近年來，隨著交通網的不短完善，鐵路“長、大、深”隧道建設越來越普遍，由於工程地質等條件複雜多變，以及受前（qián）期勘探（tàn）過程中孔位設置、勘察精度等方麵的（de）影響，隧道施工前很難準確掌握線路真實地質情況。如在（zài）施工階段不能準（zhǔn）確預判掌子麵前方（fāng）地質情況（kuàng），將會給（gěi）隧道施工帶來諸多（duō）不便，甚至發生安全（quán）、質（zhì）量事故，如何提前準確預報隧道地（dì）質情況已經成為隧道施工研究（jiū）的（de）主要課（kè）題之一。TSP隧道超（chāo）前（qián）地質預報係統作為（wéi）長距（jù）離宏（hóng）觀的地質預（yù）報手段，自上世（shì）紀（jì）末引入我國，已經有20多年的（de）成（chéng）功應用。本文（wén）通過對雲桂鐵（tiě）路某隧道（dào）超（chāo）前地質預報中TSP技術的（de）應（yīng）用進行分析（xī）、總結，詳細介紹了該技術的應（yīng）用（yòng）方法與效果，並指出了具體注意事（shì）項及（jí）建議。

2.TSP技術在隧道超前預報中的分析（xī）

2.1 TSP技術原理

TSP技術（shù）是根據地震波的（de）回波原理（lǐ），人工製造一係列有規則排列的輕微震源（yuán）（一般在隧道的左或右邊牆（qiáng）打設大約24個炮孔），這些震源所（suǒ）激發的地震波沿隧道前方（fāng）及四周（zhōu）傳播，遇到不良地質體分界麵（如地層層麵、節理麵（miàn）、岩溶麵，特別是斷層破碎帶界麵等）產生反射、透射、散（sàn）射等現象，由三維地震波（bō）接收器（左右邊牆各1個接收孔）在計算機的監控下采集反射回來的地震波數據。這些回波（bō）信號的傳播速度、旅行時間、波形（xíng）、振幅和（hé）方向（xiàng）與相應的（de）不良地質體的性質和分布狀況緊密相關，數據通過TSPwin軟件分（fèn）析處理後可以（yǐ）得（dé）到前方地層（céng）的地質力學參數。

 

圖1  TSP隧道超前（qián）地質預報原理圖

2.2 TSP技術獲取岩石物理參數（shù）的計算方法

首先采集TSP數據，並使用 軟件處理，在波形處理階段確定（dìng）波直線的時間，並結合時間與爆破（pò）點距離計算岩體（tǐ）縱波速度（Vp）與彈性波速度，得出岩體橫波速度Vs，經過速（sù）度分析將反射信號傳播時間變為距離。實際運算中（zhōng），可根（gēn）據岩體彈性波速度得到其他岩石物理係數，然後（hòu）在一定條件的（de）基（jī）礎上了解岩石含水的機率，並采（cǎi）用推演方式分（fèn）析，可將物理參（cān）數公式表示為：彈性（xìng）波波速 ，其中 表示接收器與（yǔ）爆破孔的距離。

彈性波速度與泊（bó）鬆比及彈性模量的關（guān）係表示為：

動力彈性模量： 

動泊鬆比表示（shì）為： 

上式（shì）中， 表（biǎo）示岩石密度，Vp為縱（zòng）波波速，Vs為橫波波速。

岩石A2動力彈性模量大於靜態彈性模量，而（ér）且堅硬岩Ed/Es的數值較小，軟（ruǎn）弱岩體Ed/Es的值較大，可以表示為 。

上式中， 與 均（jun1）為係數，一般 ， 。

結合TSP技術在各個隧（suì）道中的應用實（shí）踐，利用TSP技術得（dé）到P波速度、反射振幅、Vp/Vs、密（mì）度（dù）等各項參數，進而係統全麵的對掌子麵前方圍岩情（qíng）況（kuàng）進行預報。

2.3 P波速度確定（dìng）圍岩（yán）分（fèn）級

通過對國內外文獻資料檢索，查閱（yuè）國標及《鐵路工程地質勘查規範》等相關資料，結合已揭示圍岩地下水、地應力及環境條件影響，通（tōng）過P波速度綜合分析確定圍岩分級標準（zhǔn）如下（xià）表。

鐵路隧道彈性波波速（sù）圍岩基本分級表

圍岩（yán）級別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ

Vp（km/s） >4.5 3.5-4.5 2.5-4.0 1.5-3.0 1.0-2.0 <1.0

2.4 數據分析遵循的原則（zé）

（1）隨著反射振幅的升高，波阻抗與反射係（xì）數差（chà）異越顯著。

（2）正反射振幅表示正反射係數，可理（lǐ）解為剛性岩層；負反（fǎn）射振幅指向軟弱岩層。

（3）若S波明顯比P波強，表明岩層水量充足。

（4）Vp/Vs增加或泊鬆（sōng）比增（zēng）大主要受水流影響。

（5）Vp下降表示孔隙率增加。

3. TSP技術在某隧道超（chāo）前地質預報中的（de）具體應用

3.1 工程概況

某隧道全長11296米，屬於雲桂（guì）線II線風險隧道之一，也是全線控製性重點工程（chéng）。隧道位紅河州彌勒市（shì）境內，屬（shǔ）滇（diān）東南高（gāo）原石林期剝夷麵岩（yán）溶地貌（mào），高程在1524～1664m之間，近（jìn）150m的相對高差，地勢（shì）起伏較大，局部較陡；地表植被發育，以森林、灌木（mù）叢為主，地表上覆第四係（xì）全新統坡（pō）洪積粉質粘土、坡殘積（jī）紅（hóng）黏（nián）土，且地表（biǎo）峰丘窪地、落水（shuǐ）洞（dòng）及孤峰平原等（děng）岩（yán）溶形態較豐富；下伏（fú）基岩為石炭（tàn）係下（xià）馬平組灰岩、白雲岩，白雲質灰岩為主。

3.2 現場（chǎng）探測

隧道現場掌子麵（miàn）裏程樁號為DK641+333，斷麵（miàn）寬14m、高10m，共布置24個炮孔（kǒng）及（jí）2個接收孔，均離地（隧底）高1m，孔位平麵布置詳（xiáng）見圖（tú）2。接收器孔深2m，垂直隧道軸向，上傾5°～10°；炮孔深1.5m，垂直隧道軸向，下傾10°～20°。本次采用瑞士（shì）安（ān）伯（bó）格TSP203超前地質預報係統探測，采樣時（shí）間（jiān）控（kòng）製在62.5μs，帶寬8010hz，記錄長度為7218采樣點，動態範（fàn）圍（wéi）120dB；接收單元為三分量加速度地震檢波器，靈敏度（dù）為1010mV/g±5%，頻率範圍為0.5～5010Hz。

 

圖2 接收器孔和炮孔平麵布置圖

3.3 數據分析

用 TSP相應的專門處理軟件 TSPwin 對采集的數據進行處理分析（xī），得到相關波（bō）（P、SH、SV）的深度偏（piān）移剖麵及其反射界麵，以及（jí）相（xiàng）關的岩石（shí）力學參數和二維、三維效果圖等。本次探測圍（wéi）岩縱波速度（dù）約為3057～4210m/s，泊鬆比範圍為0.11～0.36，動態楊氏（shì）模量範圍為27～40GPa，具體見下圖。

 

圖3岩石屬性與2D成果圖

綜合分（fèn）析上（shàng）述探測成果，推測掌子（zǐ）麵前方約150m 範圍內岩體工（gōng）程地質特征如下：

（1）裏程DK641+333～DK641+350區段，圍岩裂隙稍發育，穩定性和完整（zhěng）性較好，建（jiàn）議圍岩級別為Ⅲ級（jí）。

（2）裏（lǐ）程DK641+350～DK641+365區段，左側（cè）圍岩局（jú）部較完整，右側泥夾石，裂隙發（fā）育，建議圍岩級別為Ⅳ級。

（3）裏程DK641+365～DK641+430區（qū）段（duàn），圍岩右側泥夾石，左側（cè）較完整，圍岩局部破（pò）碎，圍岩（yán）局部（bù）為Ⅲ級-Ⅳ級。

（4）裏程（chéng）DK641+430～DK641+450區（qū）段，圍（wéi）岩（yán）局部破碎，裂隙發育，建議圍岩為Ⅲ級-Ⅳ級。

（5）裏程DK641+450～DK641+483區（qū）段，圍岩溶蝕裂隙發育，碎石夾泥，建議圍岩為（wéi）Ⅳ級。

3.4 開挖揭示地質（zhì）情況

DK641+333～DK641+450段原設計均（jun1）為（wéi）IV級圍岩，掌子麵揭露圍岩主要為灰岩、白雲岩，出現輕（qīng）微風化，岩石硬度較大，圍岩較完整，地下水（shuǐ）不發育，局（jú）部破碎裂隙（xì）發育，經建設、設計、監理、施工四方現場踏勘，變更為III級（jí）圍岩，局部加（jiā）強初支（zhī），節省了投（tóu）資、加（jiā）快了施工進度。而DK641+450～DK641+483段原設計為IV級圍岩，出現圍岩溶蝕裂隙發育，碎石夾泥，岩石（shí）破碎，節理裂縫發育，圍岩自身穩定性較差，經現場踏勘，采取（qǔ）岩溶整治措施，提高了施工質量、確保了施工安全。

4. 總結與建議

上述結果均是利用本次地質預報得到的，預報效果較可靠，給該（gāi）段隧道施工、變更提供了參考性指導意見（jiàn）。TSP技術作為最常用的地質預報手段之一，目前已經廣泛應用於隧道（dào）施（shī）工中，提高了地質預報（bào）的準確性，減少了（le）安全隱患、提（tí）高了（le）施工質量、加快工程進度、節（jiē）約了工程投資。

結合既有施工經驗（yàn），及對（duì）每次預報的現場核實，建議如（rú）下（xià）：

（1）TSP探測的分（fèn）辨率（lǜ）與探測目的物（wù）的體積成正比與探測距離成反比，，物探稱之（zhī）為洞徑（jìng）比，即探（tàn）測深度與被探測物的直徑之比；一般洞（dòng）徑比大於 20 時分（fèn）辨率嚴（yán）重降低，實際操作中鐵路雙線隧道一般洞徑比選10，每次預報控製在150m範圍內。

（2）岩溶發育區域應采用地（dì）質雷達進一步探測，必要時輔以（yǐ）超前水平鑽孔、加深炮孔、隱伏岩溶鑽孔等鑽探工作，確保施工安全。同時，加強現場資料（liào）收集工作，以利於探測資料和實際揭露的情況相互印證。

（3）嚴格按設計要（yào）求（距離、孔深、傾角等（děng））鑽（zuàn）孔，孔身（shēn）要直，孔（kǒng）內岩（yán）屑（渣）和（hé）泥漿要用水衝出孔（kǒng）外（wài）。如地質情況較差為避免（miǎn）塌孔，可用膠管裝藥。

（4）采集數據（jù）時應切斷影響數據質量（liàng）的幹擾源，嚴禁大型車輛通過，特（tè）別是要調整作業時間，預報區附近不得進行爆破作業。

（4）預報判（pàn）斷為局（jú）部圍岩破碎、節理發育的段（duàn）落，開挖過程中要注意拱頂孤石對安全的影響，提前做好必要的保護措施，確保順利施工。