TSP地震波法隧道超前探测工程应用与对比分析

（中交一公局土木工程建筑研究院有限公司，北京 101102）

当前，如何做到定量准确的超前探测，仍是隧道施工过程中需要优化和改进的技术性难题。以往大量隧道施工实践表明，由于现场地质的复杂性、地勘的精度及经费等各种其他条件的限制，经常出现基于地勘资料做出的设计与实际掘进过程中揭露的地质条件不一致，因而在隧道掘进中，常常会发生突水、突泥、塌方等现象，这对隧道施工安全影响极大。因此，如何进行超前探测，得到准确的掌子面前方地质条件尤为重要。目前，国内一些学者对TSP超前探测的准确性做了一些研究，丁国华等以雪峰山公路隧道超前探测结果与开挖的对比分析为例，展示了TSP超前探测的应用前景；舒森等在云南某铁路隧道岩溶预报的应用实例中，发现TSP系统能够在隧道探测中起到较好的作用；谢平等以某隧道TSP探测为例，介绍了对隧道数据的处理。

本文依托在建华丽高速公路中的营盘山隧道的TSP探测工程实例，通过TSP超前地质预报系统对复杂地质条件下隧道不良地质体的判定和解释，并与实际开挖揭露的地质情况进行了对比分析，提出了提高TSP超前探测准确性的一些有效方法和措施，研究成果可为今后的TSP超前探测工作提供重要的指导作用。

一、依托工程概况

（一）营盘山隧道工程概况

营盘山特长隧道隶属于国家高速公路网G4216的蓉丽高速公路中的华坪至丽江段高速公路。该隧道位于云南省西北部，全长11.3km，是华丽高速公路项目的“咽喉”工程。

（二）工程地质及水文地质

营盘山隧道地质条件极其复杂多变，突泥、涌水、岩爆及瓦斯情况严重。营盘山隧道以大断裂为主，纵贯全区，发育多条断层，规模较大的褶皱构造区主要有华坪至六德短轴褶皱区、广羊村至平川街褶皱区。由于地表条件差，缺少详细的物探、地质资料。因此在隧道的开挖过程中，TSP超前探测极其重要，肩负着施工关键性的指导工作。

隧道区域内地表水主要的来源为冲沟中的溪流，属季节性溪流，水量变化大，具有暴涨暴落的特点。地下水主要来源于第四纪松散覆盖层中包含的孔隙水、基岩中的裂隙水及岩溶水。

二、TSP法超前探测原理及数据分析

（一）TSP法探测原理

TSP（Tunnel Seismic Prediction ahead）方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波由在设计的震源点用小当量炸药激发产生（一般在构造走向与隧道轴向小角度相交的边墙上布置24个炮点）。如图1所示，当地震波传播过程中，遇到岩性变化、断层、破碎带等波阻抗差异界面，一部分地震信号反射而回，另一部分信号透射进入前方介质。反射而回的地震波信号由三分量传感器接收。通过TSPwin软件处理及分析数据判定，从而掌握掌子面前方地质体的性质（含水岩层、软弱岩带、断层、破碎带等）、位置和规模。

图1 TSP法隧道地质超前预报原理

（二）TSP法现场数据采集

进行现场数据采集之前，从掌子面附近的边墙上开始布置检测用孔；其中接收器孔2个，深2m；炮孔24个，深1.5m，如图2所示。数据开始采集前，测量各孔实际相对位置及深度、倾角并做好记录，装填炸药，安装接收器，连接好仪器。准备完毕后进行爆破，采集震动信号。

图2 数据采集布置

（三）TSP探测数据分析解译

数据采集完成后，使用TSPwin软件处理，得到以下结果：1.反射振幅越强，表明反射系数和波阻抗的差别越大；2.正反射振幅通常表现为正反射系数，代表刚性岩层；负反射振幅指向软弱岩层。在同一地质构造中，对岩体中的P波和S波反射振幅进行比较有特殊作用；3.S波反射明显强于P波，则表明岩层中饱含地下水。比较任何反射振幅时必须小心，因为反射振幅容易受到随机噪音的干扰及数据处理的影响；4.当Vp/Vs变大或泊松比δ突然增加，通常是因为有流体的存在；5.Vp降低，则表明节理、裂隙的发育程度或孔隙度增加；6.探测结果的最终判定必须结合数据处理、各项视图及隧道地质调查得到的成果确定。

三、TSP超前探测工程案例对比分析

（一）进口右线涌水案例

1.预报段落设计地勘资料

设计图纸上K19+223～K19+338里程范围内围岩以中风化砂岩及片麻岩和石英闪长岩为主；砂岩及片麻岩为侵入关系。该段围岩的岩质较硬，节理、裂隙发育，围岩较破碎。

2.TSP超前探测分析结果

对营盘山隧道进口右线K19+223～K19+338地段进行了TSP检测。通过对采集数据进行处理，得到二维预报成果图，如图4所示；纵横波深度偏移图，如图5所示。

图3 采集原始数据图

图4 TSP203二维预报成果图

图5 纵横波深度偏移图

3.隧道开挖验证对比分析

结合分析成果，并对掘进过程中揭露的围岩地质情况进行跟踪观察和工程验证对比分析：

（1）K19+223～K19+236段内探测结果：岩体内纵、横波波速变化较小，密度及静态杨氏模量无明显变化，推断该段围岩情况与掌子面类似，无明显变化，以弱～中风化中厚～厚层状砂岩为主，节理、裂隙较发育，岩体结构较破碎；岩层层间结合较差，局部存在基岩裂隙水。

实际开挖揭示：开挖过程中所揭露地质情况与掌子面对比，无明显变化，由此得到该段的探测结果实际情况完全一致，达到了探测目的。

（2）K19+236～K19+298段内探测结果：岩体内纵、横波波速下降，该段围岩Vp/Vs由1.3至2.0，显示出围岩充满裂隙水；横波深度偏移以强烈的负反射开始，以强烈的负反射结束。结合地质调查资料推断此段为围岩富水区，岩体结构较破碎，节理、裂隙发育，裂隙水发育，建议采取防排水预案，做好加深炮孔及超前水平钻探测工作。

实际开挖揭示：如图5所示，当掌子面掘进到K19+240时，掌子面开始出现渗水现象，呈线状流出，随后掘进过程中水量增大，掘进至K19+245时，掌子面呈淋雨状；到K19+252时掌子面出现涌水，股状流出，日流量达3000m3。随后开挖过程中，裂隙水沿掌子面整体流出，水量较大，平均日流量维持3000m3。经追踪对比该段实际由K19+240开始水量逐步增加，与探测结果存在4m里程偏差；与探测结果基本吻合，TSP超前探测效果良好。

图5 K19+245掌子面情况

（3）K19+298～K19+338段探测结果：岩体纵、横波波速下降。纵波深度偏移以负反射为主，横波深度偏移以强烈的负反射开始，以强烈的正反射结束，反射带内正负反射层多而杂乱，以负反射为主。结合地质调查资料推断该段为不整合接触带，节理、裂隙发育，岩体结构破碎，存在软弱夹层，裂隙水发育，做好超前水平钻探测工作，并加强支护做好防排水工作。

图7 K19+305掌子面情况

实际开挖揭示：如图7所示，掌子面掘进到K19+305时，掌子面岩性发生变化，夹有片麻岩及砂岩，掌子面超前钻孔中出水量达4000m3，后续面状出水，维持4000m3左右，掌子面掘进至K19+335时，岩性基本以石英闪长岩为主，与探测结果基本吻合。

四.结论

TSP203系统是一种基于地震波反射获取物性差异界面的探测方法，其预报成果的准确性与前期数据的采集、数据的处理方法及解释人员对物探及地质知识的掌握程度均密切相关。通过对TSP工程案例探测结果与开挖揭示结果的对比分析，能提高探测结果准确性，并得出如下结论。

1.TSP地震波反射法能准确探测和预报隧道前方不良地质情况，指导隧道安全施工并规避施工风险。

2.采用TSP法隧道超前地质预报方法，对超前探测分析结果与现场开挖情况需进行跟踪和工程验证对比分析，才能提高超前探测准确性。

3.确保现场取得高质量的原始采集数据是提高探测准确性的基础。现场采集数据过程须牢固安装接收器套管，严格设置参数、控制地震波爆破的质量、减少震荡产生的干扰信号。

4.数据解译是核心。物探具有多解性，对于Vp、Vs、Vp/Vs及泊松比四项参数要有深入的了解，提高解译的准确性。预报前要了解隧道的地勘资料，沿隧道轴线在地表进行踏勘，掌握隧道基本地质情况；预报后要在隧道掘进过程中跟踪地质调查，对比预报结论与实际开挖结果，积累经验，为后期更准确地作出预报结论夯实基础。