TSP法地质超前预报技术在隧道工程中的运用

Ｔ　Ｓ　Ｐ法地质超前预报技术在隧道工程中的运用　刘纪明吴雷雷　摘　要：以昆明至安宁高速公路碧鸡关隧道为　背景。在隧道开挖过程中，对掌子面前方岩性进　行准确预报，能有效防止工程事故、加快施工进　度及保证工程质量。目前常用的地质超前预报　方法可归为破坏法和非破坏法两类，其中非破　坏法中的ＴＳＰ（ｔｕｎｎｅｌ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ隧道　地震波预报】，它具有预报距离长、预报费用低和　探测时间短等独特优越性。本文对ＴＳＰ技术原　理和数据采集、处理系统在国内外隧道工程中　的成功应用情况作一些探讨。　关键词：隧道：超前预报：地震波：ＴＰＳ　中图分类号：Ｕ４５６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１　００８－０４２２（２００６）０６—０１　０９—０３　收稿日期：２００６—０８—２１　作者简介：刘纪明（１９４９一】，男（汉族），江苏靖江人　工程师；吴雷雷，工程师。　１　地质超前预报的常用方法及其优缺点　地质超前预报可以预测掌子面前方的地质情况：如断层构造及断层破碎带，煤层、瓦　斯、天然气、硫化氢赋存条件，采空区状况，岩溶、空洞、裂隙及其规模和充填情况，地下水赋　存状态及可能突水、涌水的位置以及水量的大小和软弱围岩及不同类别围岩的界面等。　目前常见的地质超前预报方法可归为两类，一类属破坏法，另一类属非破坏法。破坏法　是指用破坏的方法凿开隧道直接取样，它包括地质法、超前平行导坑法和超前水平钻孔法：　非破坏法也就是物理方法，利用岩石的物理性质来判别，它包括有声测法、电测法和波反射　法。波反射法也可以分为电磁波反射法和地震波反射法。　受各种条件的限制，不同的隧道施工地质超前预报方法有各自的优点，也存在各自的　缺点。地质法是指用地质锤、放大镜和地质罗盘等野外地质工具直接观察岩石的岩性，并判　断周围的岩性。地质法有可靠的理论基础，不占或很少占用施工时间，适用性强，成本低，操　作简便，但靠有限之“见”预报范围很有限，特别是在地层岩性变化极为复杂（女口强烈褶皱地　层）的隧道中预报的难度很大。　超前平行导坑法是在要开挖的隧道附近开挖一段平行的小断面导坑，该法具有地质法　的优点，但投资大，且隧道与导坑间距过大、地层变化复杂时准确率明显降低，因此适用于　设计间距较小、地层受构造变动小的平行隧道工程。　超前水平钻孔法是用钻探设备向掌子面前方钻探，从而直接揭示隧道掌子面前方地层　岩性、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩石（体）的可钻性、岩体完整程度等资料，　还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，是最直接有效的地质超前预报方法，但一次　钻探距离短，费用高且占用施工时间长。　声测法是利用声波在岩石中的传播规律来判别岩石性质的一种方法。声测法占用施工　时间短，但预报距离受孔深限制，一般小于１５ｍ。　电测法是根据岩石与电阻的关系来推断其性质的一种方法，可以分为电位法和电阻率　法。电测法简便、成本低，但必须是以各层间电阻值有一定的差别为前提。　波反射法常见的有地质雷达法和ＴＳＰ隧道地震波法：　地质雷达（Ｇｒｏｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　Ｒａｄａｒ简称ＧＰＲ）是利用无线电波检测地下介质分　布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部形态和位置的电磁技术。其分辨率　高、无损伤、探测和数据处理速度快、机动灵活、施作方便、抗干扰能力强，可对隧道一定范　围内进行全方位探测，但是其预报距离较短，只能预报掌子面前方４０Ｎ５０ｍ处的工程地　质、水文地质条件，而比较准确预报的距离只有十几米。　ＴＳＰ法（Ｔｕｎｎｅｌ　Ｓｅｉｓｍｉｃ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ）是由瑞士Ａｍｂｅｒｇ量测技术公司为隧道及地下　工程施工期地质超前预报而研制开发的，它的预报范围是地质雷达的４—１２倍，预报费用是　超前水平钻探的１门ＯＮ１／２０。它有以下优点：　（１）适用范围广，即适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。　（２）预报距离长，理论上能预报掌子面前方５００ｍ，考虑地震波干扰等因素能准确预报　掌子面前方１　ＯＯＮ３５０ｍ。　（３）对隧道施工干扰小，它只要求在接收信号时为减少噪音干扰作短暂停工。　１０９　维普资讯 http://www.cqvip.com

爆破孔１．５　ｍ摄　图１　ＴｓＰ探测原理图　图２　ＴＳＰ洞内数据采集示意图　（４）探测时间短，一次完整的探测仅仅需　要４５ｍｉｎ，加上探测前的准备工作和探测以　后系统清除所用的时间也不过２ｈ，另外探测　统两部分。ＴＳＰ采集系统由记录仪、接收仪和　启爆装置等组成见图２。通常要求采用两个　接收仪和＜３个爆破孔组成，接收仪孔和爆　破孔分别布置在掌子面附近两面的边墙上。　示反射界面富含水。④ＶＰ／ＶＳ增大或突然增　大，常常由于流体的存在而引起。⑤若ＶＰ下　降，则表明裂隙或空隙度增大。　（４）２Ｄ或３Ｄ结果显示，地震数据处理完　以后，可以在２Ｄ或３Ｄ窗口里面察看选择的反　射面。２Ｄ窗口是一个水平分开的窗口，显示了　前的准备工作可以在施工的同时执行。　（５）节约投资费用，据国外隧道施工经验　接收仪是用来接收地震信号的仪器，安装在　一估计，采用ＴＳＰ法比不进行预报节省费用是　全部工程的１５％。　个被水泥或两节环氧树脂夹固定在岩层上　的管套里面。启爆装置是由一个常规的带有　发射回路的外部触发盒的爆破器组成。　ＴＳＰ处理系统由窗口式软件ＴＳＰｗｉｎ组　两个面板：侧视图和顶视图或岩石属性。３Ｄ窗　口用事先确定的隧道剖面显示从参考系位置到　掌子面已经开挖的隧道以及所选择的反射面位　置，并显示接收器和发射孔的位置。　（６）提交资料及时，在现场采集数据的第　二天即可提交正式成果报告。　由于ＴＳＰ的诸多优点，所以它的出现　解决了工程界对超前预报的许多难题，从　而代表了当今世界隧道施工超前预报的最　先进技术。　２技术原理和数据采集、处理系统　成，其对现场采集的数据进行处理。主要的处　理步骤有：　（１）提取反射波，ＴＳＰ记录的各种波当中，　只有那些从掌子面前方和隧道旁边反射过来的　携带了岩石性质的波才有用。这些有用的反射　波可以通过滤波器能从其它波里分离出来。　（２）分离Ｐ波和Ｓ波，把Ｘ、Ｙ和Ｚ方向上　的记录转换成Ｐ波、ＳＨ波和ＳＶ波。Ｐ波为压　３　ＴＰＳ的应用　３．１在国外隧道工程中的应用情况　ＴＰＳ从上世纪９０年代初问世以来，已经　在数百项大型工程中应用并取得了全世界的　认可。在瑞士的Ｖｅｒｉｅｎａ铁路隧道中，它准　确的预测出隧道里程１　４３０ｍ处存在不稳定　的蛇纹岩层；在日本的Ｋａｚｕ水电隧洞工程　中，准确的预报出基准点前方１１２ｍ处一个　ＴＳＰ探测系统是通过在掌子面后方一定　距离内的钻孔中施以微型爆破来发射信号　的，爆破引发的地震波在岩体中以球面的形　式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，　经隧道前方的界面反射回来见图１，反射信　号经接收传感器转换成电信号并放大。　缩波（纵波），Ｓ波为剪切波（横波），其中ＳＶ（　波表示质点在垂直面内运动的横波，ＳＨ波表　示质点在水平面内运动的横波。　（３）提取反射面，运用图像处理和分割，提　取Ｐ波和Ｓ波反射面。反射界面岩石的性质可　以通过以下几个方面判断：①出现较高的反射　振幅、较大的反射系数和较小的弹性阻抗，表示　１４ｍ宽的断层带，并有泉水出现；而在南韩　的Ａｎｉｍｉｎ公路隧道中准确预报出隧道掌子　面前方不同于开挖段风化岩层的较坚硬岩层　和断层构造的位置。　从起爆到发射信号被接收的这段时间是　与反射面的距离成比例的。通过反射时间与　地震传播速度的换算就可以将反射面的位　置、与隧道轴线的夹角以及与隧道掌子面的　距离确定下来，同时还可以将隧道中存在的　３．２在国内某隧道工程的应用情况　昆明至安高速公路隧道位于云南省昆　反射界面的岩石密度和波速较高。②波形中央　出现正的反射振幅，表示反射界面的岩石是坚　硬的。如果是负的反射振幅，表示反射界面是软　明市境内，全长１５７０多ｍ，其设计时速为　８０ｋｍ／ｈ，采用左右行分离的双洞单向行车　三车道隧道。隧道岩层属上三迭Ｔ３１地层，　岩性变化带的位置方便地探测出来。　ＴＳＰ探测系统分数据采集系统和处理系　１］Ｏ　弱岩石。③如果Ｓ波反射比Ｐ波反射更强，这表　维普资讯 http://www.cqvip.com

表１　原设计、ＴＳＰ预报与实际开挖岩性对照　由于受哀牢山大断裂及次一级构造的影　响，断层、褶皱和节理裂隙发育，岩性复　全、施工质量和进度极为重要。目前常见的地　质超前预报方法可归为破坏法和非破坏法两　类。受各种条件的限制，不同的隧道施工地质　【２】齐传生．ＴＳＰ２０２隧道地震波超前地质预　报系统的应用．世界隧道，１９９９…：３９～４０．　【３】戴前伟，吕绍林，肖彬．地质雷达的应用条　件探讨．２００６—０２—２３．　杂。隧道围岩岩性可概括为硬质岩和软质　岩两类。硬质岩有板岩、弱变质灰岩、超基　超前预报方法各有优缺点。其中非破坏法中　的ＴＳＰ隧道地震波预报技术具有适应范围　广、预报距离长、预报费用低、探测时间短和　性侵入岩体；软质岩有炭质板岩、砂岩、凝　灰岩和泥岩。　采用引进的ＴＳＰ仪器对掌子面Ｋ１　６＋２２０　【４】刘康和．探地雷达及其应用．水利水电工　程设计．１　９９８（４）：３８Ｎ３９．　【５】王兴泰主编．工程与环境物探新技术新方　法　Ｅ京地质出版社，１　９９６—１　２：１　７８Ｎ２０４．　对隧道施工干扰小等优越性，是目前世界上　在该领域先进的科技成果。我国对这一技术　目前正处于试行和消化阶段。本文对ＴＳＰ技　术的原理以及数据采集和处理系统作了介　绍，列举、验证了ＴＳＰ在国外隧道和我国某一　公路隧道施工中的成功应用事例，期望ＴＳＰ　能在未来的隧道施工中得到进一步推广。　参考文献：　前方岩性进行探测，现场采集的ＴＰＳ数据通　过ＴＳＰｗｉｎ软件进行处理，获得Ｐ波ＳＨ波、　ＳＶ波的时间剖面、深度偏移剖面和反射面以　及岩石物性参数等一系列成果图。表１为原　【６］张铁军，戴亮宇，刘伟元，许建文．瑞典地　质雷达及其数据的・陕速处理．　２００６—０４—０　１１　７一Ｏ３．　设计、ＴＳＰ预报与实际开挖岩性的对照。　可以看到，实际开挖结果与ＴＳＰ预报结果　【７】赵宪堂，万国普．地质雷达图像中地面干　扰的识别与去除水文地质工程地质　２００１一Ｏ６．　比较一致，而与原勘测设计的结果有一定出入。　４结语　隧道地质超前预报技术对于隧道施工安　…李晓红．隧道新奥法及其测量技术．北京：　科学出版社，２００２—０１．　作者单位：中铁十六局集团昆明工程指挥部