T S P超前探测在巨跨地下隧洞中的应用探析

李兆龙

（中铁第六勘察设计院集团有限公司隧道设计分公司，天津 300133）

1 引言

近年来，我国经济社会高速发展，大规模的交通、水利、储库等地下隧洞大量出现，使隧洞的建设也越来越趋于深埋、超长、巨跨、地质条件复杂等特点，尤其是随着经济发展需求的增加，隧洞开挖断面面积不断增大，跨度在30 m以上的巨跨隧洞屡见不鲜，其设计与施工难度较常规隧洞有较大增加[1]。因此，在施工期更好地进行超前地质预报是对巨跨隧洞施工安全的强有力保障。现有超前地质探测中，TSP（隧道地震预测系统）探测是其中使用最为广泛的一种方法[2]，但对于巨跨地下隧洞而言，其横向范围的地质情况同样存在较大差异，而常规TSP探测方法在横向上的探测范围有限，解译效果欠佳。因此，亟须对现有TSP探测方法进行优化调整，从而解决其在巨跨隧洞超前探测的局限性问题。

2 T S P原理

TSP于2002年前后被引入我国，其基本原理是利用人工激发的地震波向前传播，在地震波遇到地质结构面（如地层界面、断层、节理、溶洞等）时发生反射，通过预先安装的检波器将反射波的传播速度、强度、时间、波形等数据记录下来，再经过相应的软件进行数据处理，最后形成波形图等，用来解译前方的地质情况，即数据采集—数据处理—成果解译3部分[3]。

3 存在的问题

从TSP探测的基本原理可以看出，影响其探测成果最重要的因素是所采集的数据质量。对于常规地下隧洞，其跨度大都在15 m以下。在检波器、震源激发孔设置合理，TSP仪器参数调整适当的情况下，往往能准确获取隧洞开挖前方各种地震参数，并形成探测报告，判断前方50～200 m范围的地质情况[4，5]。

对于跨度大于40 m的巨跨地下隧洞，常规的施工方法往往采用减跨、分部的开挖方式（见图1），将巨跨隧洞分为左、中、右3个导洞进行开挖，一般按顺序先开挖两侧的导洞（1、2号），后开挖中间导洞（3号）。

图1 巨跨地下隧洞开挖分步示意图

由于跨度巨大，按常规思路，对于巨跨隧洞的TSP探测一般有两种方法。其一，对每一个导洞分别进行TSP探测，这样做耗时费力，且往往存在几次探测结果互相叠加，影响最终的解译；其二，根据现场实际，选择其中1个先行开挖的导洞进行TSP探测，形成地质预报成果，供其他2个导洞参考，这种方法由于在其横向上缺乏足够的地震波反射，因此，横向范围内的探测精度较差，无法准确查明其他2个导洞前方开挖范围内的地质情况，其成果的参考意义较小。

4 解决方案

对于巨跨地下隧洞的TSP探测，必须进行一定的优化调整，确保在成本增加不大的前提下，提高其探测范围和探测精度。

前文提到，巨跨隧洞开挖一般采用分导洞开挖的方式进行减跨，常规做法是先开挖两侧导洞，后开挖中间导洞。因此，在进行巨跨隧洞TSP探测时，选择一侧导洞（如1号导洞）按常规方法合理布置TSP激发孔及检波器孔（检波器1和4），同时，在另一侧（如2号导洞）内选择适当的位置增设2个检波器（检波器3和4），即现场采用4个检波器同时进行地震波数据采集（见图2）。对不同检波器所采集的数据两两组合进行处理、解译，便能得到3个导洞的不同探测成果，其中，检波器1、2的数据对应1号导洞，检波器1、3的数据对应3号导洞，检波器3、4对应2号导洞。这样，在几乎不增加额外成本的情况下，即完美解决了常规TSP在巨跨隧洞横向探测范围和精度上的缺陷。

图2 巨跨隧洞T S P探测检波器与激发孔平面布置示意图

5 工程案例

根据上述对巨跨地下隧洞TSP探测的优化和调整，在某工程现场进行了对比试验。该工程跨度40 m以上，场地位于喀斯特侵蚀剥蚀中山区，其埋深85～210 m。地勘报告显示，工程开挖范围内主要地层岩性为灰岩，局部夹粉砂岩，场区内地质构造较为简单，无较大规模断裂构造，节理裂隙较为发育。

该工程开挖方式与图1所示基本一致。在其左侧导洞（以开挖方向为参考）按优化调整后的布设方式（图2的方式）进行TSP数据采集，对其数据进行处理以及结果解译。其探测结果对比见表1。

表1 探测结果对比

上述结果对比后续实际开挖情况显示，结果与实际地质情况基本一致。由此可见，左右两侧导洞的地质情况明显有所不同，因此，以左侧导洞的探测结果为参考，推断右侧导洞地质情况的常规探测方法是不可取的。另一方面，也印证了优化调整过的TSP探孔布设和数据处理方法在巨跨地下隧洞超前探测上的可行性及其优点。

6 结语

随着地下工程建设的高速发展，超大跨度地下工程建设还将得到更广泛的推广，跨度在40 m以上的巨跨地下隧洞必然会越来越多，这对巨跨地下隧洞在超前地质预报工作中的探测精度及探测效率也提出了更高的要求，本文对常规的TSP探测方法进行优化调整，使其在跨度40 m以上巨跨地下隧洞超前地质预报实施中，具备探测范围广、精度高，探测效率高、成本低等优势，在今后的类似工程建设过程中，根据现场实际合理布置、使用，必将使TSP探测在巨跨地下隧洞建设应用中达到更佳的效果。