TSP及TEM结合法在隧道超前地质预报中的应用

菅永明

(贵州紫望高速公路建设有限公司，贵州 安顺 560800)

近年来，我国交通事业持续快速发展，隧道工程数量越来越多，施工难度和施工风险越来越高，各种施工事故不断出现[1]。岩溶隧道施工中的涌水、涌泥、坍塌等施工风险则更为突出，对施工人员及设备安全产生巨大威胁。为有效减少隧道施工中的地质灾害，在长大风险隧道施工中，超前地质预报是隧道施工中必不可少的环节，有效促进了隧道信息化施工、灾害防治和安全保障工作[2]。超前地质预报就是采用地质及物探方法对隧道开挖面前方的岩体中节理裂隙发育情况、溶洞及其充填、断层破碎带及其富水性隧道等不良地质体进行预报，提示技术人员采取相应的应对技术措施，避免隧道涌水、涌泥、围岩大变形及坍塌等地质灾害的发生。

目前国内外用于隧道地质超前预报的主要物探方法有TSP法、瞬变电磁法、地质雷达、电测法、陆地声纳法等[3]。由于物探方法自身的特点与不足，在隧道施工中采用单一方法预报存在各自局限性，在预报不良地质体的存在与否、空间位置和规模大小等方面往往与实际开挖情况存在较大的偏差，要提高预报的准确性和可靠性，就必须采用多种方法进行相互补充和相互印证[4-5]。

1 TSP法原理

TSP (Tunnel Seismic Prediction) 法，即隧道地震波预报法，其基本原理是在隧道开挖面后方边墙一定范围设置一定数量的激发孔，通过引爆孔内炸药激发地震波，所激发的地震波以球面波的形式向隧道围岩中传播，当围岩的波阻抗发生变化时(如裂隙、岩溶、断层或岩层的分界面)，一部分地震波透射边界继续向前传播，另一部分将会被反射回来[6]，反射回来的地震波由高精度的三分量传感器接收并传递到主机形成地震波记录。由专门的软件TSPwin对采集到的信号进行进一步的分析，得到隧道开挖面前方P波、SH波和SV波的时间剖面、深度偏移剖面、岩石的反射层位和物理力学参数等中间成果资料[7]，依据这些资料来判释开挖面前方地层中是否存在异常地质体。

2 TEM法原理

TEM法(Transient Electromagnetic Method)，即瞬变电磁法，是利用不接地回线向岩体中发送脉冲式一次电磁场，一次电场衰减使地质体中产生涡流，用接收线圈感应由该脉冲电磁场感应的涡流衰减产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而来解决有关地质问题的时间域电磁法[8]。

瞬变电磁法的解译成果是被探测岩体中视电阻率等值线图。根据视电阻率等值线特征、视电阻率值的大小和坐标来判断不良地质体的形态及位置。围岩中地下水越发育，岩体的视电阻率越小；反之若围岩中地下水越不发育、越干燥，岩体的视电阻率越大。

3 工程概况

贵州紫望高速紫云隧道位于安顺市紫云县松山镇、水塘镇、火花乡，为分离式隧道。隧道左线全长2 159 m，最大埋深约262.1 m；右线全长2 120 m，隧道最大埋深约255.2 m。紫云隧道区属溶蚀峰林谷地及低中山地貌，山体自然坡度30～65°，植被较发育。隧道工程区灰岩发育。

隧道穿越主要地层为灰岩、泥质灰岩、砂岩夹灰岩、砂岩、泥质砂岩等，岩溶较发育。隧道线路出口右侧发育有岩溶洼地，最低处有落水洞一处。为了尽可能降低紫云隧道施工中的涌水、涌泥及塌方等地质灾害风险的发生，须进行超前地质预报，以便技术人员及时采取合理的技术应对措施。在隧道施工中，主要采取TSP和瞬变电磁法结合方法对隧道开挖面前方富水不良地质体进行探测。

4 TSP法实施

4.1 实施过程

TSP法探测采用TSP203 Plus，其主要组成包括三分量检波器、记录单元及起爆装置等，目前在我国广泛应用。采用检波器接收地震波信号，记录单元将接收到的地震波信号进行放大、模数转换和数据记录；起爆装置用于引爆孔内炸药，实现人工激发地震波。

TSP法实施之前，在隧道右侧壁上打设24个炮孔，钻孔向下倾斜约15°，孔深1.5 m，孔径42 mm，间距1.5 m。孔口距底板高度约1 m，靠近开挖面的1号孔距开挖面距离为2.3 m。传感器钻孔布置在与炮孔同侧隧道壁同高度的延长线上，距离最外一个震源炮孔18.5 m。传感器钻孔倾角与爆源孔相同，孔深2.0 m，直径50 mm。炸药为岩石乳化防水炸药，每孔用量150 g，雷管为瞬发电雷管。为了保证炸药在爆炸时产生的地震波能量能够尽可能地向地层中传播，在各钻孔内炸药起爆之前孔内充满水作为耦合剂。

4.2 预报成果

以紫云隧道右洞开挖面YK8+396～YK8+506段的地质预报为例说明TSP的地质超前预报成果。对所采集的TSP地震波数据采用TSPWin软件分析后得到开挖面前方围岩的物理力学参数及反射层，如图1所示。

隧道开挖揭示YK8+396开挖面岩性主要为灰中-薄层状灰岩、泥质灰岩及白云质灰岩，有裂隙水渗出。结合开挖面围岩特征和图1成果图对此段落围岩地质情况预报如下：

图1 TSP反射层位及物理力学参数成果

(1) 开挖面YK8+396～YK8+430长度34 m范围内，围岩的波速、密度和动静杨氏模量等物理力学参数的变化量均很小，可以认为此段范围内的围岩工程力学特性没有明显变化。推断此段围岩主要为中风化中薄层状石灰岩；结构面发育，以层面为主，存在层间滑动，层间夹薄泥，岩体较破碎，岩体呈中薄层状结构；潮湿，局部滴水；岩体稳定性较差，易层间剥落掉块或小滑塌。围岩级别可判定为Ⅳ级。

(2) YK8+430～YK8+480长度50 m范围内，围岩的波速、密度和动静杨氏模量等物理力学参数明显减小，因而认为此段范围内的围岩工程力学特性显著变差。推断此段落围岩主要为中薄层状石灰岩、白云质灰岩，受构造影响较重，结构面很发育，以层面和构造节理裂隙为主，推测存在层间滑动面或揉皱破碎带，岩体较破碎，岩体呈中薄层状结构，局部碎裂状结构，可能发育有小型溶隙，导水性好；含水量可能较大，局部可能出现股状涌水；岩体稳定性较差，易掉块或局部坍塌。围岩级别可判定为Ⅴ级。

(3) YK8+480～YK8+506长度26 m范围内，围岩的波速、密度和动静杨氏模量等物理力学参数又有所增大，因而可以认为此段围岩的总体稳定性转好。推断此段落围岩主要为中层状白云质灰岩、石灰岩；结构面发育，以层面为主，岩体较破碎，岩体呈中薄层状结构；潮湿；岩体稳定性较差，易掉块。围岩级别可判定为Ⅳ级。

5 瞬变电磁法实施

5.1 实施过程

本次预报采用ProtemEM-47型瞬变电磁仪，其主要组成部件包括发射机和发射线圈(Tx)、接收机和接收线圈(Tr)以及主机等。

瞬变电磁仪的发射机通过外接电源在发射线圈中产生一直流电流，当线圈中的电流被突然切断时，在被测岩体中激发磁场涡流。发射机采用外接12 V电源，使电流达到1.5 A，发射频率为25 Hz，发射框尺寸2 m×2 m。接收机通过直径1 m的接收线圈(Rx)感知岩体中磁场涡流等的变化，并通过专用软件对采集数据进行分析从而判断隧道开挖面前方地层的富水性。接收机与接收线圈集成在一起，接收机将接收线圈感应到的围岩涡流二次场数据传给主机。利用专用分析软件将主机采集到的数据进一步分析，得到隧道开挖面前方围岩的视电阻率等值云图。

瞬变电磁仪对围岩进行探测时，由于开挖面空间的限制，发射线圈和接收线圈采用共轴方式。发射线圈靠近开挖面，发射线圈距接收线圈距离10 m，接收线圈与发射线圈中心共轴在开挖面上等距移动。本次探测共布置11条测线，如图2所示。为减少干扰源，在瞬变电磁仪探测之前将隧道施工台架移至距开挖面30 m以外。

图2 瞬变电磁法测线布置图

5.2 预报结果

利用专用软件对开挖面前方围岩中涡流二次场的衰减数据进行分析，得到以距隧道断面中线的距离为横轴、以距开挖面的距离为纵轴的前方围岩视电阻率等值线云图，如图3所示。

图3 围岩视电阻率等值线云图

从图3可以看出，隧道开挖面前方存在一个低视电阻率异常区，位于开挖面前方40～75 m(YK8+436～+471)。结合开挖面揭示围岩岩性、TSP预报开挖面前方出现富水区及对应里程(YK8+430～YK8+480)，推测此低电阻率异常区可能为富水裂隙发育带或富水小型溶槽、溶隙或溶腔，并有向左前方延伸趋势。为保证隧道施工安全，建议在后续隧道施工中做好排水工作。

6 两种预报结果对比及开挖验证

6.1 两种预报结果对比

TSP预报结果显示，在YK8+430～YK8+480范围内，围岩物理力学参数明显减小，推测此段落为裂隙发育带或充水溶槽、溶隙及小型溶洞。TEM法结果显示在YK8+436～+471范围内存在低阻区，这是此段围岩中存在大含水量构造的依据。另外，此段围岩岩性为灰岩及白云质灰岩等可溶岩，因而可以判断开挖面前方YK8+436～+471存在富水异常区，可能发育有充水溶槽、溶隙及小型溶洞。

6.2 开挖验证

隧道进一步的开挖施工揭示出在开挖面里程YK8+463处有小型溶腔，溶洞口出现小规模涌水。刚揭露时溶洞口出水呈喷射状，喷射距离约2.8 m。2 h后变成股状涌水，随后水量越来越小，涌水总持续时间约9 h。

7 结束语

隧道常用的地质超前预报方法有多种，但每种方法都有自己的不足，采用多种方法进行超前地质预报可以有效提高预报结果的准确度。