TSP 在高速铁路隧道超前地质预报中的应用研究

TSP 在高速铁路隧道超前地质预报中的应用研究
陈剑;吴立;徐昌茂;袁青;邓星
【摘要】本文介绍了 TSP203的基本原理，在对100余次 TSP 地质预报成果分析的基础上，总结了 TSP 在高速铁路隧道中的解译原则和注意事项。

结合沪昆客专轿顶坡隧道工程实例，将 TSP 探测成果与隧道开挖情况进行了对比，结果显示，本次 TSP 探测效果良好，预报准确率高。

最后阐述了当前 TSP 在高速铁路隧道超前地质预报中存在的问题并提出了相应的解决方法。

【期刊名称】《铁道建筑》
【年(卷),期】2013(000)003
【总页数】3页(P59-61)
【关键词】高速铁路隧道;超前地质预报;解译原则;TSP203
【作者】陈剑;吴立;徐昌茂;袁青;邓星
【作者单位】中国地质大学武汉工程学院，湖北武汉 430074;中国地质大学武汉工程学院，湖北武汉 430074; 岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，湖北武汉430074;中国地质大学武汉工程学院，湖北武汉 430074; 岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，湖北武汉 430074;中国地质大学武汉工程学院，湖北武汉430074;中国地质大学武汉工程学院，湖北武汉 430074
【正文语种】中文
【中图分类】U456.3+3
高速铁路隧道工程地质条件复杂，灾害源多、开挖断面大及施工工序复杂等显著特点决定了高速铁路隧道开挖具有高风险性。

在隧道开挖过程中，由于对开挖面前方地质体特性认识的不足而引起的各类工程事故不计其数［1-2］。

为减少隧道开挖过程中的盲目性，加强对掌子面前方围岩地质情况的掌握和监控，已开发出诸多超前地质预报方法，如地质调查、超前钻探、红外探水、地质雷达和弹性波探测等。

在众多的预报手段中，TSP作为当今较为成熟的中长期地质预报技术，自1994年应用至今，在国内外各类工程中进行了上千次富有成效的超前地质预报，取得了良好的社会经济效益［3］。

本文介绍TSP的基本原理，总结其解译原则和注意事项。

并结合沪昆客专轿顶坡隧道工程实例，将TSP探测结果与隧道开挖情况进行对比，以期为同类工程施工提供借鉴。

1 TSP的基本原理
TSP和其它反射地震波法一样，采用了回声测量原理。

地震波在指定震源点用小
药量激发产生，震源点通常布置在离不良地质体较近的一侧边墙，一般18～24个炮点布成一条直线，接收点和炮点在同一水平面(如图1所示)。

地震波以球面波的形式在岩体中传播，一部分向接收器方向前进形成直达波，TSP以直达波作为计
算波速的依据。

一部分沿掌子面前方继续传播，当遇到岩石物性界面如断层破碎带、溶洞、暗河、岩溶陷落柱、不同岩性接触面等不良地质界面时，一部分地震信号将反射回来，一部分折射进入前方岩体。

反射地震信号将被1～2个高灵敏度的三分量(X，Y，Z方向)检波器接收，反射信号的传播时间和到反射界面的距离成正比，由此可确定界面的位置［4］。

反射波的能量大小、波形及传播速度与相关地质界面的性质和产状密切相关，因而可以判断出探测范围内各种地质体的性质和规模。

通过TSPwin软件处理，可以获得P波、SH波、SV波速度剖面图，能量深度偏
移图，反射层提取图，岩石物理力学参数和二维推断分析图以及反射层在探测范围
内的空间分布［5］。

图1 TSP原理示意
2 地质概况
2.1 地貌与地层
隧道地貌类型单一，为构造侵蚀溶蚀低山—丘陵沟谷地貌，山脊走向大致呈北东—南西向。

沿线自然坡度25°～37°，局部为55°以上的陡崖。

除大部分平缓斜坡表层有少量第四系全新统残坡积层(Qel+dl4 )外，大部分地段基岩裸露，基岩主要为寒武系中下统碳酸盐岩组。

2.2 地质构造
隧道通过地段基本处于以元古界板溪群五强溪组(Ptbnwl)为核部，震旦系—寒武
系地层为翼部的新晃复背斜的西北翼。

地层基本为单斜岩层，整体倾向西北，产状较为半缓。

隧道区有多条断裂带通过，断层破碎带岩体破碎，结构松散，透水性强，围岩自稳能力差。

洞身分布的断层角砾结构松散，易塌方、涌水，对隧道施工有一定影响。

2.3 水文地质特征
隧道区断裂破碎带发育，平面延伸长，切割错动地层，长期接受大气降水和地下水的下渗补给，含水量丰富。

但隧道区断层为压扭性，破碎带内岩石胶结较好，裂隙宽度较小，使其富水性和透水性不均匀。

3 实例分析
3.1 TSP203观测系统的布置
本次 TSP预报范围为 DK418+649—DK418+769。

根据前期勘察资料及现场地质调查分析，确定不良地质体与隧道轴线的方位关系，并以此为据选取隧道进口的右边墙为探测壁。

接收器里程为DK418+601，第一个炮点距接收器18 m，设置1
排20个炮点，炮口均在同一直线上。

炮点间距1.5m，孔深1.5m，孔径42 mm，
向下倾斜10°左右。

接收器套管放入打好的孔中，套管与围岩耦合良好，向上倾斜15°左右。

把接收器放入套管内，对好方向，接收信号线一端连接接收器，另一端连接记录单元。

将乳化炸药、瞬发电雷管制成炸药包(药量75～100 g)，采用木制炮棍将炸药包安放到位，起爆线一端连接雷管角线，另一端连接触发盒。

引爆前，炮孔用水充填，封住炮口。

连续激发20炮，进行数据采集。

最终结果如图2和图3所示。

图2 岩体物理性质参数
图3 二维推断分析图
3.2 解译预报与开挖验证
3.2.1 解译原则
获取上述数据后，需要结合具体的工程实例对预报数据进行解译。

根据本标段多次TSP预报成果和经验，本区段灰岩地区Ⅲ、Ⅳ级围岩的临界波速在5.0 km/s左右。

解译过程中，坚持以下经验原则:①坚持以纵波波速Vp值作为初步判断围岩情况
的依据，Vp值越大表明岩体越坚硬致密，Vp值降低表明岩体裂隙度、孔隙度增加，密度和杨氏模量降低。

同时，以已开挖围岩段直达波速和围岩级别作为标准，结合前期经验值，初步判断掌子面后方围岩级别。

②岩体含水状态与横波速度密切相关，一般来说，若横波反射明显比纵波强，表明岩体饱含水。

纵横波波速比
Vp/Vs或泊松比突然变大常常是由于岩体内的流体引起，流体的性质根据其变化
幅值的大小体现出来。

③总体上，纵横波波速比Vp/Vs与泊松比成正相关，与岩
体的密度和弹性模量成负相关。

④岩体物理性质参数只能作为初步判定依据，同时要结合深度偏移剖面图、反射层提取图及其3D视图相互验证，力求解译的全面性和准确性。

⑤岩体的纵波速度Vp值只能作为判断围岩级别的初步依据而不是唯一依据，例如，一段干燥、节理密度为3条/m的Ⅲ级围岩的纵波速度可能比一段饱含水、节理密度为5条/m的Ⅳ级围岩纵波速度低得多。

⑥岩体物理性质参数在某
区段内频繁波动，基本可判断此区段围岩破碎或软硬岩互层。

⑦围岩分级不仅与围岩波速有关，而且与岩层的陡缓程度也有很大关系。

在围岩波速相同的情况下，产状平缓的围岩通常比陡立的围岩级别高半级左右。

3.2.2 预报结果与开挖情况对比分析
沪昆高速铁路长昆湖南段轿顶坡隧道起讫里程DK418+009—DK419+928，全长
1 919 m，最大埋深10
2 m。

本次预报范围内隧道埋深为42.5～85.0m。

勘察结
论为DK418+649—DK418+769段围岩级别为Ⅲ级，岩性为薄层灰岩夹泥灰岩，弱风化，岩质较坚硬，岩体较完整，节理裂隙弱发育，块状结构。

地下水主要为岩溶裂隙水，以股状淋水为主。

掌子面DK418+649围岩为弱风化灰岩夹泥质灰岩，薄层状，产状平缓，裂隙发育，裂隙倾角较陡。

从掌子面观察看，岩石溶蚀以竖向裂隙溶蚀为主，层间溶蚀较弱。

掌子面局部轻微渗水。

根据以上解译原则，结合深度偏移剖面解译标志［6］，同时对预报段围岩的地质素描整理分析，得出本次TSP探测结果与开挖情况对照表，见表1。

表1 轿顶坡隧道TSP203预报结果与开挖情况对照序号里程预报情况实际开挖
情况1 DK418+649—DK418+665 弱风化灰岩，岩体较掌子面稍破碎，岩体变软，赋存有裂隙渗水。

围岩级别为Ⅲ级薄层弱风化灰岩，岩体稍破碎，局部少量黏土填充，少量裂隙渗水，拱脚局部积水。

围岩级别为Ⅲ级2 DK418+665—
DK418+673 岩质坚硬，岩体破碎，微量裂隙渗水。

围岩级别为Ⅲ级偏弱岩质坚硬，岩体较破碎，整体干燥，局部湿润。

围岩级别为Ⅲ级偏弱3 DK418+673—
DK418+703 岩体稍破碎，岩质变软，微量裂隙渗水。

围岩级别为Ⅲ级偏弱岩体破碎，部分裂隙充填有黄黏土，少量裂隙渗水。

围岩级别为Ⅲ级局部偏弱4
DK418+703—DK418+736 节理裂隙发育，岩体较破碎，岩体变软，局部裂隙夹泥，有一定量裂隙渗水。

围岩级别为Ⅳ级岩体破碎，掌子面渗水，局部夹泥。

围岩
级别为Ⅳ级5 DK418+736—DK418+749 围岩节理裂隙发育，岩体较破碎，股状岩溶裂隙水。

围岩级别为Ⅳ级薄层灰岩，节理裂隙发育，岩体很破碎，部分裂隙夹泥。

拱顶滴水，掌子面股状流水。

围岩级别为Ⅳ级6 DK418+749—DK418+769围岩节理裂隙发育，岩质坚硬，岩体较破碎，股状岩溶裂隙渗水，渗水量较大。

围岩级别为Ⅳ级节理裂隙发育，岩质坚硬，局部溶蚀裂隙发育，夹有一定量黄黏土。

渗水量大，掌子面股状流水，拱顶滴水。

围岩级别为Ⅳ级偏弱
由表1可见，除DK418+665—DK418+673段地下水预报结果与实际情况有所偏差外，其余段TSP地质预报结果与开挖情况一致。

本次探测基本查明了预报范围内围岩的地质情况，探明了隧道掌子面前方软弱岩层、溶蚀孔洞、节理裂隙发育带的分布范围及规模，推断出了地层含水状态，概略地确定出围岩级别。

不仅弥补了初期勘察在水文地质方面精度不足的缺陷，还能够积极指导施工。

4 结论与建议
TSP作为当前较为成熟的中长期超前地质预报技术，具有探测不良地质种类多，探测距离远，分辨率高，抗干扰能力强，对施工影响小，提交成果及时和预报准确等优点［7］。

但也存在一些技术缺陷，如成本高，预报工序多、操作复杂，直线观测方式不尽合理，解译主观性强等。

1)超前地质预报过程中，严格遵循相关行业规范规定，建立健全超前地质预报及监督体系，保证预报所采取数据的真实性及合理性。

2)改进TSP现有单一的观测方式或数据处理软件。

由于TST观测系统比直线布置的观测系统优越，能获得不同横向偏移距的资料，能可靠地确定前方围岩的速度分布，提高地质体的定位精度，保证偏移图像位置的真实性，因此可以采用TST数据处理软件对TSP原始数据进行处理，对比分析得出解译成果。

这需要厂商间加强合作，提高其软硬件的兼容能力。

3)聘用地质工作经验丰富的专业人员进行数据处理和解译，力求解译得全面具体。

同时应结合地质调查、地质雷达、红外探水、超前钻孔等手段，相互验证，提高预报的准确性。

参考文献
【相关文献】
［1］王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术［M］.北京:人民交通出版社，2010:914-915.
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［3］林建林，李庶林，焦玉勇，等.TSP超前地质预报探测技术及其应用现状［J］.工程地质学报，2010，18(增刊):220-227.
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