ratio

U452.1+7

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.05.001

1672–7304(2016)05–0001–03

（责任编辑：廖建勇）

李红泽（1984-），男，河南内乡人，工程师，研究方向：桥梁与隧道工程，试验与检测。