TSP法地质超前预报技术在隧道工程中的运用

TSP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1地质超前预报的常用方法及其优缺点背景。在隧道开挖过程中，对掌子面前方岩性进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、瓦行准确预报，能有效防止工程事故、加快施工进斯、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，地下水赋度及保证工程质量。目前常用的地质超前预报存状态及可能突水、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。方法可归为破坏法和非破坏法两类，其中非破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。破坏法坏法中的TSP(tunnelseismicprediction隧道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；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、电测法和波反射理和数据采集、处理系统在国内外隧道工程中法。波反射法也可以分为电磁波反射法和地震波反射法。的成功应用情况作一些探讨。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，并判关键词：隧道；超前预报；地震波；TPS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（如强烈褶皱地中图分类号：U456层）的隧道中预报的难度很大。文献标识码：B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，该法具有地质法文章编号：1008-0422(2006)06-0109-03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（GroundPenetratingRadar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40～50m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（TunnelSeismicPrediction）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1/10～1/20。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。收稿日期：2006-08-21（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作者简介：刘纪明(1949-)，男（汉族），江苏靖江人，掌子面前方100～350m。工程师；吴雷雷，工程师。（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 图1TSP探测原理图图2TSP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统两部分。TSP采集系统由记录仪、接收仪和示反射界面富含水。④VP/VS增大或突然增要45min，加上探测前的准备工作和探测以启爆装置等组成见图2。通常要求采用两个大，常常由于流体的存在而引起。⑤若VP下后系统清除所用的时间也不过2h，另外探测接收仪和<3个爆破孔组成，接收仪孔和爆降，则表明裂隙或空隙度增大。前的准备工作可以在施工的同时执行。破孔分别布置在掌子面附近两面的边墙上。（4）2D或3D结果显示，地震数据处理完（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，安装在以后，可以在2D或3D窗口里面察看选择的反估计，采用TSP法比不进行预报节省费用是一个被水泥或两节环氧树脂夹固定在岩层上射面。2D窗口是一个水平分开的窗口，显示了全部工程的15％。的管套里面。启爆装置是由一个常规的带有两个面板：侧视图和顶视图或岩石属性。3D窗（6）提交资料及时，在现场采集数据的第发射回路的外部触发盒的爆破器组成。口用事先确定的隧道剖面显示从参考系位置到二天即可提交正式成果报告。TSP处理系统由窗口式软件TSPwin组掌子面已经开挖的隧道以及所选择的反射面位由于TSP的诸多优点，所以它的出现成，其对现场采集的数据进行处理。主要的处置，并显示接收器和发射孔的位置。解决了工程界对超前预报的许多难题，从理步骤有：而代表了当今世界隧道施工超前预报的最（1）提取反射波,TSP记录的各种波当中，3TPS的应用先进技术。只有那些从掌子面前方和隧道旁边反射过来的3.1在国外隧道工程中的应用情况携带了岩石性质的波才有用。这些有用的反射TPS从上世纪90年代初问世以来，已经2技术原理和数据采集、处理系统波可以通过滤波器能从其它波里分离出来。在数百项大型工程中应用并取得了全世界的TSP探测系统是通过在掌子面后方一定（2）分离P波和S波,把X、Y和Z方向上认可。在瑞士的Veriena铁路隧道中，它准距离内的钻孔中施以微型爆破来发射信号的记录转换成P波、SH波和SV波。P波为压确的预测出隧道里程1430m处存在不稳定的，爆破引发的地震波在岩体中以球面的形缩波（纵波），S波为剪切波（横波），其中SV(的蛇纹岩层；在日本的Kazu水电隧洞工程式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，波表示质点在垂直面内运动的横波，SH波表中，准确的预报出基准点前方112m处一个经隧道前方的界面反射回来见图1，反射信示质点在水平面内运动的横波。14m宽的断层带，并有泉水出现；而在南韩号经接收传感器转换成电信号并放大。（3）提取反射面,运用图像处理和分割，提的Animin公路隧道中准确预报出隧道掌子从起爆到发射信号被接收的这段时间是取P波和S波反射面。反射界面岩石的性质可面前方不同于开挖段风化岩层的较坚硬岩层与反射面的距离成比例的。通过反射时间与以通过以下几个方面判断：①出现较高的反射和断层构造的位置。地震传播速度的换算就可以将反射面的位振幅、较大的反射系数和较小的弹性阻抗，表示3.2在国内某隧道工程的应用情况置、与隧道轴线的夹角以及与隧道掌子面的反射界面的岩石密度和波速较高。②波形中央昆明至安高速公路隧道位于云南省昆距离确定下来，同时还可以将隧道中存在的出现正的反射振幅，表示反射界面的岩石是坚明市境内，全长1570多m，其设计时速为岩性变化带的位置方便地探测出来。硬的。如果是负的反射振幅，表示反射界面是软80km/h，采用左右行分离的双洞单向行车TSP探测系统分数据采集系统和处理系弱岩石。③如果S波反射比P波反射更强，这表三车道隧道。隧道岩层属上三迭T31地层，110 表1原设计、TSP预报与实际开挖岩性对照原设计预报结果实际开挖围岩分类围岩分类围岩分类地质概况地质概况地质概况里程类别里程类别里程类别硬岩层，K16+220~硬岩层，K16+220~硬岩层，K16+220~ⅡⅡⅡ岩体完整K16+440局部富水K16+440局部富水K16+440软弱岩层，K16+440~软弱岩层，K16+440~富水K16+455富水K16+455硬岩层，K16+455~硬岩层，K16+455~节理发育K16+467节理发育K16+467硬岩层，K16+467~硬岩层，K16+467~富水K16+495富水，有破碎带K16+495硬岩层，K16+440~软弱岩层，K16+495~软弱岩层，K16+495~ⅢⅡⅡ岩体完整K16+580节理发育K16+520节理发育K16+520K16+520~K16+520~硬岩层硬岩层K16+548K16+548K16+548~K16+548~软弱岩层软弱岩层K16+564K16+564软弱岩层，K16+564~软弱岩层，K16+564~富水K16+580富水K16+580硬岩层，K16+580~硬岩层，K16+580~Ⅲ节理发育K16+597节理发育K16+597硬岩层，K16+597~硬岩层，K16+597~Ⅱ硬岩层，K16+580~富水K16+648富水K16+648ⅣⅡ~Ⅲ岩体完整K16+780硬岩层，K16+648~硬岩层，K16+648~Ⅲ节理发育K16+714节理发育K16+714硬岩层，K16+714~硬岩层，K16+714~Ⅱ富水K16+780富水K16+780由于受哀牢山大断裂及次一级构造的影全、施工质量和进度极为重要。目前常见的地[2]齐传生.TSP202隧道地震波超前地质预响，断层、褶皱和节理裂隙发育，岩性复质超前预报方法可归为破坏法和非破坏法两报系统的应用.世界隧道，1999(1):39~40.杂。隧道围岩岩性可概括为硬质岩和软质类。受各种条件的限制，不同的隧道施工地质[3]戴前伟，吕绍林，肖彬.地质雷达的应用条岩两类。硬质岩有板岩、弱变质灰岩、超基超前预报方法各有优缺点。其中非破坏法中件探讨.2006-02-23.性侵入岩体；软质岩有炭质板岩、砂岩、凝的TSP隧道地震波预报技术具有适应范围[4]刘康和.探地雷达及其应用.水利水电工灰岩和泥岩。广、预报距离长、预报费用低、探测时间短和程设计.1998(4)：38～39.采用引进的TSP仪器对掌子面K16+220对隧道施工干扰小等优越性，是目前世界上[5]王兴泰主编.工程与环境物探新技术新方前方岩性进行探测，现场采集的TPS数据通在该领域先进的科技成果。我国对这一技术法.北京地质出版社，1996-12:178～204.过TSPwin软件进行处理，获得P波SH波、目前正处于试行和消化阶段。本文对TSP技[6]张铁军，戴亮宇，刘伟元，许建文.瑞典地SV波的时间剖面、深度偏移剖面和反射面以术的原理以及数据采集和处理系统作了介质雷达及其数据的快速处理.及岩石物性参数等一系列成果图。表1为原绍，列举、验证了TSP在国外隧道和我国某一2006-04-0117-03.设计、TSP预报与实际开挖岩性的对照。公路隧道施工中的成功应用事例，期望TSP[7]赵宪堂，万国普.地质雷达图像中地面干可以看到，实际开挖结果与TSP预报结果能在未来的隧道施工中得到进一步推广。扰的识别与去除水文地质工程地质比较一致，而与原勘测设计的结果有一定出入。2001-06.参考文献：4结语[1]李晓红.隧道新奥法及其测量技术.北京：作者单位：中铁十六局集团昆明工程指挥部隧道地质超前预报技术对于隧道施工安科学出版社，2002-01.111