4、TSP超前地质预报
TSP法隧道超前地质预报技术研究与应用
TSP法隧道超前地质预报技术研究与应用牟元存，李星，高树全，王凯（中铁二院成都工程检测有限责任公司工程检测一所，四川成都610031）摘要：长大隧道无法绕避部分不良地质问题而面临着更为复杂的工程地质和水文地质环境，这对隧道施工过程中的防灾减灾和超前地质预报工作提出了更高要求。
采用隧道综合超前地质预报技术，通过二十余条铁路线的上百座高风险隧道（近2000km）超前地质预报实践，在总结经验教训的基础上，开展了隧道掌子面前方超前地质预报物探成套技术研究。
结合大量预报实践及课题中的TSP法正反演数值模拟预报效果测试情况进行阐述，对不同不良地质条件下的物探响应特征进行总结。
该研究成果对采用类似技术开展隧道超前地质预报的同类方法具有指导意义。
关键词：高速铁路；隧道超前地质预报；物探；TSP；正反演数值模拟中图分类号：U452文献标识码：A文章编号：1001-683X（2022）01-0045-06 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2020.10.21.0450引言目前，我国铁路隧道超前地质预报技术体系包含的方法有地质调查法、物探法、钻探法和超前导坑法，其中物探法中又有地震波反射波法、地质雷达法、瞬变电磁法、激发极化法等。
由于各种物探方法有其优缺点和适用范围，针对不同的不良地质情况采用最优化的预报方法组合模式，能够事半功倍提高预报准确率［1-6］。
为此，在大量隧道超前地质预报工作实践的基础上，开展了隧道掌子面前方超前地质预报物探成套技术研究，基于TSP法结合大量的工程实践总结和数值模拟正反演情况进行阐述。
众所周知，TSP弹性波反射法属长距离预报的物探手段，一般当隧道开挖有60m左右空间时，可布置观测系统开展TSP法超前预报工作，在绝大多数环境下，其预报距离在100m以上。
采用该方法不仅能对断层破基金项目：中铁二院工程集团有限责任公司科技研究开发计划项目（12198008（12-14））第一作者：牟元存（1980—），男，高级工程师，硕士。
TSP超前地质预报实施要求-技术交底资料
超前地质预报现场实行规定一、TSP203隧道地质超前预报1、TSP203隧道地质超前预报布孔规定1）爆破孔24个：孔距1.5米，孔深1.5米；孔高（距地面）1－1.2米；倾角：向下10°－20°；孔径：38mm（不不不小于38mm）2）两个传感器孔：孔深2.0m（不不小于2.0m）；倾角：向上5°－10°；距地面高度：1－1.2 m；孔径：45－50 mm（不不不小于45 mm，不不小于50 mm）最终一种爆炸孔距传感器孔距离：17－20 m3）所需材料：起爆器一种（内装好干电池）；乳化炸药：3kg－4kg；瞬发电雷管30发；卷尺一把（5m钢卷尺和皮尺各一把）4）注意事项：●应采用瞬发电雷管和防水乳化炸药作震源之用；●必须满足TSP操作旳隧道开挖距离，接受器孔和炮孔应在同一平面上（图）；●激发时炮孔中灌水，保证足够旳激发能量在岩层传播以及减少震源带来旳干扰；●假如围岩较软，打孔后轻易塌孔，需做好护孔工作，如使用PVC管支护；●爆炸孔尽量不在电缆线一侧；●爆炸孔布在隧道旳左右侧均可；●最终一种爆破孔尽量靠近掌子面。
●爆破孔、传感器孔，布孔示意图如下：2、现场配合1）施工单位提前2-3天报计划，即告知第三方预报单位；第一次预报施工断面需进洞深55米以上，每次预报长度为100m 左右，两次预报反复搭接长度为10m 左右。
2）假如要做TSP203地质超前预报，则需在每次报计划开始，同步进行打孔，检测单位抵达现场即可开始预报工作。
3）现场需要1名跟班技术员，2名炮工和2名杂工配合第三方进行预报工作。
4）在进行超前地质预报工作时，应停止掌子面及其附近旳施工作业。
二、地质雷达隧道地质超前预报本次采用旳地质雷达为意大利生产旳RIS-K2型，天线使用中心频率为200MHz 和80MHz 旳两种低频屏蔽天线。
有效探测距离在完整灰岩地段不小于20m ，在岩溶发育地段根据雷达波形鉴定。
TSP探测系统在隧道超前地质预报中的应用
点的传播时间及反射系数 ， 将反射体位置由时 间域 映射到 空间域 ， 应 进 行 地震 波 偏 移 处理 。 目前 地 震
波 偏移处 理方 法应用 较 多的主要 有 时间偏 移和深 度 偏 移 。在 常规 时 间偏 移 方 法 中 ， 由于 没 有考 虑 界 面 倾 斜 引起 的那 部 分偏 移 ， 结 果 误 差 往往 较 大 。而 深 度 偏移 基本 能够使 反 射 波 正确 归 位 ， 绕 射 波 自动 收 敛， 干 涉带 自动分解 ， 从 而得 到与掌 子面前 方地 质构 造 原像 极为 接近 的偏 移 图像 ， 其基 本 思 想 是 由 时 间 剖 面先 得到 普通 的偏 移 时 间剖 面 ， 再 对 偏 移后 的剖
Ｐ波偏 移剖 面
某 隧道 呈东 西 向展 布 ， 全长 ４ ０ ５ ｍ， 左 线 进 口端
洞 口桩 号 Ｋ ３ ５＋ ６ ５ ５， 出 口端 洞 口桩 号 Ｋ ３ ６＋ ０ ６ ０ ， 项
探。
事 件表 、 纵横 波速 和岩 体物性 参数分 析 ， 可 以得 出 比
较准 确 的超 前地质 预报 … 。
超 前地 质 预 报方 法 有很 多种 ， 按 探 测位 置 可 以
分 为地 面预报 和 掌子 面 预 报 ， 按 对 岩体 的作 用方 式 可 以分 为破坏 性 方法 和 非 破 坏性 方 法 ， 按 预 报距 离
面进行 校正 ， 从 而得 到 真 正 的深 度 剖 面 。 以深度 偏 移分 析为 主 ， 从构 造 分 析 出发 ， 结 合 反 射层 图 、 反射
[PPT]TSP隧道超前地质预报
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正极性-红色 负极性-兰色
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TSP在云南xx高速公路隧道超前地质预报中的应用
TSP隧道超前地质预报工作流程
TSP数据采集
TSP数据处理
TSP成果解释 波的运动学特征 波的动力学特征
传播路径 速度
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TSP在云南xx高速公路隧道超前地质预报中的应用
通过TSPwin软件计算的岩石物理及力学参数
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● 关于TSP解释准则 ■正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。 ■若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。 ■Vp/Vs增加或泊松比突然增大，常常由于流体的存在而引起。 ■若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。
目前我们正在智能化方面进一步研究和开发该技术，更好地为 隧道施工服务。
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TSP在云南xx高速公路隧道超前地质预报中的应用
谢谢大家！
欢迎各位领导、专家 批评指正
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TSP在云南xx高速公路隧道超前地质预报中的应用
●实例分析之五—关于煌斑岩—
■
DFYK隧道下行线
K255+047～K255+197 TSP预报
预报位置
设计K255+040～ K255+270为煌斑岩 TSP预报 煌斑岩范围 K255+160～K255+228
K254+998 K255+197
TSP在超前地质预报中处理与解译的研究
此过程中，必须要对处理参数进行正确的设置，才能够 得到一个合理的结果。要想得到最准确的预报结果，必 须确保速度分析的结果准确合理，保证速度分析结果合 理可靠，还需要确保反射波提取的信号合理可靠，而影 响反射波提取的重要因素是带通滤波参数和品质因子 Q。 2.1 带通滤波
滤波的主要目的是将信号加以约束，使有用的信号 从噪声中分离出来。而 TSPwin 采用的是“巴特沃斯” 滤波，其特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦， 没有起伏，可以避免任何信号的畸变，不会改变信号的 相位谱。对于滤波参数的确定，可在对数频谱图上大致 确定，有效信号与噪音的频谱特征完全不同。对比对数 频谱，有效信号的衰减一般情况下不会超过 30db，通常 以 25db 为有效信号的衰减底限。以初至波频率为中心， 向两端延伸，与对数谱衰减曲线相交的位置，可以设置
（1）反射系数 R 越大，反射振幅越大，反射界面 的波阻抗就越大。当 R ＞ 0 时，为正反射，此时地震波 为从软弱岩层向致密岩层传播；当 R ＜ 0 时，为负反射， 此时地震波为从致密岩层向软弱岩层传播。
（2）在各向异性介质中，地震波沿各个方向的速 度是不同的。而介质的各向异性对纵波的速度影响不大， 但对横波的影响很大，尤其是 SH 波。在裂隙发育带中， 介质表现出明显的各向异性，即在垂直裂隙走向和平行 裂隙走向的两个方向上，介质的横波传播速度有很大的 差异，因此根据纵波的分裂程度可以判断裂隙的方向。
1 TSP 基本原理 TSP 是地震反射波法的一种，采用了回声测量原理，
利用地震波在不均匀地质体中传播产生的反射波特性来 预报掌子面前方围岩的地质情况。在隧道边墙的岩体内 引爆少量炸药，便可产生地震波信号。信号在岩石中以 球面波前的形式传播，当岩石强度（波阻抗）的发生变化， 如破碎带或岩层变化，一部分信号发生反射，而其余信 号继续在岩体中传播。反射信号到达高灵敏度接收器的 时间可以测量，通过分析波在岩层中的传播速度，就可 以将反射信号的传播时间转换成距离（深度）。根据这 些信息，就可以确定岩性不连续的位置、与隧道轴的交 角及其到掌子面的距离。
TSP超前预报技术在隐伏构造探测中的应用
• 日益完善的超前地质预报体系
主要是各种解译技术、分析技术的成熟。
TSP超前预报设备的应用
反应最为明显： 对于与探测方向大角度相交的面状地质结构面 （断层破碎带、节理密集带、岩石力学性质差别 较大的接触界限、大管径的管状岩溶构造等）。 反应较为明显的： 软弱岩层、不整合接触界面、风化壳等
•
因此，明确我们超进行TSP前预 报的“目的”，是我们进行超前预 报的前提，可以使我们的工作“有 的放矢、目标明确”
宜万铁路某隧道特大突水事故照片
宜万铁路某隧道突水引起的山体滑坡
遂渝高速公路某隧道突泥所淤塞的隧道
遂渝高速公路某隧道突水引起的设备损坏
4、TSP的技术手段决定我们的 预报目的
• 成熟的传统工程地质方法
对于工作区的岩石、构造、地下水有一个初步的 了解。
• 各种先进的超前预报设备
主要有TSP200、 TSP202、 TSP203、TSP203Plus、 地质雷达、超前水平钻、红外探水、地表浅层物探 技术在内的设备大量使用。
在工作前隧道外的地质调查。
宏观预报是施工地质灾害超前预报不 可或缺的基础、是第一道工序。这其中设 计资料是十分重要的。
① 以深入的地面地质调查为基础， ② 通过区域不良地质分析方法， ③ 宏观预报洞体施工可能遇到的不良地质类型、 规模、大约位置和方向， ④ 宏观预报施工地质灾害的类型和发生的可能性。
从事超前地质预报工作，首先要有极强 的责任心，其次要有较高的地质、物探的 理论素养和知识，才能够较好地完成只想 工作。
1、拥有较好的地质知识
① 地下工程施工地区的工程地质评价
包括：岩石、构造、地下水、不良地质灾 害分析。
三、结论
①正确认识当前的超前地质预报的 作用和其局限性，充分发挥每一种 超前地质预报手段的功效，取长补 短是提高预报精度的重要因素。
TSP超前地质预报技术简报
渝湘高速公路H11标段平阳盖隧道右线出口TSP超前地质预报技术简报（预报里程：YK39+393~YK39+342 段一、任务依据及目的要求采用TSP200仪器对渝湘高速公路平阳盖隧道进行超前地质预报。
目的是探测隧道里程端YK39+393〜YK39+342段的地质情况。
二、TSP法原理简介TSP （Tunnel Seismic Prediction ahead ）法，即隧道前方地震预报法或超前地质预报法，它的基本原理如下：如图1所示（略，在隧道掌子面附近边墙一定范围内布置激发孔，通过在孔中人工激发地震波，所产生的地震波以球面波的形式在隧道围岩中传播，当围岩波阻抗发生变化时（例如遇岩溶、断层或岩层的分界面），一部分地震波将会被反射回来，另一部分地震波将会继续向前传播。
反射的地震波由高精度的接收器所接收并传递到主机形成地震波记录，图2（略对TSP200仪器采集的数据利用TSPwin软件进行处理，可以获得隧道掌子面前方的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、物理力学参数、各反射层能量大小等中间成果资料，同时还可得到反射层的二维和三维空间分布，根据上述资料预报隧道掌子面前方的地质情况，如软弱岩层、断层、裂隙等不良地质体。
三、工程地质概况本段隧道埋深296〜357m。
出露地层为吴家坪组，岩性主要为含炭质灰岩夹灰岩、灰岩中中含较多隧石结核，其次是铝土岩、炭质页岩，灰岩属硬质岩，铝土岩及炭质页岩为软质岩。
灰岩Rb=64.7〜73.3MPa,含炭质灰岩Rb=23.2〜24.5MPa,岩层走向与洞轴线垂直，穿越平阳盖向斜轴部，受构造影响较重，岩层层间结合较差，岩体较完整，为镶嵌碎石状结构，拱部无支护时，易产生挤压变形及小坍塌。
该段位于向斜轴部，地下水较丰富，在向斜核部及与铝土岩接触带及岩溶发育带易产生大量突水、突泥，以管道形式为主；在其余部位以淋水及股状涌水为主。
因该段隧洞出露的P2c、P2w组是强〜中等富水透水岩组，且地处平阳盖向斜核部，地表岩溶洼地、落水洞发育，加之隧道段存在〃大水井一岩门口〃地下暗河，故在向斜核部P2c、P2w组灰岩出露区内地下水的汇集径流比较容易，并容易在隧道段深部形成强径流区，又由于拟建隧道北部是暗河的排泄区，隧道处于地下水强径流带与深部循环带之间（隧道高程最高440m）,暗河管道高于隧道，隧道一旦形成，很有可能遇到中等发育的岩溶充水洞隙，若这些洞隙与暗河相通，在高水头及强降雨时期，将可能导致隧道大量涌水或产生岩溶塌陷，同时还将导致该暗河补给区内的大部分地表水涌入隧道。
超前地质预报超前地质预报主要内容超前地质预报概述
超前地质预报超前地质预报主要内容超 前地质预报概述
1.1、TSP超前地质预报原理
数据采集时通过依次激发隧洞一边侧墙等间隔炮孔， 产生以波形式向周围方向的能量传递，从掌子面前方任一 波阻抗差异界面反射的信号及直达波信号将被2个三分量 检波器接收，该过程所需时间约1小时。然后利用TSPwin 软件处理可得P波和S波波场分布规律，最终显示掌子面前 方与隧道轴线相交的反射同相轴及其地质解译的二维或三 维成果图。由相应密度值，可算出预报区内岩体物理力学 参数，进而可划分该区围岩工程类别。
二、超前地质预报的具体方法及认识
技 术 人 员 隧 道 内 进 行 地 质 雷 达 探 测
超前地质预报超前地质预报主要内容超 前地质预报概述
二、超前地质预报的具体方法及认识
超 前 水 平 钻 探 场 景
超前地质预报超前地质预报主要内容超 前地质预报概述
二、超前地质预报的具体方法及认识
技 术 人 员 在 隧 道 量 测 水 压
其原理是向岩体中辐射一定频率的高频地震波当地震波遇到波阻抗分界面时将发生折射反射频谱特征也将发生变化通过探测反射信号接收频率为声波频段的地震波求得其传播特征后便可了解工作面前方的岩体特震源和检波器的布臵除离开开挖面对施工干扰较小外还因反射波位于直达波面波延续相位之外而不受干扰因此记录清晰信噪比高反射波同相轴明显
准确预报施工前方地质条件是隧道建设的迫切需要，是确 定工程对策、工程措施的关键，是工程施工安全的前提，是 控制和合理运用工程投资的重要因素。
因此，世界各国都把此类问题列入重点研究课题进行攻关。 我国自六、七十年代修建成昆铁路线时开始开展此项工作。 八十年代以来，特别是近几年，由于铁路基础建设大发展的 需要，铁路系统隧道施工超前地质预报技术得到了长足的发 展，尽管如此，还没有哪一种仪器和设备能解决所有的地质 问题，预报理论与技术仍需完善，仪器和设备仍需不断更新 改进，仍然属于边生产边科研性质的技术。
TSP超前预报现场测试、数据分析及结论
TSP超前预报现场测试、数据分析及结论1．现场测试2009年8月22日，椿树垭隧道进口开挖至K1535＋650 处。
2009年8月21日下午进口施工现场布置钻孔、钻制激发炮孔和接收器孔，22日上午进行现场数据采集工作。
接收器位置在K1536+702处，设在右侧洞壁处（面向工作面）。
炮孔与接收器孔的空间设计位置见表2。
数据采集时，采用X-Y-Z三分量同时接收，采样间隔62.5μs，记录长度450ms （7218采样数）。
激发地震波时，采用无爆炸延期的瞬发电雷管，防水乳化炸药（药卷包装，200克/卷），激发药量为50-67克/孔，起爆前注水封堵炮孔。
现场实际激发24炮，24炮参与数据处理，个别炮孔耦合不佳，产生一定的爆破噪声干扰，影响数据质量，对预报结果有一定影响。
2．处理结果解释与评估采集的数据采用TSPwin light2.1专用软件进行处理。
处理时，首先正确输入隧道及炮点和接收点的几何参数。
剔除质量差的记录道。
质量合格的地震道才用于数据处理和解释。
处理的最终成果包括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，以及反射层二维分布等。
本次预报出解译结果见表3。
预报相应探测解译成果图见图4。
表3 椿树垭隧道进口段TSP超前地质预报解译成果表3．预报结论根据以上的探测和解译工作，可以得出如下几点结论：(1)在所预报范围内，围岩以Ⅳ级围岩为主，部分地段可达Ⅲ级，岩体完整、稳定性较差，弱风化白云岩、灰岩，节理裂隙发育，岩质坚硬，岩体破碎，易掉块，欠稳。
(2)探测范围内无大的断层破碎带、含水体等不良灾害体存在，仅局部发育小规模的构造破碎带，含少量裂隙水。
(3)推测K1536+599-589、K1536+563-552段构造破碎带较发育，注意谨慎施工。
(4)本次解译的岩溶裂隙破碎带位置、规模，可能受数据采集质量影响，与实际有所差异，具体位置和规模以现场实际开挖揭示为准。
(5)所给围岩级别仅供参考，实际情况应以现场实际开挖揭示为准。
TSP地质超前预报
DFYK隧道超前预报深度偏移剖面和设计地质剖面 DFYK隧道超前预报深度偏移剖面和设计地质剖面
TRT超前预报技术 超前预报技术
TRT技术的全称是“真正反射层析成像”（True Reflection Tomography ）是由美国NSA工程公司90年代末开发的，本世纪初在欧洲、亚洲开始 应用。应用TRT技术进行超前预报的第一个例子是在Blisadona隧道。该 隧道的实验表明在坚硬的结晶岩地段，TRT技术可预报长度100-150m， 在软弱土层和破碎岩体地段可预报60-90m。另一成功的例子是奥地利的 过阿尔卑斯山的铁路双线隧道，隧道长1076米，段面积100m2。 施工中 进行了全程的超前预报，对于岩性变化界面和断裂破碎带等进行了预报 ，其结果与施工揭露的地质情况基本一致。TRT方法在观测方式和资料 处理方法上与TSP和‘负视速度法’有很大不同。在观测上，虽然TRT也 是利用反射地震波，但它采用的是空间多点接收和激发。检波器和激发 的炮点呈空间分布，以充分获得空间波场信息，以提高不良地质体的定 位精度。这与前两种反射法的观测方式明显不同。TRT资料处理方法的 重要关键技术是速度扫描和偏移成像，不需要读走时。这种方法对岩体 中反射界面位置的确定、岩体波速和工程类别的划分等都有较高的精度 ，应该说较TSP方法有较大的改进。
图2 反射地震“负视速度法”超前预报观测与分析示意图（何振起，2000） Fig.2 Observe system and analysis of Seismic Reflection prediction (after He,2000)
TSP超前预报方法 超前预报方法
TSP 超 前 预 报 方 法 （ Tunnel Seismic Prediction） 是 由 瑞 士 ） Amberg测量技术公司 年代初开发的，90年代中期推向市场，用于隧道超 测量技术公司90年代初开发的 年代中期推向市场， 测量技术公司 年代初开发的， 年代中期推向市场 前预报。其工作原理也是隧道内反射地震方法，但处理方法有独到之处。 前预报 。 其工作原理也是隧道内反射地震方法 ， 但处理方法有独到之处。 该方法在国欧洲、亚洲有广泛的应用，中国也先后引进了该公司的TSP202、 该方法在国欧洲、亚洲有广泛的应用，中国也先后引进了该公司的 、 TSP203等超前预报系统。 TSP的观测是由一个三分量检波器承担，埋入隧 等超前预报系统。 的观测是由一个三分量检波器承担， 等超前预报系统 的观测是由一个三分量检波器承担 道侧壁岩体中1-1.5m，炮点设与侧壁岩体内，等间距排列，与接收点在一条 道侧壁岩体中 ，炮点设与侧壁岩体内，等间距排列， 平行隧道走向的直线上，这与国内的采用‘负视速度法’ 平行隧道走向的直线上 ， 这与国内的采用 ‘ 负视速度法 ’ 的观测方式基本 相同。 方法与国内的‘ 相同。TSP方法与国内的‘负视速度法’的主要区别是在资料处理方法上， 方法与国内的 负视速度法’的主要区别是在资料处理方法上， TSP不采用走时曲线分析方法，而是采用深度偏移成像方法。在偏移成像之 不采用走时曲线分析方法， 不采用走时曲线分析方法 而是采用深度偏移成像方法。 前进行二维Radon变换，利用视速度的差异，消除与隧道走向近乎平行的反 变换， 前进行二维 变换 利用视速度的差异， 射界面。该方法对纵、横波P、 、 分别进行处理 应该说TSP技术在 分别进行处理。 射界面 。 该方法对纵 、 横波 、SV、SH分别进行处理。 应该说 技术在 隧道反射地震方面是做得比较好的，有较好的实用性。但是由于TSP的观测 隧道反射地震方面是做得比较好的，有较好的实用性。但是由于 的观测 方式的限制，不可能对断层的产状、 方式的限制 ， 不可能对断层的产状 、 位置和岩体波速等参量同时给出准确 的结果，因而在定位精度和岩体类别划分方面还有待改进。应用TSP202技 的结果，因而在定位精度和岩体类别划分方面还有待改进。应用 技 术在株六复线的新倮纳铁路隧道施工中进行了超前预报， 术在株六复线的新倮纳铁路隧道施工中进行了超前预报 ， 结合工程地质分 取得了很好的效果。在云南元磨高速公路的大风垭口、 析 ， 取得了很好的效果 。 在云南元磨高速公路的大风垭口 、 布垅箐隧道的 施工中使用TSP203进行了全程超前预报，取得了很好的地质效果。 进行了全程超前预报， 施工中使用 进行了全程超前预报 取得了很好的地质效果。
TSP超前地质预报
乐自高速公路LJ08标段长山隧道隧道工程第三方监测地质超前预报检测报告（里程：右线：K55+828～K55+978,长150m）建设单位：山东省高速集团乐宜公路有限公司施工单位：中交第四航务工程局有限公司监理单位：四川省公路工程咨询监理公司监测单位：西南交通大学结构工程试验中心长山隧道项目部西南交通大学二Ｏ一一年五月二十二日目录一、工作概况 (1)二、探测的方法、设备及原理 (1)三、测线布置 (2)四、测试结果初步分析 (2)五、结论及建议 (3)六、成果图表 (5)一、工作概况西南交通大学受施工单位中交四航局乐自高速公路工程第八合同段项目部委托，于2011年5月21日对四川省自贡市乐自高速LZ08标长山隧道进口右线K55+828~ K55+978范围段，根据TSP技术方法，采用TGP206隧道地质超前预报仪进行隧道地质超前预报。
在青岛公路建设集团的大力配合下，检测小组在右线隧道内左壁布设了24个激发孔，左右壁各布设了1个接收孔，顺利完成了隧道地质超前预报隧道内作业部分。
隧道地质超前预报为开挖指明工作面前方概略的地质轮廓，使施工人员对不良地质的变化作好思想准备，为后续施工提供地质参考资料。
二、探测的方法、设备及原理1．检测原理TSP法是利用地震波反射回波方法测量的原理。
地震波震源采用小药量炸药激发产生，炸药激发在隧道边墙的风钻孔中，通常24个炮孔布置成一条直线。
地震波的接收器也安置在孔中，一般左右洞壁各布置一个。
地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时，例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带等，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质继续传播。
反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收，反射信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比，因此通过测量直达波速度、反射回波的时间、波形和强度，可以达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的。
在一定间隔距离内连续采用上述方法，结合施工地质调查，可以得到隧道围岩的地质力学参数，如动弹性模量、动剪切模量和动泊松比参数等。
TSP超前地质预报系统的缺陷及改进方向
TSP超前地质预报系统的缺陷及改进方向向俊燃;许颖【摘要】随着我国大量铁路、公路、水电隧道的修建,以地震波法为原理的TSP超前地质预报系统在我国被广泛引进使用.通过在各种复杂地质条件下的应用,TSP系统的缺陷也慢慢引起了人们的关注.本文通过对TSP系统预报原理、观测系统、反演程序的介绍,指出TSP的3点缺陷:①不能对含水体进行定量预报;②主观、客观因素导致多解性;③对细小地质体的识别有限导致漏解性.同时提出TSP系统的改进方向,具体为:①减少主观因素影响,建立3D立体观测系统;②将其余物探信息与TSP 结合形成联合反演机制;③与其他超前地质预报技术相结合,建立综合超前地质预报体系.【期刊名称】《四川建材》【年(卷),期】2018(044)011【总页数】4页(P91-93,95)【关键词】TSP;地震波;地质预报;缺陷;改进【作者】向俊燃;许颖【作者单位】兰州大学,甘肃兰州 730000;西南交通大学,四川成都 610031【正文语种】中文【中图分类】U452.110 前言TSP(Tunnel Seismic Prediction)是20世纪90年代瑞士Amberg测量技术公司自主研发的应用于隧道等地下工程的超前地质预报系统。
我国先后引进了TSP202、TSP203、TSP303预报系统,并广泛应用于山岭隧道[1-2]、海底隧道[3-4]、岩溶隧道[5]等地质条件复杂的隧道建设中。
在TSP的超前预报应用中,出现了一些失误案例[6-7],如：桃花铺隧道中预报出开挖后不存在的10余条断层和含水带,歌乐山隧道中未预报出掌子面前方存在的岩溶与含水断裂,圆梁山隧道中未预报出掌子面前方有岩溶危险,棋盘石隧道中将岩溶淤泥带中的泥夹石错误预报为暗河溶腔。
这些错误的预报结果,尤其是对不良地质体的漏报,导致涌水涌泥灾害,造成人员伤亡事故,给国家和人民造成了严重的损失。
为了避免类似事故的发生,有必要对TSP的缺陷及改进进行相关研究。
TSP地质超前预报报告
新建山西东南铁路通道洪洞北至汤阴东段TSP地质超前预报报告第01号合同段：施工单位：中铁三局集团有限公司隧洞名称：太岳山隧道1号斜井预报范围：XⅠDK0+449～XⅠDK0+349参加人员：赵中旺刘晓斌李忠报告编写：李忠石家庄铁道学院桥隧施工地质研究所2010年7月20日一、概述新建山西东南铁路通道洪洞北至汤阴东段太岳山隧道位于山西省临汾市古县旧县镇与安泽县之间，是重、难点工程，也是控制工程。
隧道起讫里程为DK392+930～DK409+124，全长16194m。
为单洞双线隧道。
隧道位于中低山丘陵区,通过地层主要水平状泥岩、砂岩；全隧道估算正常涌水量8594m /d，最大涌水量20393m /d。
主要不良地质为进口段浅埋黄土以及全隧道水平泥岩夹砂岩拱部易垮塌地层。
隧道设5座施工斜井作为辅助坑道。
其中1号斜井位于线路前进方向右侧，与线路中线交点里程DK396+115，斜井斜长522.74m；采用无轨运输单车道衬砌断面，斜井综合纵坡为9.6%。
隧道穿越太行山中山区的主脉区，隧道平均海拔360～1420米，相对高差150～900米，山势陡峻，沟深坡陡，植被稀疏，“V”型季节性构造沟谷发育，降水量不大但相对集中。
隧道施工区围岩主要是古生代震旦纪的石英砂岩、页岩、泥灰岩，寒武纪的页岩、砂岩、泥岩，上部覆盖第四纪坡积物。
岩石受到地质历史上多期构造活动的影响，构造裂隙发育，其中岩体破碎，岩层软硬不均，自稳性差，风化强烈，节理密度很大，多以剪节理性质的构造裂隙出露,且山体偏压严重，石灰岩中发育有岩溶等多种不良地质构造，在施工的过程中易发生崩塌、掉块、侧壁失稳等不良地质灾害，危及施工的安全。
隧道围岩赋存地下水埋以岩溶水、基岩裂隙水和松散岩类孔隙水为主。
裂隙水主要赋存于强～中等风化基岩及断裂破碎带中，局部地段地下水活动强烈，会加剧围岩的风化程度，造成围岩失稳。
孔隙水主要赋存于地表残坡积物中，基岩面为其活动的主要地带，孔隙水的活动会造成残坡积物沿基岩面滑塌。
隧道地质超前预报技术-
宜万铁路隧道突水事故
位于巴东县野 三关镇的大山深 处，全长3.65公 里，所处山体岩 溶发达、水系丰 富，地质结构异 常复杂，是沪蓉 西高速公路最为 艰难的关键控制 性施工项目。
野三关隧道８.５突水突泥及整治
2007年8月4日晚，野三关隧道出口I线DK124＋ 602掌子面爆破、排险后正常出碴，5日凌晨0:57分， 出碴接近尾声时，装载机司机突然发现掌子面后右 侧向上涌水，随即撤离出井报警。
The results of a rockburst in an underground mine in brittle rock subjected to very high stresses
（3）块状围岩的掉块、崩坍破坏： 主要是受到不同结构面相互组合所控制
宜万铁路隧道发生岩崩 载有30人客车被埋
什么是隧道超前地质预报 ？！
隧道超前地质预报：就是利用 一定的技术和手段收集隧道所在岩 体的有关资料，并运用相应的理论 和规律对这些资料进行分析、研究 ，从而对施工掌子面前方岩体情况 或成灾可能性做出预报。
地质预测预报设备表
地质超前预报的提出
我国目前正在进行的大规模的基础设施建设中，包括有大 量的铁路、公路、引水等隧道（隧洞）建设，其中有不少隧道 处在复杂岩性、构造、高地应力地区，有些地区甚至被专家称 为“地质博物馆”。
隧道地质超前预报 技术-
一、地质超前预报的提出
隧道是修筑在岩体、土体或水底的，两端有 出入口的，供车辆、行人、水流、及管线等通过 的通道。
包括交通运输方面的铁路、道路、水（海） 底隧道和各种水工隧洞。
隧道设计及施工之前，要对拟建隧道工 程地段的工程地质条件进行详细勘察；
但由于岩体的复杂性，使得勘察所获得 的资料及隧道开挖后实际揭露出来的情况可 能会有较大的出入。
TSP探测在超前地质预报中存在的问题及解决方法
TSP探测在超前地质预报中存在的问题及解决方法摘要准确预报开挖前方的地质条件是隧道建设者们的迫切要求。
近几十年来世界各国都把这类问题列为重点的研究课题。
准确而有效的超前地质预报工作，不仅可为施工单位节约大量成本，加快施工进度，更重要的是提高隧道工程的施工质量，所以隧道施工中超前地质预报应用也越来越广泛。
本论文首先简单介绍了TSP 探测技术的基本原理。
其次，简单分析了一下TSP探测在使用过程中存在的问题和对如何提高探测的准确度。
最后，针对TSP 探测存在的问题，提出解决方法。
其中重点总结突出TSP探测在隧道、涵洞等施工中的重要性。
超前地质预报能使施工单位准确、全面地掌握隧道开挖山体的地质情况，对超前地质预报一定要准确进行。
超前地质预报能是施工单位确定施工方案，选择施工工艺，确定衬砌类型，开挖方式，爆破方式等。
超前地质预报是施工的指南针，TSP探测是超前地质预报的指路明灯。
关键词：TSP探测误差雷达地震波隧道超前炮孔地质ABSTRACTAccurately forecast the geological con diti on in front of the excavatio n is the urge nt request of tunnel builders.AII coun tries in the world in rece nt decades to such problems as the research subject.Accurate and effective adva nee geological forecast work, not only can save a lot of cost for con structi on un it, to speed up the con structi on progress, more importa nt is to improve the quality of tunnel engin eer ing con structi on, so adva nee geological forecast in tunnel con structi on is beco ming more and more widely applied.This paper first briefly introduces the basic principle of TSP detection tech no logy.Sec on dly, a simple an alysis of the TSP explorati on on the problems existing in the use process and how to improve the accuracy of detection.Finally, aiming at the existing problem of the TSP exploration, and put forward soluti on s.Highlight the TSP detect ing which emphatically summarized importa nee in con structi on of the tunn el, culvert, etc.Adva nee geological forecast can make the con structi on unit accurately and comprehe nsively grasp the geological situatio n of mountain tunnel excavati on, to adva nee geological forecast must be accurate.Ca n adva nee geological forecast is the con structi on un it to determ ine eon structi on scheme, eon structi on tech no logy, determine the lining type, excavation method, blasting methods and so on.Advaneed geological prediction is the eonstruction of the compass, the TSP detect ing is the beac on to adva nee geological forecast.Key Words：tunnel-seismic-prediction error radar seismic-wave tunnel look-ahead hole geology目录摘要错误！未定义书签。
TSP超前地质预报技术简报.
渝湘高速公路H11标段平阳盖隧道右线出口TSP超前地质预报技术简报(预报里程：YK39+393～YK39+342段一、任务依据及目的要求采用TSP200仪器对渝湘高速公路平阳盖隧道进行超前地质预报。
目的是探测隧道里程端YK39+393～YK39+342段的地质情况。
二、TSP法原理简介TSP（Tunnel Seismic Prediction ahead）法，即隧道前方地震预报法或超前地质预报法，它的基本原理如下：如图1所示(略，在隧道掌子面附近边墙一定范围内布置激发孔，通过在孔中人工激发地震波，所产生的地震波以球面波的形式在隧道围岩中传播，当围岩波阻抗发生变化时（例如遇岩溶、断层或岩层的分界面），一部分地震波将会被反射回来，另一部分地震波将会继续向前传播。
反射的地震波由高精度的接收器所接收并传递到主机形成地震波记录，图2(略对TSP200仪器采集的数据利用TSPwin软件进行处理，可以获得隧道掌子面前方的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、物理力学参数、各反射层能量大小等中间成果资料，同时还可得到反射层的二维和三维空间分布，根据上述资料预报隧道掌子面前方的地质情况，如软弱岩层、断层、裂隙等不良地质体。
三、工程地质概况本段隧道埋深296～357m。
出露地层为吴家坪组，岩性主要为含炭质灰岩夹灰岩、灰岩中中含较多隧石结核，其次是铝土岩、炭质页岩，灰岩属硬质岩，铝土岩及炭质页岩为软质岩。
灰岩Rb=64.7～73.3MPa，含炭质灰岩Rb=23.2～24.5MPa，岩层走向与洞轴线垂直，穿越平阳盖向斜轴部，受构造影响较重，岩层层间结合较差，岩体较完整，为镶嵌碎石状结构，拱部无支护时，易产生挤压变形及小坍塌。
该段位于向斜轴部，地下水较丰富，在向斜核部及与铝土岩接触带及岩溶发育带易产生大量突水、突泥，以管道形式为主；在其余部位以淋水及股状涌水为主。
因该段隧洞出露的P2c、P2w组是强～中等富水透水岩组，且地处平阳盖向斜核部，地表岩溶洼地、落水洞发育，加之隧道段存在"大水井－岩门口"地下暗河，故在向斜核部P2c、P2w组灰岩出露区内地下水的汇集径流比较容易，并容易在隧道段深部形成强径流区，又由于拟建隧道北部是暗河的排泄区，隧道处于地下水强径流带与深部循环带之间（隧道高程最高440m），暗河管道高于隧道，隧道一旦形成，很有可能遇到中等发育的岩溶充水洞隙，若这些洞隙与暗河相通，在高水头及强降雨时期，将可能导致隧道大量涌水或产生岩溶塌陷，同时还将导致该暗河补给区内的大部分地表水涌入隧道。
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TSP超前地质预报QB/ZTYJGYGF-SD-0204-2011广州分公司任晓锋屈强1 前言1.1 TSP超前地质预报概况TSP地质超前预报是勘察设计阶段以后工程地质工作的继续，主要目的为探测或预测开挖工作面前方围岩工程地质和水文地质情况，获取详细可靠的地质信息，如围岩类别、断层带和破碎带位置、性质、规模、富水等，进行信息反馈。
并对探测到的地质情况进行综合分析，做出判断，提出地质预报成果，作为指导施工和优化支护参数、围岩类别变更等动态设计的依据。
1.2 TSP超前地质预报原理隧道地震波法（简称TSP），其原理是通过小药量爆破所产生的地震波信号沿隧道方向以球面波的形式传播，在不同岩层中地震波以不同的速度传播，在其界面处被反射，并被高精度的接收器接收。
通过计算机软件分析前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状况等，最终显示屏上显示各种围岩构造界面与隧道轴线相交所呈现的角度及掌子面的距离，并可初步测定岩石的弹性模量、密度、泊松比等参数以供参考。
2 工艺工法特点地质超前预报工作可进一步查清因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题，根据掌握的地质灾害前兆和超前预测预报地质灾害，及时改进施工方法，调整施工工艺，确定防灾预案，进而指导工程施工的顺利进行；施工地质工作可降低地质灾害发生的机率，在隧道施工阶段，TSP超前地质预报技术是保证隧道顺利安全施工的重要地质预报手段，但需辅以其它地质预报手段，才能保证其精度。
3 适用范围该法适用于复杂地质的公路、铁路等隧道工程施工，用于划分地层界线、查找地质构造、探测不良地质体的厚度和范围，但仪器在作业过程中对环境的要求较高，若噪声过大则会影响采集数据的准确性。
4 主要引用标准4.1《铁路隧道超前地质预报技术指南》（铁建设【2008】105号）、《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》(铁建设[2005]160号)、《铁路隧道施工规范》(TB10204) 、《公路隧道工程施工技术规范》（JTG F60）。
4.2设计图纸、合同文件。
5 施工方法5.1地震波反射法连续预报时前后两次应重叠10m以上，预报距离应符合以下要求：5.1.1在软弱破碎地层或岩溶发育区，一般每次预报距离100m左右，不宜超过150m。
5.1.2在岩体完整的硬质岩地层预报时，距离在200m以内较为精确。
5.1.3隧道位于曲线上时，预报距离不宜太长。
5.2接收器钻孔的布置要求5.2.1距掌子面约50m，距第一爆破孔15～20m。
5.2.2必须在隧道两壁各安置1个接收器，接收器安置高度与炮孔一致。
5.2.3孔径42~45mm，孔深2m，应根据采用的藕合材料确定接收孔上倾还是下倾。
一般情况下，钻孔倾角应垂直隧道轴向，上倾5°～10°。
5.2.4接收器与孔壁的藕合必须紧密，施测时隧道中应没有其它振动源。
5.3采集信号时避免以下缺陷5.3.1隧道内记录填写混乱，记录序号（放炮号）与炮孔号对应关系不清；5.3.2采用非瞬发电雷管激发，或者初至波时间出现无规律波动（延迟）；5.3.3连续2炮以上（含2炮）记录不合格或空炮，或者存在相邻的不合格记录或空炮；5.3.4空炮率大于15%。
6 工艺流程及操作要点6.1 TSP超前地质预报流程图图1 TSP超前地质预报流程图6.2工艺参数TSP有效预报距离应达到：A级地段100米，B、C级地段150米。
需要预报区段大于有效预报距离时应多次预报，两次预报重复长度不小于10米；参考既有资料、地质素描、洞内外水文调查等资料。
6.3操作要点及注意事项6.3.1观测系统设计1 收集隧道相关地质勘查和设计资料2 根据隧道施工情况及地质条件，确定接收器（检波器）和炮点在隧道左右边墙的位置。
3 接收器和炮点位置应在同一平面和高度上。
4 隧道情况特殊或需要探测复杂地质隐患时，必须根据相关理论精心设计观测系统。
6.3.4安装套管1 用环氧树脂、锚固剂或加特殊成分的不收缩水泥砂浆作为耦合剂，安装接收器套管；2 用电子倾角测量仪器量接收器的几何参数，并做好记录。
6.3.5填装炸药1 填装炸药前，用电子倾角测量仪和钢卷尺测定炮孔的倾角和深度，并做好记录；2 炸药量的大小应通过试验确定；3 用装药杆将炸药装入炮孔的最底部；4 在激发前，炮孔应用水或其他介质填充，封住炮孔，确保激发能量绝大部分在底层中传播。
6.3.6仪器安装与测试1 用清洁杆清洗套管内部；2 将接收单元插入套管，并应确保接收器的方向正确；3 采集信号前应对接收器和记录单元的噪声进行测试。
6.3.7数据采集1 设置采集参数：采集参数主要包括采样间隔、采集数、传感器分量以及接收器；2 噪声检查：数据采集前，应对仪器本身及环境的噪声进行监测。
仪器工作正常，噪声振幅峰值小于78dB时，方可引爆雷管炸药，接收记录；3 数据记录：放炮时，准确填写隧道内记录，在放炮过程中应采用炮序号递增或递减的方式进行，确保炮点号正确。
6.3.8内业资料分析与判释由取得相关试验检测证件的专业工程师进行数据分析，并提交以下资料：1 现场数据记录表；2 X、Y、Z三个分量的原始波形记录；3 频率谱；4 纵横波分离后的P、SH、SV波形图；5 P、SH、SV的极度偏移图（横坐标为里程）；6 二维结果图（横坐标为里程）；7 反射面提取图；8 岩石参数曲线图（横坐标为里程）；9 电子文档。
7 劳动力组织表1 地质核查及地质超前预报组成员表8 主要机具设备表2 隧道施工地质工作所需主要仪器设备表9 质量控制9.1在每一炮数记录后，应显示所记录的地震道，据此对记录的质量进行控制。
9.2用直达波的传播时间来检查放炮点的位置是否正确，以及使用的雷管是否合适。
9.3根据型号能量，检查信号是否过强或过弱，若直达波信号过强或过弱，应将炸药适当减少或者增加。
9.4根据初至波信号的特性，对信号波形进行质量控制，若初至后出现鸣震，表明接收器单元没有与围岩耦合好或可能是由于套管内污染严重造成，这样应清洁套管或重新插入接收器单元，直至信号改善为止。
9.5根据每一炮记录特征，了解存在的噪声干扰，必要时应切断干扰源，同时也可检查封堵炮孔的效果。
9.6对记录质量不合格的炮，应重新装炸药补炮，接收和记录合理的地震道。
10 安全控制10.1安全注意事项10.1.1所有工作人员进入隧洞内必须戴安全帽。
10.1.2炸药、雷管必须根据需要领取，不得多领。
10.1.3炸药、雷管必须有专人看管，使用前必须分开。
10.1.4雷管不能放在接近电源的地方。
10.1.5测试时必须设立安全警示员。
10.1.6连接导线时工作人员不得正对着炮孔。
10.1.7连接导线、灌水的工作人员未撤离到安全位置启爆器不得充电，不得放炮。
10.1.8测试时接收器到掌子面段不得有其他无关人员。
10.1.9测试时保证隧洞内的通风和照明。
10.1.10钻孔完成后应采取措施保护，防止塌孔。
10.2爆破要求10.2.1遵守《爆破安全规程》的规定；10.2.2使用毫秒级无延迟电雷管（瞬发电雷管）；10.2.3炸药量应大于200m探测距离要求，一般50g～75g，最多不大于150g。
10.2.4应保证炸药与炮孔严密藕合。
所有炮孔必须采取堵孔和注水措施。
10.2.5在放炮之前应注意噪音监视，选择干扰幅度最小时放炮。
数据处理时选择合适的滤波窗口，尽可能的予以消除。
11 环保措施11.1避免炸药爆炸产生的有害气体和粉尘含量，减少对空气的污染，节约炸药等能源的消耗。
11.2及时清理垃圾，避免乱倒引起环境污染。
12 施工实例12.1工程概况及地质特征由中铁一局集团广州分公司承建的沪昆客运专线赵角湾2号隧道位于湖南省芷江县竹坪铺乡及土桥乡。
隧道起讫里程为DK376+119~DK380+075,全长3956m,为单洞双线隧道，最大埋深187.52m，隧道区为低山丘陵地貌。
此次TSP超前地质预报在赵角湾2号隧道出口进行,掌子面（DK379+892）地层岩性情况为：砂岩，弱风化，钙质胶结间泥质胶结，红褐色，青灰色，节理裂隙发育，岩体稍完整，右侧局部强风化，褐黄色，节理裂隙发育，岩体较破碎，层理近水平，偶有掉块现象，无基岩裂隙水。
围岩等级为Ⅲ级。
12.2施工情况12.2.1测点位置设置预报时掌子面位于DK379+892里程处，在DK379+945里程处布置预报接收孔，接收孔距掌子面53m。
TSP现场数据记录见附表1。
12.2.2测线测点布置在正洞右边墙（面向掌子面）的同一水平线上从外向里布置一个传感器钻孔和24个炮孔，传感器钻孔距第一个炮孔15m，炮孔间距1.5m，炮孔高度约1.5m，如图2所示。
12.2.3预报成果本次TSP检测实际激发20炮，数据采集记录均合格，可用于数据处理和解释。
经过专用软件对有效数据进行处理，通过对二维结果图（附图1）和设计资料的综合分析，主要存在问题的区段如下：表3 主要存在问题的区段12.2.4预报结论及建议1 预报结论表4 预报结论表DK379+749～+738Ⅲ级2 施工建议通过此次探测，在探测中DK379+888～+872、DK379+849～+842、DK379+782～+756、DK379+748～+744段节理裂隙较发育，岩石硬度降低，可能岩质软弱，岩体破碎；在DK379+873处、DK379+849～+842、DK379+818～+810、 DK379+804～+797、DK379+782～+767、DK379+748～+744段附近有可能发育地下水。
建议施工过程中对此段围岩严格施做加长炮孔探测，对不良地质段加强围岩支护，对地下水发育段做好防排水工作，以保证施工安全。
12.3工程结果评价采用TSP对前方地质情况进行超前预报，可进一步查清因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题，根据预报结果，及时改进施工方法，调整施工工艺，确定防灾预案，进而指导工程施工的顺利进行；地质预报可降低地质灾害发生的机率；通过开展施工地质工作，为变更设计提供地质依据；为编制竣工文件提供地质依据。
12.4施工附图图3 炮孔检查图4 炸药安装图5 检波器安装图6 数据接收附图1：2D 成果显示及岩石力学参数曲线附表1：TSP现场数据记录表附表2：围岩岩体物理力学参数表附图1 2D 成果显示及岩石力学参数曲线图附表1 TSP现场数据记录表附表2 围岩岩体物理力学参数表。