高速鐵路隧道超前地質預報TSP應用

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摘要：高速鐵路隧道為狹長管狀結構物，穿越地層復雜多變。如何快速準確獲取掌子面前方地質信息，對于確定開挖工法和支護參數，確保隧道施工安全，規避施工風險具有重要意義。以中（衛）蘭（州）客專某大斷面隧道工程為依托，詳細介紹了TSP地震反射波法在薄層狀裂隙片巖地層中的超前地質預報技術及現場開挖驗證對比分析。現場實踐表明，裂隙水不發育的片巖地層，tsp地震反射波法預報較為準確。

關鍵詞：高速鐵路隧道，超前地質預報，TSP地震反射波法，薄層裂隙片巖

高速鐵路隧道穿越地層復雜多變，前期地勘很難準確獲得地層信息，因此掘進中經常出現與設計資料不符的不良地質體，產生塌方、大變形等工程災害。如何快速準確獲取前方地質信息，對于確保隧道安全施工具有重要意義［1］。隧道超前地質預報方法主要有地質調查法、超前鉆孔法、地震反射波法（TSP，TGP）、地質雷達法、瞬變電磁法、紅外探測法等［2］。TSP（TunnelSeismicPrediction）是一種通過激發地震波（彈性波）在非連續的地質界面反射，接收反射波信號進行數據解析，實現隧道超前地質預報的物探技術［3］。該方法具有預報距離長、適用范圍廣等特點，自瑞士安伯格公司發明之后在隧道工程中得到廣泛應用［4⁃6］。本文以中（衛）蘭（州）客專某大斷面巖質隧道工程為依托，詳細介紹了TSP在隧道超前地質預報中的應用技術及現場驗證情況。

1工程概況

中（衛）蘭（州）客專項目全長218．49km，總投資295．78億元。依托隧道工程位于甘肅省蘭州市皋蘭縣內，隧道全長4578m，為雙線鐵路隧道，設計時速為250km／h，開挖斷面面積約150m2，最大埋深約206m。隧址區地質構造復雜，洞身段穿越前寒武系皋蘭群片巖，呈鱗片狀變晶結構，片理構造，節理裂隙較發育，巖性發育不均，呈強風化～弱風化狀態，巖體呈碎石狀壓碎結構，易塌方掉塊，圍巖分級為Ⅲ級～Ⅴ級。

2TSP超前地質預報應用分析

2．1TSP超前地質預報原理

TSP（TunnelSeismicPrediction）探測原理屬于地震波（彈性波）反射方法，采用小當量炸藥在隧道內激發多源地震波（一般在隧道邊墻布置24個炮眼），地震波在三維空間傳播過程中，遇到地層巖性變化、斷層破碎帶等不良地質體時（波阻抗變化），產生反射和透射，通過接收反射信號，進行信號處理，數據分析進而獲取前方地質信息。由于地質體中地震波傳播的復雜性，為獲得較好的反射波數據，需采用高精度的三分量速度傳感器，同時避免起爆產生的震蕩波對儀器產生干擾。

2．2現場數據采集

本次超前地質預報選用安伯格公司TSP203plus，預報掌子面樁號為DK203＋960。掌子面巖體呈厚層、塊狀結構，局部夾薄層片巖，節理裂隙較為發育，圍巖較為破碎，掌子面呈干燥狀態，地下水不發育。本次測試現場方案如下：在隧道開挖方向左邊墻布置24個炮孔（激發孔位，間距1．5m），左右邊墻各1個接收孔位，最小偏移間距為20m。激發孔間距1．5m，高度1．2m，孔深1．35m，孔徑50mm，傾角9°，每孔裝藥量100g，接收孔高度1．6m，孔深2．0m，傾角0°，現場布置如圖1所示。數據采集前，測量各孔的相對位置、深度、傾角并做好記錄，裝填炸藥，安裝接收器，連接好儀器。為采集到較好的TSP原始數據，要求隧道內一切工序均停工，檢波器安裝時采用黃油耦合，通過采用高吸聲材料封堵接收孔來抑制聲波噪聲。準備完畢后進行爆破，采集數據。

2．3數據分析

通過TSPwinPLUS軟件對采集數據進行處理，得到TSP推斷成果圖。圖2為TSP超前預報圍巖力學參數分布圖，圖2中里程0代表K204＋010。可以看出，在掌子面（里程50m）前方一定范圍內圍巖波速（Vp／Vs）、泊松比、密度、動彈模等參數均有顯著變化。圖3為TSP二維成果圖，可以看出，在掌子面前方一定距離存在一段較小區域的波速降低區域，即節理裂隙發育較為發育。根據上述解釋成果并結合地勘資料、掌子面開挖揭示圍巖情況，對掌子面前方120m范圍內圍巖情況進行如下預測：1）DK203＋958～DK203＋918（40m）：該段縱波、橫波波速與當前掌子面波速一致，密度和楊氏模量基本不變，泊松比及Vp／Vs較掌子面不變，判斷其圍巖情況與當前掌子面相似。2）DK203＋918～DK203＋890（28m）：該段縱波、橫波波速較掌子面均有小幅度下降，密度及楊氏模量相對下降，且Vp／Vs和泊松比略有上升，以負反射為主，判斷其圍巖情況較掌子面略差，節理裂隙發育，巖體破碎，穩定性較差，地下水弱發育，施工中應注意洞頂掉塊塌方，宜加強超前支護。3）DK203＋890～DK203＋838（52m）：該段縱波波速較掌子面明顯上升，橫波波速較掌子面略有下降，密度和楊氏模量皆低于掌子面，且Vp／Vs和泊松比較掌子面上升，以正反射為主，綜合判斷其圍巖較掌子面變好，節理裂隙較發育，地下水不發育，巖體完整性較好。

2．4現場開挖驗證

由TSP超前地質預報可得，隧道前方大致40m～70m距離內圍巖情況變差，節理裂隙發育豐富，施工危險性較大，而前期地勘和設計資料中將該區段統一歸為Ⅴ級圍巖，未做明顯區分。現場隧道掘進施工中，逐步開挖揭示圍巖情況，其典型情況如圖4所示。由圖4可以看出，該斷面圍巖節理裂隙發育，巖層呈薄層狀碎裂結構，掌子面較為干燥，地下水不發育，與掌子面圍巖相比，巖體質量較差，施工中以產生巖層剝落、掉塊，洞頂塌方，與2．3中2）圍巖預測結果較為吻合，說明TSP超前地質預報較為準確，達到了預報目的。

3結語

本文以中蘭客專某巖質隧道為依托，詳細介紹了TSP在隧道超前地質預報中的應用關鍵技術，通過與場隧道開挖揭示的圍巖情況對比證明，裂隙水不發育的片巖地層，TSP地震反射波法預報較為準確，有效探測距離可達120m。TSP作為一種基于彈性波反射理論的物探方法，其預報成果的準確性依賴于數據采集、解譯方法，以及解釋人員對波速、泊松比、動彈模等參數的理解和工程地質知識儲備，需緊密結合現場地質情況，在隧道開挖過程中及時跟進，動態反饋地質信息，不斷與預報結果對比驗證，積累經驗，才能獲得較為滿意的預報結果。

參考文獻：

［1］關寶樹．隧道工程施工要點集［M］．北京：人民交通出版社，2011．

［2］陳志敏，歐爾峰，馬麗娜．隧道及地下工程［M］．北京：清華大學出版社，2014．

［3］張慶松，李術才，孫克國，等．公路隧道超前地質預報應用現狀與技術分析［J］．地下空間與工程學報，2008（4）：766⁃771．

［4］張光旭，李獻民．TSP地震波法隧道超前探測工程應用與對比分析［J］．中國公路，2019（15）：114⁃116．

［5］許振浩，李術才，張慶松，等．TSP超前地質預報地震波反射特性研究［J］．地下空間與工程學報，2008（4）：640⁃644，716．

［6］劉云禎．TGP206與TSP203地質預報系統優勢對比分析［J］．隧道建設，2014，34（3）：198⁃204．

［7］李義圭，楊喬，霍小云．動態超前地質預報技術在高風險隧道中的運用［J］．山西建筑，2020，46（3）：136⁃138．

作者：鄭燁晨 石宏泰 黃河 付庭茂 樊茂林 單位：中鐵七局集團第三工程有限公司