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摘要：在隧道的施工阶段中，地质超前预报需要在工程实践过程中不断积累、创新和提高。本文主要针对隧道岩溶问题的复杂性、多变性和不确定性导致的地质预报准确率较低的难题,介绍了用TSP進行超前地质预报方法的基本原理,以云桂高铁客运专线云南段东风隧道施工中超前地质预报为例,总结了超前地质预报的应用成果,为TSP在隧道超前地质预报中的应用积累了经验。
关键词：岩溶；超前地质预报；TSP
The application and research of Tunnel Seismic Prediction in the Dongfeng tunnel
Wei Wu-shu, Chen Qiu-nan
Abstract: During the construction of tunnel, the Tunnel Seismic Prediction should be accumulate, innovation and improve with the engineering practice . This article mainly aims at the karst tunnel problems of the complexity, variability and uncertainty ,and the lead to geological forecast accuracy lower problem, it introduces the Tunnel Seismic Predictionmethod with the basic principle ,settle thehigh iron YunGui passenger special line in Yunnan DongFeng tunnel of the construction early geological forecast for example, summarized the application results of the Tunnel Seismic Prediction, accumulated the application of the TSP method and gather some experience.
Key words: Karst; Advance geological forecast; TSP
中图分类号 :F407.1文献标识码： A 文章编号：
1引言
隧道施工过程中,由于地质条件复杂多变,有很多隐藏、无法预知的不同地质因素,如溶洞、地层破碎带、断层、富含水岩层等。如果不能预先探测隧道掌子面前方的不良地质情况,则可能在隧道掘进过程中会出现塌方等地质灾害,导致财物损失甚至不必要的人身伤亡,给工程带来极大不便,造成巨大的经济损失。因此,在隧道开挖过程中,用TSP进行超前地质预报就显得尤为重要。通过超前地质预报,可以判断围岩的完整性并掌握掌子面前方的不良地质情况等,对应提前采取有效的一系列措施,避免地质灾害的发生,从而确保隧道施工过程的安全。
岩溶地质分布较广,我国最典型的地区是云、贵、川三省。岩溶的发育复杂多变,大小不确定,模式各异。岩溶地区一般会有岩溶填充物地段围岩变形破坏、穿越溶洞区域(洞穴、暗河、摘斗、落水洞等)；隧道会经常出现突发涌水、涌泥、涌砂、洞顶地表塌陷及地表水源枯竭等病害或地质灾害。因而在岩溶隧道施工过程中应进行地质超前预报,减少隧道施工过程中的盲目性,避免隧道施工过程中可能诱发的病害、不良地质或灾害地质的发生。
2TSP地质超前预报原理
TSP是一种新颖、快速、有效、无损的反射地震技术。它是为隧道超前地质预报而专门设计的，TSP法和其它反射地震波方法一样，采用了回声测量原理[图1]。地震波在指定震源点用小药量激发产生，震源点通常布置在隧道的左边墙或者右边墙，一般24个炮点布成一条直线，接收点和炮点在同一水平面。地震波以球面波的形式在岩石中传播，当遇到岩石物性界面如断层与岩层的接触面、岩石破碎带与完整岩石接触面、不同岩性接触面等波阻抗差异界面时，一部分地震信号将反射回来，一部分折射进入前方介质。反射地震信号将被高灵敏度的检波器接收，反射信号的传播时间和反射界面的距离成反比，因此可确定界面的位置。通过TSPwin软件处理，可以获得P波、S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、各反射层能量大小等成果，以及反射层在探测范围内的空间分布。
TSP系统主要组成包括记录单元和接收器。记录单元能够记录地震信号和质量控制。接收器用于拾取地震信号，安装在一个特定的套管里。套管与岩石间采用双份环氧树脂牢固地结合。接收器由极灵敏的三分量地震加速度检波器(X-Y-Z分量)组成，频宽10～5 000 Hz，包括了所需的动态范围，能够将地震信号转换成电信号。每个接收器中，三分量地震加速度检波器按顺序排列，能确保在三维空间方向范围的全波场记录，所以能分辨不同波的类型，如P波和S波。接收系统是为适用各种不同岩石类型而设计的，从软弱的岩石到坚硬的花岗岩。接收器连同套管一起放入直径为43 mm、深度2 m的钻孔中。
图1TSP203原理图
2.1孔位的布设及准备工作
使用TSP203超前地质预报时,布设25~26个孔,其中24个孔为爆破孔,最后1~2为探测孔。爆破孔第1个孔位距掌子面2 m左右,以后的23个孔的孔距为1.5 m,探测孔距最后一个爆破孔的距离为15 m,爆破孔孔径Φ40,孔深为1.5 m,孔位向下倾斜4°~5°;探测孔孔径Φ50,孔深为2.0 m,孔位向上倾斜4°~5°。如围岩变化不大,则只需在爆破孔侧布设一个探测孔;如围岩变化频繁,为增加预报的准确性,需左右对称布设两个探测孔。爆破孔与探测孔孔口处在同一水平面上,一般布设在距地面1.0~1.5 m的高度范围内。孔位布设如图1所示。
图2孔位布设示意图
TSP203在正式操作前,需准备30发左右的电雷管(6发备用)、1个电雷管起爆器及连线、2.5 kg，左右的Φ25乳化炸药及灌水用的塑料管、水壶。
3工程实例
3.1工程概况
东风隧道位于南盘江至昆明南区间，设计为单面上坡，隧道最大埋深约170m，进口里程DK638+769，出口里程DK650+065，中心里程DK644+417，全长11296m。在DK643+500线前进方向右侧设置二号横洞。二号横洞中线与左侧线路中线小里程方向平面夹角为61°，横洞平长1120m。二号横洞采用无轨单车道运输，设计为5‰的单面下坡，内净空尺寸5.0m（宽）*6.0m（高）。HD2K0+000处坑底高程=DK643+500处中心水沟沟底高程。
3.2工程地质情况
该隧道属东南高原低中心地貌，地势起伏较大，高程1664～1524m,相对高差约140m,自然坡度大约15～40°，局部较陡。地表植被发育，为森林和灌木丛。地表上覆第四系全新统坡洪积粉质粘土、坡残积红黏土。下伏基岩为石炭系下马平组灰岩、白云岩，白云质灰岩为主，段内无地质构造，无不良地质现象，局部泥灰岩与硅质岩互层；泥盆系中统曲靖组白云岩、灰岩夹页岩及泥灰岩。地表水不发育，主要接受大气降雨补给。地下水以岩溶水及少许土层孔隙潜水为主。下伏基岩均灰岩，白云岩，为可溶岩，含水性和透水性好，岩溶较发育；区内主要接受大气降水补给，地下水埋藏较深。
3．3现场探测与资料获取
1．探测时间
现场探测准备时间为2011年9月9～10日，9月10日正式测试，2011年9月11日进行资料处理与报告编制。
2．现场工作布置情况
东风隧道2#横洞隧道现场掌子面宽度7m，高7m。本次探测掌子面的里程桩号为：HD2K0+110。共布置19个有效炮孔，接收孔与最近炮孔距离18.0m。
3．仪器及现场工作方式
本次探测采用瑞士安伯格测量技术有限公司TSP203Plus超前地质预报系统。仪器参数设置如下:
记录单元
①12道 ②24位A/D转换③采样间隔：62.5μs
④带宽:8000hz⑤记录长度：7218采样点⑥动态范围120dB
⑦道数：1-12
接收单元
①三分量加速度地震检波器②灵敏度：1000mV/g±5%
③频率范围：0.5～5000Hz
3．4原始数据评价
现场采集到的X分量的原始数据见图3，其中部分道由于装药原因或炮眼不符合要求导致能量较少从而信号稍弱，后期数据处理分析时做适当处理，其他各道的初至波均清晰可见，Y分量和Z分量情况基本一致。
图3东风隧道2#横洞X分量原始波形图
图4 东风隧道2#横洞P波深度偏移剖面
3．5数据处理与资料获取
用TSP203Plus相应的专门处理软件TSPwin PLUS2.1对采集的数据进行滤波、初至拾取、炮能量均衡、Q评估以及波场分离（包括反射波提取、纵横波分离）、速度分析等处理分析，得到相关波（P、SH、SV）的深度偏移剖面及其反射界面，以及相关的岩石力学参数和二维、三维效果图。图4-图5主要为P波相关的部分成果图。
图5 东风隧道2#横洞2D成果图
围岩纵波速度约为4551～4873m/s，泊松比范围为0.13～0.32，动态杨氏模量范围为41～65GPa。
3．6TSP探测结论与建议
掌子面概况：掌子面揭露围岩以白云质灰岩为主，弱风化，围岩较破碎，局部夹粘土，岩石节理裂隙发育，含软弱夹层，无水。
综合分析上述探测成果，推测掌子面前方约110m范围内岩体工程地质特征如下：
1．里程HD2K0+110～HD2K0+078區段，围岩较破碎，岩石节理裂隙发育，存在软弱夹层，夹粘土，围岩为Ⅳ级；
2．里程HD2K0+078～HD2K0+046区段，围岩左侧破碎，裂隙发育，夹粘土，右侧相对较完整，局部夹粘土，围岩为Ⅳ级；
3．里程HD2K0+046～HD2K0+000区段，围岩破碎，岩石节理裂隙发育，围岩强度较低，局部碎石夹粘土，围岩为Ⅳ级。
针对现场探测结果，建议如下：
1．施工单位对报告中提到的不良区域引起重视，应采用地质雷达进一步探测，必要时采用钻探工作，确保施工安全。同时，加强现场资料收集工作，以利于探测资料和实际揭露的情况相互印证。
2．加强围岩监控量测，根据反馈信息实施动态施工，根据现场开挖具体围岩情况修改支护设计参数；
3．对节理裂隙发育区域，开挖过程中要注意拱顶孤石对安全的影响，需提前做好必要的保护措施，确保顺利施工。
4 结语
通过对东风隧道进行TSP地质超前预报，得出以下结论：
(1) TSP203 探测是就目前而言是施工地质超前预报距离最长、操作较简单，同时现场作业时间较短、提供结果较为迅速的方法。
(2) 隧道超前预报中应以TSP203 超前预报系统为主，配合其他物探方法(如地质雷达法、陆地声纳法、水平声波剖面法、地震负视速度法等)。同时对已开挖洞段地质状态要作详细施工地质编录与描述，作为超前预报的依据，将预报情况与实际开挖结果相比对，如此循环，积累经验并提高解译精度。
(3) 超前地质预报新方法、应用新技术的研究在超前地质预报系统路线的指导下，努力研究新方法、新技术，特别是各种预报方法的现场实际应用技术，不断提高预报的精度。
(4) 由于现场施工和管理人员多是非地质专业人员，对超前地质预报成果的灵活应用存在着一定的难度，所以，要使超前地质预报的成果能够在实践中得到较好的应用，就应该由超前地质预报专家研发一些成果集成软件，使得预报结果能够对现场施工起到指导性的作用。
参考文献
[1]舒森,王光权,王亮,等. TSP203超前地质预报系统在岩溶地区隧道中的应[J].工程地球物理学报,2009,6(5):589~590.
[2]铁道部工程管理中心.铁路隧道钻爆法施工技术要点手册[M].北京:中国铁道出版社,2010.1~5.
[3]周黎明，刘天佑，刘江平，等．复杂铁路隧道施工地质超前预报中TSP探测技术应用研究[J]．铁道工程学报，2008，(1).
[4]Arthur CD. The determination of rock material propeties to predict the performance of machine excavation in tunnels[J]. The quarterly journal of engineering geology，1996，29(1)： 25～29
[5]何发亮. 隧道施工期地质超前预报若干问题探讨[C].第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集，534~537
[6]钟世航，孙志宏，王 荣，等. 隧道施工掌子面前方地质预报应遵循原则的探讨[C].2006年中国交通土建工程学术论文集 ，595~600
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：岩溶；超前地质预报；TSP
The application and research of Tunnel Seismic Prediction in the Dongfeng tunnel
Wei Wu-shu, Chen Qiu-nan
Abstract: During the construction of tunnel, the Tunnel Seismic Prediction should be accumulate, innovation and improve with the engineering practice . This article mainly aims at the karst tunnel problems of the complexity, variability and uncertainty ,and the lead to geological forecast accuracy lower problem, it introduces the Tunnel Seismic Predictionmethod with the basic principle ,settle thehigh iron YunGui passenger special line in Yunnan DongFeng tunnel of the construction early geological forecast for example, summarized the application results of the Tunnel Seismic Prediction, accumulated the application of the TSP method and gather some experience.
Key words: Karst; Advance geological forecast; TSP
中图分类号 :F407.1文献标识码： A 文章编号：
1引言
隧道施工过程中,由于地质条件复杂多变,有很多隐藏、无法预知的不同地质因素,如溶洞、地层破碎带、断层、富含水岩层等。如果不能预先探测隧道掌子面前方的不良地质情况,则可能在隧道掘进过程中会出现塌方等地质灾害,导致财物损失甚至不必要的人身伤亡,给工程带来极大不便,造成巨大的经济损失。因此,在隧道开挖过程中,用TSP进行超前地质预报就显得尤为重要。通过超前地质预报,可以判断围岩的完整性并掌握掌子面前方的不良地质情况等,对应提前采取有效的一系列措施,避免地质灾害的发生,从而确保隧道施工过程的安全。
岩溶地质分布较广,我国最典型的地区是云、贵、川三省。岩溶的发育复杂多变,大小不确定,模式各异。岩溶地区一般会有岩溶填充物地段围岩变形破坏、穿越溶洞区域(洞穴、暗河、摘斗、落水洞等)；隧道会经常出现突发涌水、涌泥、涌砂、洞顶地表塌陷及地表水源枯竭等病害或地质灾害。因而在岩溶隧道施工过程中应进行地质超前预报,减少隧道施工过程中的盲目性,避免隧道施工过程中可能诱发的病害、不良地质或灾害地质的发生。
2TSP地质超前预报原理
TSP是一种新颖、快速、有效、无损的反射地震技术。它是为隧道超前地质预报而专门设计的，TSP法和其它反射地震波方法一样，采用了回声测量原理[图1]。地震波在指定震源点用小药量激发产生，震源点通常布置在隧道的左边墙或者右边墙，一般24个炮点布成一条直线，接收点和炮点在同一水平面。地震波以球面波的形式在岩石中传播，当遇到岩石物性界面如断层与岩层的接触面、岩石破碎带与完整岩石接触面、不同岩性接触面等波阻抗差异界面时，一部分地震信号将反射回来，一部分折射进入前方介质。反射地震信号将被高灵敏度的检波器接收，反射信号的传播时间和反射界面的距离成反比，因此可确定界面的位置。通过TSPwin软件处理，可以获得P波、S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、各反射层能量大小等成果，以及反射层在探测范围内的空间分布。
TSP系统主要组成包括记录单元和接收器。记录单元能够记录地震信号和质量控制。接收器用于拾取地震信号，安装在一个特定的套管里。套管与岩石间采用双份环氧树脂牢固地结合。接收器由极灵敏的三分量地震加速度检波器(X-Y-Z分量)组成，频宽10～5 000 Hz，包括了所需的动态范围，能够将地震信号转换成电信号。每个接收器中，三分量地震加速度检波器按顺序排列，能确保在三维空间方向范围的全波场记录，所以能分辨不同波的类型，如P波和S波。接收系统是为适用各种不同岩石类型而设计的，从软弱的岩石到坚硬的花岗岩。接收器连同套管一起放入直径为43 mm、深度2 m的钻孔中。
图1TSP203原理图
2.1孔位的布设及准备工作
使用TSP203超前地质预报时,布设25~26个孔,其中24个孔为爆破孔,最后1~2为探测孔。爆破孔第1个孔位距掌子面2 m左右,以后的23个孔的孔距为1.5 m,探测孔距最后一个爆破孔的距离为15 m,爆破孔孔径Φ40,孔深为1.5 m,孔位向下倾斜4°~5°;探测孔孔径Φ50,孔深为2.0 m,孔位向上倾斜4°~5°。如围岩变化不大,则只需在爆破孔侧布设一个探测孔;如围岩变化频繁,为增加预报的准确性,需左右对称布设两个探测孔。爆破孔与探测孔孔口处在同一水平面上,一般布设在距地面1.0~1.5 m的高度范围内。孔位布设如图1所示。
图2孔位布设示意图
TSP203在正式操作前,需准备30发左右的电雷管(6发备用)、1个电雷管起爆器及连线、2.5 kg，左右的Φ25乳化炸药及灌水用的塑料管、水壶。
3工程实例
3.1工程概况
东风隧道位于南盘江至昆明南区间，设计为单面上坡，隧道最大埋深约170m，进口里程DK638+769，出口里程DK650+065，中心里程DK644+417，全长11296m。在DK643+500线前进方向右侧设置二号横洞。二号横洞中线与左侧线路中线小里程方向平面夹角为61°，横洞平长1120m。二号横洞采用无轨单车道运输，设计为5‰的单面下坡，内净空尺寸5.0m（宽）*6.0m（高）。HD2K0+000处坑底高程=DK643+500处中心水沟沟底高程。
3.2工程地质情况
该隧道属东南高原低中心地貌，地势起伏较大，高程1664～1524m,相对高差约140m,自然坡度大约15～40°，局部较陡。地表植被发育，为森林和灌木丛。地表上覆第四系全新统坡洪积粉质粘土、坡残积红黏土。下伏基岩为石炭系下马平组灰岩、白云岩，白云质灰岩为主，段内无地质构造，无不良地质现象，局部泥灰岩与硅质岩互层；泥盆系中统曲靖组白云岩、灰岩夹页岩及泥灰岩。地表水不发育，主要接受大气降雨补给。地下水以岩溶水及少许土层孔隙潜水为主。下伏基岩均灰岩，白云岩，为可溶岩，含水性和透水性好，岩溶较发育；区内主要接受大气降水补给，地下水埋藏较深。
3．3现场探测与资料获取
1．探测时间
现场探测准备时间为2011年9月9～10日，9月10日正式测试，2011年9月11日进行资料处理与报告编制。
2．现场工作布置情况
东风隧道2#横洞隧道现场掌子面宽度7m，高7m。本次探测掌子面的里程桩号为：HD2K0+110。共布置19个有效炮孔，接收孔与最近炮孔距离18.0m。
3．仪器及现场工作方式
本次探测采用瑞士安伯格测量技术有限公司TSP203Plus超前地质预报系统。仪器参数设置如下:
记录单元
①12道 ②24位A/D转换③采样间隔：62.5μs
④带宽:8000hz⑤记录长度：7218采样点⑥动态范围120dB
⑦道数：1-12
接收单元
①三分量加速度地震检波器②灵敏度：1000mV/g±5%
③频率范围：0.5～5000Hz
3．4原始数据评价
现场采集到的X分量的原始数据见图3，其中部分道由于装药原因或炮眼不符合要求导致能量较少从而信号稍弱，后期数据处理分析时做适当处理，其他各道的初至波均清晰可见，Y分量和Z分量情况基本一致。
图3东风隧道2#横洞X分量原始波形图
图4 东风隧道2#横洞P波深度偏移剖面
3．5数据处理与资料获取
用TSP203Plus相应的专门处理软件TSPwin PLUS2.1对采集的数据进行滤波、初至拾取、炮能量均衡、Q评估以及波场分离（包括反射波提取、纵横波分离）、速度分析等处理分析，得到相关波（P、SH、SV）的深度偏移剖面及其反射界面，以及相关的岩石力学参数和二维、三维效果图。图4-图5主要为P波相关的部分成果图。
图5 东风隧道2#横洞2D成果图
围岩纵波速度约为4551～4873m/s，泊松比范围为0.13～0.32，动态杨氏模量范围为41～65GPa。
3．6TSP探测结论与建议
掌子面概况：掌子面揭露围岩以白云质灰岩为主，弱风化，围岩较破碎，局部夹粘土，岩石节理裂隙发育，含软弱夹层，无水。
综合分析上述探测成果，推测掌子面前方约110m范围内岩体工程地质特征如下：
1．里程HD2K0+110～HD2K0+078區段，围岩较破碎，岩石节理裂隙发育，存在软弱夹层，夹粘土，围岩为Ⅳ级；
2．里程HD2K0+078～HD2K0+046区段，围岩左侧破碎，裂隙发育，夹粘土，右侧相对较完整，局部夹粘土，围岩为Ⅳ级；
3．里程HD2K0+046～HD2K0+000区段，围岩破碎，岩石节理裂隙发育，围岩强度较低，局部碎石夹粘土，围岩为Ⅳ级。
针对现场探测结果，建议如下：
1．施工单位对报告中提到的不良区域引起重视，应采用地质雷达进一步探测，必要时采用钻探工作，确保施工安全。同时，加强现场资料收集工作，以利于探测资料和实际揭露的情况相互印证。
2．加强围岩监控量测，根据反馈信息实施动态施工，根据现场开挖具体围岩情况修改支护设计参数；
3．对节理裂隙发育区域，开挖过程中要注意拱顶孤石对安全的影响，需提前做好必要的保护措施，确保顺利施工。
4 结语
通过对东风隧道进行TSP地质超前预报，得出以下结论：
(1) TSP203 探测是就目前而言是施工地质超前预报距离最长、操作较简单，同时现场作业时间较短、提供结果较为迅速的方法。
(2) 隧道超前预报中应以TSP203 超前预报系统为主，配合其他物探方法(如地质雷达法、陆地声纳法、水平声波剖面法、地震负视速度法等)。同时对已开挖洞段地质状态要作详细施工地质编录与描述，作为超前预报的依据，将预报情况与实际开挖结果相比对，如此循环，积累经验并提高解译精度。
(3) 超前地质预报新方法、应用新技术的研究在超前地质预报系统路线的指导下，努力研究新方法、新技术，特别是各种预报方法的现场实际应用技术，不断提高预报的精度。
(4) 由于现场施工和管理人员多是非地质专业人员，对超前地质预报成果的灵活应用存在着一定的难度，所以，要使超前地质预报的成果能够在实践中得到较好的应用，就应该由超前地质预报专家研发一些成果集成软件，使得预报结果能够对现场施工起到指导性的作用。
参考文献
[1]舒森,王光权,王亮,等. TSP203超前地质预报系统在岩溶地区隧道中的应[J].工程地球物理学报,2009,6(5):589~590.
[2]铁道部工程管理中心.铁路隧道钻爆法施工技术要点手册[M].北京:中国铁道出版社,2010.1~5.
[3]周黎明，刘天佑，刘江平，等．复杂铁路隧道施工地质超前预报中TSP探测技术应用研究[J]．铁道工程学报，2008，(1).
[4]Arthur CD. The determination of rock material propeties to predict the performance of machine excavation in tunnels[J]. The quarterly journal of engineering geology，1996，29(1)： 25～29
[5]何发亮. 隧道施工期地质超前预报若干问题探讨[C].第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集，534~537
[6]钟世航，孙志宏，王 荣，等. 隧道施工掌子面前方地质预报应遵循原则的探讨[C].2006年中国交通土建工程学术论文集 ，595~600
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。