TSP在高速铁路隧道超前地质预报中的应用

郑烨晨 石宏泰 黄 河 付庭茂 樊茂林

(中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 710000)

高速铁路隧道穿越地层复杂多变，前期地勘很难准确获得地层信息，因此掘进中经常出现与设计资料不符的不良地质体，产生塌方、大变形等工程灾害。如何快速准确获取前方地质信息，对于确保隧道安全施工具有重要意义[1]。隧道超前地质预报方法主要有地质调查法、超前钻孔法、地震反射波法(TSP，TGP)、地质雷达法、瞬变电磁法、红外探测法等[2]。TSP(Tunnel Seismic Prediction)是一种通过激发地震波(弹性波)在非连续的地质界面反射，接收反射波信号进行数据解析，实现隧道超前地质预报的物探技术[3]。该方法具有预报距离长、适用范围广等特点，自瑞士安伯格公司发明之后在隧道工程中得到广泛应用[4-6]。本文以中(卫)兰(州)客专某大断面岩质隧道工程为依托，详细介绍了TSP在隧道超前地质预报中的应用技术及现场验证情况。

1 工程概况

中(卫)兰(州)客专项目全长218.49 km，总投资295.78亿元。依托隧道工程位于甘肃省兰州市皋兰县内，隧道全长4 578 m，为双线铁路隧道，设计时速为250 km/h，开挖断面面积约150 m2，最大埋深约206 m。隧址区地质构造复杂，洞身段穿越前寒武系皋兰群片岩，呈鳞片状变晶结构，片理构造，节理裂隙较发育，岩性发育不均，呈强风化～弱风化状态，岩体呈碎石状压碎结构，易塌方掉块，围岩分级为Ⅲ级～Ⅴ级。

2 TSP超前地质预报应用分析

2.1 TSP超前地质预报原理

TSP(Tunnel Seismic Prediction)探测原理属于地震波(弹性波)反射方法，采用小当量炸药在隧道内激发多源地震波(一般在隧道边墙布置24个炮眼)，地震波在三维空间传播过程中，遇到地层岩性变化、断层破碎带等不良地质体时(波阻抗变化)，产生反射和透射，通过接收反射信号，进行信号处理，数据分析进而获取前方地质信息。由于地质体中地震波传播的复杂性，为获得较好的反射波数据，需采用高精度的三分量速度传感器，同时避免起爆产生的震荡波对仪器产生干扰。

2.2 现场数据采集

本次超前地质预报选用安伯格公司TSP203 plus，预报掌子面桩号为DK203+960。掌子面岩体呈厚层、块状结构，局部夹薄层片岩，节理裂隙较为发育，围岩较为破碎，掌子面呈干燥状态，地下水不发育。

本次测试现场方案如下：在隧道开挖方向左边墙布置24个炮孔(激发孔位，间距1.5 m)，左右边墙各1个接收孔位，最小偏移间距为20 m。激发孔间距1.5 m，高度1.2 m，孔深1.35 m，孔径50 mm，倾角9°，每孔装药量100 g，接收孔高度1.6 m，孔深2.0 m，倾角0°，现场布置如图1所示。数据采集前，测量各孔的相对位置、深度、倾角并做好记录，装填炸药，安装接收器，连接好仪器。为采集到较好的TSP原始数据，要求隧道内一切工序均停工，检波器安装时采用黄油耦合，通过采用高吸声材料封堵接收孔来抑制声波噪声。准备完毕后进行爆破，采集数据。

2.3 数据分析

通过TSP winPLUS软件对采集数据进行处理，得到TSP推断成果图。图2为TSP超前预报围岩力学参数分布图，图2中里程0代表K204+010。可以看出，在掌子面(里程50 m)前方一定范围内围岩波速(Vp/Vs)、泊松比、密度、动弹模等参数均有显著变化。图3为TSP二维成果图，可以看出，在掌子面前方一定距离存在一段较小区域的波速降低区域，即节理裂隙发育较为发育。

根据上述解释成果并结合地勘资料、掌子面开挖揭示围岩情况，对掌子面前方120 m范围内围岩情况进行如下预测：

1)DK203+958～DK203+918(40 m)：该段纵波、横波波速与当前掌子面波速一致，密度和杨氏模量基本不变，泊松比及Vp/Vs较掌子面不变，判断其围岩情况与当前掌子面相似。

2)DK203+918～DK203+890(28 m)：该段纵波、横波波速较掌子面均有小幅度下降，密度及杨氏模量相对下降，且Vp/Vs和泊松比略有上升，以负反射为主，判断其围岩情况较掌子面略差，节理裂隙发育，岩体破碎，稳定性较差，地下水弱发育，施工中应注意洞顶掉块塌方，宜加强超前支护。

3)DK203+890～DK203+838(52 m)：该段纵波波速较掌子面明显上升，横波波速较掌子面略有下降，密度和杨氏模量皆低于掌子面，且Vp/Vs和泊松比较掌子面上升，以正反射为主，综合判断其围岩较掌子面变好，节理裂隙较发育，地下水不发育，岩体完整性较好。

2.4 现场开挖验证

由TSP超前地质预报可得，隧道前方大致40 m～70 m距离内围岩情况变差，节理裂隙发育丰富，施工危险性较大，而前期地勘和设计资料中将该区段统一归为Ⅴ级围岩，未做明显区分。现场隧道掘进施工中，逐步开挖揭示围岩情况，其典型情况如图4所示。由图4可以看出，该断面围岩节理裂隙发育，岩层呈薄层状碎裂结构，掌子面较为干燥，地下水不发育，与掌子面围岩相比，岩体质量较差，施工中以产生岩层剥落、掉块，洞顶塌方，与2.3中2)围岩预测结果较为吻合，说明TSP超前地质预报较为准确，达到了预报目的。

3 结语

本文以中兰客专某岩质隧道为依托，详细介绍了TSP在隧道超前地质预报中的应用关键技术，通过与场隧道开挖揭示的围岩情况对比证明，裂隙水不发育的片岩地层，TSP地震反射波法预报较为准确，有效探测距离可达120 m。TSP作为一种基于弹性波反射理论的物探方法，其预报成果的准确性依赖于数据采集、解译方法，以及解释人员对波速、泊松比、动弹模等参数的理解和工程地质知识储备，需紧密结合现场地质情况，在隧道开挖过程中及时跟进，动态反馈地质信息，不断与预报结果对比验证，积累经验，才能获得较为满意的预报结果。