TSP303系统在某铁路隧道超前地质预报中的应用

摘  要：TSP系统作为地震波反射法的一种，因其操作简便、预报距离长、预报准确性高等特点，目前被广泛应用于铁路隧道超前地质预报工作中。文中结合该系统在某铁路隧道的应用实例，介绍了TSP303系统的基本原理和操作方法，阐述了该系统在超前地质预报中的应用效果，通过对比分析了其在超前地质预报应用中的准确性和适用性。

关键词：隧道;TSP303系统;超前地质预报

中图分类号：U456.3   文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）05-0000-00

0 概述

进入21世纪，我国铁路建设步伐逐渐加快，复杂地质铁路隧道越来越多，如何在施工阶段做好地质工作，进一步查清隧道开挖工作面前方的工程与水文地质条件，降低地质灾害发生几率和危害程度，指导工程顺利进行，是铁路建设者需要重视的一项重要工作。为提高铁路隧道超前地质预报水平，保证隧道工程质量和施工安全，结合多年来隧道超前地质预报技术的发展，原铁道部及时发布《铁路隧道超前地质预报技术指南》[1]，规范了铁路隧道超前地质预报技术工作，并将该项工作纳入工序管理，后结合实践经验，铁路总公司于2015年发布《铁路隧道超前地质预报技术规程》[2]，为铁路工程建设施工质量和安全提供了技术支撑。

铁路隧道超前地质预报的主要方法有地质调查法、超前钻探法、物探法、超前导坑法等，其中物探弹性波反射法作为长期预报方法，在隧道超前地质工作中发挥了重要作用，其中地震波反射法应用最为广泛。

1 TSP303法原理和操作方法

TSP方法属于多波多分量高分辨率地震波反射法。地震波在设计的震源点用小量炸药激发产生，当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质，反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。数据通过TSP303软件处理，便可了解隧道工作面前方不良地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等）和位置及规模。

TSP303隧道地质超前预报系统观测系统设计如下：

炮孔设计在隧道的左边墙或者右边墙，第1个炮孔离同侧接收孔为20m，炮孔间距1.5 m，数量24个，直径40mm，孔深1.5m。炮孔垂直隧道轴向，向下倾斜10°～20°（激发时密封炮孔）。炮孔离地面约1m。接收孔设计在隧道边墙，距离掌子面约55m，离地面1m，数量2个（隧道左右边墙各一个），直径φ50mm，孔深2m，垂直隧道轴向，用锚固剂固结，向上倾斜5°～10°。接收孔内放入两个高灵敏度传感器，确认连接无误后，对布置在边墙的24个孔逐个爆破，接受原始数据，采集信号不少于22个。

通过TSP303软件处理接收数据，可以获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果，以及反射层在探测范围内的2D或3D空间分布。以数据处理成果为基础，结合开挖工作面观察，可预报隧道开挖工作面前方一定距离的地质情况。

2 工程概况

2.1 勘察情况

隧道区主要地层为侏罗系上统凝灰岩，进出口分布燕山晚期侵入花岗岩和闪长岩，区域断层较发育，调绘共发现断层14条，结合调绘和钻探验证，断层F6对隧道影响较大。该断裂构造整体呈北西走向，推测于DK164+284～DK164+459处通过设计铁路线，向北西方向延伸较远，南东方向被北东向断裂限制，长度大于12km。断裂破碎带宽5～8m，与线路小角度相交，影响宽度较宽，带内节理密集发育，岩石呈碎块状，粘土状;风化蚀变强烈，可见高岭土化、绢云母化，片理化现象明显;破碎带两侧发育构造角砾岩，次棱角状，松散状，黏土质胶结。测得断裂面产状227°∠85°。断裂带局部充填有安山岩岩脉，推测该断裂为压性断裂。

勘察期间布置EH4大地电磁，详见图1，在DK164+442附近，电阻率等值线剧烈变化，向大里程等值线密集，向小里程等值线稀疏，且电阻率值突降。

图1  EH4大地电磁二维反演断面图

依据地表大地电磁成果，在DK164+430左10m完成验证钻孔，该处隧道埋深约91m。钻探取芯情况：地层为凝灰岩，灰绿色，弱风化，凝灰质结构，块状构造，节理裂隙发育，岩质硬，岩芯破碎，多呈碎块状及少量短柱状，大部分块径3～8cm，最大约10cm，柱状岩芯一般节长10～15cm，最长约20cm，锤击不易碎，其中71.0～80.0m、107.0～114.2m岩芯破碎。

综合考虑调绘、物探和钻探验证情况，推测DK164+284～+459段为断层破碎带及影响带，围岩分级Ⅴ级。

2.2 TSP303方法预报成果

施工阶段采用TSP303超前地质预报方法对隧道DK164+560～DK164+380进行长期预报，完成预报成果详见图2。

结合图2，分析认为：

（1）DK164+560～DK164+547段，围岩情况和+560掌子面基本一致，围岩较破碎，无水。

（2）DK164+547～DK164+507段，纵横波速度、杨氏模量均较掌子面升高，推断围岩较完整、局部节理裂隙较发育。+547～+533反射面密集，推断该段围岩节理裂隙发育较密集，地下水较发育;SV波深度偏移2D视图显示，+538附近出现强横波负反射，推断该里程附近有线状或股状出水。

（3）DK164+507～DK164+405段，纵横波速度、杨氏模量均较掌子面大幅下降，推断该段围岩破碎、节理裂隙发育。其中，+502、+491出现横波负反射;+484～+463段、+418～+410段泊松比跃升，推断上述段落地下水发育。如图3所示。

（4）DK164+405～DK164+380段，纵横波速度、杨氏模量均前段有较大上升，推断围岩变好、较完整、节理裂隙较发育。其中，+405～+399段出现多组横波负反射，推断该段节理裂隙发育、地下水较发育;+394～+390段泊松比躍升，推断该段节理裂隙较发育、地下水较发育。

2.3 開挖验证情况

经开挖验证，围岩情况如下：

（1）DK164+560～DK164+505段，围岩完整性不均匀，整体较破碎～较完整，围岩分级Ⅲ级。

（2）DK164+505～DK164+435段为压性断裂带，产状242°∠80°，岩石破碎～较破碎，节理发育，擦痕发育，具碳酸盐化、绿泥石化、高岭土化，因节理密闭，洞内无水，围岩分级Ⅴ～Ⅳ级;

（3）DK164+435～+380段，围岩较完整，围岩分级可达Ⅲ～Ⅱ级。

3 结论与建议

（1）TSP预报的断层位置为DK164+507～+405段，长度为102m;开挖揭示位置为DK164+505～+435段，长度为70m，长度准确率69%。

（2）起始位置开挖揭示滞后2m，基本一致;终止里程开挖时提前20m结束断层，有一定误差。随着探测长度的增加，呈现误差增大趋势，因此对于地质条件较复杂、围岩完整性较差地段，应减小TSP预报长度。

（3）TSP对于地下水情况的预报不够准确。预报局部有地下水，开挖揭示为压性断裂，节理密闭，未见地下水。地下水的预测还需结合构造特性。

（4）通过TSP预报与施工开挖进行对比分析，当探测对象与相邻介质存在较明显波阻抗差异并具有足以被探测的规模，地质界面倾角较大、构造走向与隧道轴线大角度相交时，TSP预报技术对于特殊地质体的宏观判断效果是明显的。

（5）地质体本身具有不均匀性，受岩石强度、地质界面产状、节理间距及张开度、地下水等多种因素影响，具有复杂性，单纯依靠TSP一种预报手段不可能做到全面查清复杂地段地质体特征，地质情况预测可能也达不到较高的精度，因此需要配合超前地质钻探和地质调查等方法，进一步开展细致探查和观察工作，详细评价地质体工程特征，以满足工程需要。

参考文献

[1] 铁建设[2008]105号.铁路隧道超前地质预报技术指南[S].北京：中国铁路总公司，2008.

[2] Q/CR 9217-2015.铁路隧道超前地质预报技术规程[S].北京：中国铁路总公司，2015.

[3] 曾昭璜.隧道地震反射法超前预报[J].地球物理学报，1994，37（2）：268.

[4] 何振起，李海，梁彦忠.利用地震反射法进行隧道施工地质超前预报[J].铁道工程学报，2000（4）：81

[5] 柳杨春.HSP 地质超前预报技术及其应用[J].西部探矿工程，1997（9）：34-36.

[6] 李永鸿，徐光黎，杨银湖，等.地震反射波法技术及其在隧道超前地质预报中的应用研究[J].岩土工程学报，2005（10）：1180-1184.

收稿日期：2019-08-22

作者简介：高清海（1973—），男，天津人，本科，工程师，从事铁路工程勘察设计、施工管理及研究工作。

Application  of TSP303 System in Advance Geological Prediction of a Railway Tunnel

GAO Qinghai

（China railway design group co. LTD，TianJin  300251）

Abstract：As one of the seismic wave reflection methods， TSP system is widely applied in advanced geological forecast of railway tunnels due to its characteristics of user-friendly control， long distance prediction and high accuracy. In the paper， we introduce the basic principle and operation method of TSP303 system and the application effect of the system in advance geological prediction based on the application of the system in railway tunnel project cases. Through comparative analysis， the accuracy and applicability of the method are proved.

Key words：Tunnel;TSP303system;Geological Prediction