摘（zhāi）　　要：在隧道（dào）施工中常會遇到各（gè）種不同的地質（zhì）條件，如不能準確預測（cè）掌子麵前方地質情況，將會給隧道施工帶來諸多（duō）不便，甚至發生安全質量事故（gù）。本（běn）文結合雲桂鐵路（lù）某隧道超前地質預報中TSP技術的應（yīng）用進行分（fèn）析、總結（jié），詳細介紹了該技術的應（yīng）用方法（fǎ）與結果，可為同類（lèi）工程施工提供參考，
關 鍵 詞： 超（chāo）前地質預報；TSP技術（shù）；應用
作（zuò）　　者：田萬東
單　　位：中鐵十八（bā）局集團有限公司
正　　文：

1.概述
近年來，隨（suí）著（zhe）交通網的不短完善，鐵（tiě）路“長、大、深”隧道（dào）建設越來越普遍，由於工程地質（zhì）等條（tiáo）件複雜多變，以及受前期勘探過程中孔位設置、勘察（chá）精（jīng）度等方（fāng）麵（miàn）的影響，隧道施工前很難準確掌握線路真實地質情況。如在施工階段不能準確預判掌子（zǐ）麵前方地質情況，將會給（gěi）隧道施工帶來諸多不（bú）便，甚至發生安全、質量事故，如（rú）何提前準確預報隧道地質情況已經成為隧道施工研究的主要課題之一。TSP隧道超前地質預報係統作（zuò）為長距離宏觀的地質預報手（shǒu）段，自上世（shì）紀末引入我國，已經有20多年的成功應用。本文通過對雲桂鐵路某隧（suì）道超前地質預報（bào）中TSP技術的應用進行分析、總結，詳細介紹了該（gāi）技術的應用方法與效果，並指出了具體注意事項及建議。
2.TSP技術（shù）在隧道超前預報中的分析
2.1 TSP技術原理
TSP技（jì）術（shù）是根據地震波的回波原理，人工製造一係列（liè）有（yǒu）規則（zé）排列的輕微震源（一般在隧道的左或右邊牆打設大約24個炮（pào）孔），這些震源所激發的（de）地震波沿（yán）隧道前方及四周傳播，遇到不良地質體分界麵（如地層層（céng）麵、節理麵、岩溶麵，特別是斷（duàn）層破碎帶界（jiè）麵等）產生反射（shè）、透射、散射等現象，由三維地震波接收器（左右邊牆各1個接收孔）在（zài）計算機的監控下采集反射（shè）回來的地震波數據（jù）。這些回波信號的傳播速（sù）度、旅行時間、波形、振幅和方向與相應（yīng）的不良地質（zhì）體的性（xìng）質和分布狀況緊密（mì）相關，數據通過TSPwin軟件分析處理後可（kě）以得到前方地層的地質力學參數。
2.2 TSP技術獲取岩石物理參數的計算方法
首先采集TSP數據（jù），並使用 軟件（jiàn）處理，在波形處（chù）理階段確定波直線的（de）時（shí）間，並結合時間與（yǔ）爆破點距（jù）離計算岩體縱波速度（Vp）與彈性波速度，得出（chū）岩體橫波（bō）速度Vs，經過速度分析（xī）將反（fǎn）射（shè）信號傳播時間變為距離。實際運算中（zhōng），可（kě）根據岩體彈性波速度得到其他（tā）岩石物理係數，然後在一定（dìng）條件的基礎上了解岩石（shí）含水的機率，並采用推演方式分析，可將（jiāng）物理參數公式表示為：彈性波波速（sù） ，其中 表示接收器與爆破孔的距離。
彈性波（bō）速度與泊鬆比及彈性模量的關係表示為：
動力彈性模量： 
動泊鬆比（bǐ）表示為： 
上式中， 表示岩石密度，Vp為縱波（bō）波速，Vs為（wéi）橫波波速。
岩石（shí）A2動力彈性模量大於靜態彈性模量，而且（qiě）堅硬岩Ed/Es的數值較小，軟弱岩體Ed/Es的值較大，可以表示為 。
上式中， 與 均為係數，一般 ， 。
結合TSP技術在各個隧道中的應用實踐，利用（yòng）TSP技術得到（dào）P波速（sù）度（dù）、反射振幅、Vp/Vs、密度（dù）等各項參數，進而係統全麵（miàn）的對掌子麵（miàn）前方圍岩情況進行預（yù）報。
2.3 P波速度確定圍岩分級
通過對國內外文獻資料檢索，查閱國標及《鐵路工程地質勘查規範》等相關資（zī）料，結合已揭（jiē）示圍岩地下水、地（dì）應力及環境條（tiáo）件影響，通過P波速度綜合分析確定圍岩分級標準如下表。
鐵路隧道彈性波波速圍岩基本分級表
圍岩級別 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（jù）分析遵循的原則
（1）隨著反射振幅的升高，波阻抗與反射係數差異越顯著。
（2）正反（fǎn）射振幅表示正（zhèng）反射係數，可理解為剛性岩（yán）層；負反射振幅指向軟弱岩層。
（3）若S波（bō）明顯比P波強，表明岩層水量充足。
（4）Vp/Vs增（zēng）加或泊（bó）鬆比增大主（zhǔ）要受水（shuǐ）流影響。
（5）Vp下降表示孔隙率增加。
3. TSP技術在某隧道超前地質預報中的具體應用
3.1 工程概況
某隧（suì）道全長11296米，屬於雲桂線II線風險（xiǎn）隧道之一，也是全線控製性重點工程。隧道位紅河州彌勒市境內，屬滇東南高原石林期剝夷（yí）麵岩溶地貌，高程在1524～1664m之（zhī）間，近150m的相對高差，地勢起伏較大，局部較（jiào）陡；地表植被發育，以（yǐ）森林、灌木（mù）叢為主，地表（biǎo）上覆第四係全新統坡洪積粉質粘土、坡殘積紅（hóng）黏土，且地（dì）表（biǎo）峰丘（qiū）窪地（dì）、落水洞及孤峰平（píng）原等岩（yán）溶形態較豐富（fù）；下（xià）伏基岩為石炭（tàn）係下馬平組灰（huī）岩、白雲岩，白雲質灰岩為主。
3.2 現場探測（cè）
隧道現場掌子麵裏程樁號為DK641+333，斷麵寬（kuān）14m、高10m，共布置24個炮孔及2個接收孔，均離地（隧底）高1m，孔位平麵布置詳見（jiàn）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°。本次采用瑞士安伯格TSP203超前地質預報係統探測，采樣時間控製在62.5μs，帶（dài）寬8010hz，記（jì）錄長度（dù）為（wéi）7218采樣點（diǎn），動態（tài）範圍120dB；接收單元為三分量加速（sù）度地震檢波器，靈敏度為1010mV/g±5%，頻率範圍為（wéi）0.5～5010Hz。

圖2 接收器孔和（hé）炮孔平麵布（bù）置圖
3.3 數據分析
用 TSP相應的專門處理（lǐ）軟件 TSPwin 對采（cǎi）集的數據進行處理分析，得到相關波（bō）（P、SH、SV）的深度偏移剖麵及其反射界麵，以及相關的（de）岩石力學參數和二維、三維效果圖等。本次探測圍岩縱波速度約為3057～4210m/s，泊鬆比範圍為0.11～0.36，動態楊氏模量範圍為27～40GPa，具體見下圖。

圖3岩石屬性與2D成果圖
綜合分析上述探測（cè）成果，推測掌子麵前方約150m 範圍內岩體工程地質特征如（rú）下：
（1）裏程DK641+333～DK641+350區段，圍岩裂隙稍發育，穩（wěn）定性和完（wán）整性較好，建議圍岩級別為Ⅲ級。
（2）裏程DK641+350～DK641+365區段，左側圍岩局部較完整，右側泥夾石，裂（liè）隙發育（yù），建議圍岩級別為Ⅳ級。
（3）裏程DK641+365～DK641+430區段，圍岩右側泥夾石，左側較完整（zhěng），圍岩局部破碎，圍岩局部為Ⅲ級-Ⅳ級。
（4）裏程DK641+430～DK641+450區段，圍岩局部（bù）破碎，裂隙發育，建議圍岩為Ⅲ級-Ⅳ級。
（5）裏程DK641+450～DK641+483區段，圍岩溶蝕裂隙發育，碎石夾泥，建議圍（wéi）岩為Ⅳ級。
3.4 開挖揭示地質情況（kuàng）
DK641+333～DK641+450段原設計均為IV級圍岩，掌子麵揭露（lù）圍岩主要為灰岩、白雲岩，出現輕（qīng）微風（fēng）化，岩石硬度（dù）較大，圍岩較完整，地下水不發育，局（jú）部破碎裂（liè）隙發育，經建設、設計、監理、施工（gōng）四方現場踏勘（kān），變更為III級圍岩，局部加強初支，節省了投資、加快了施（shī）工進度。而DK641+450～DK641+483段原（yuán）設計為IV級圍岩，出（chū）現圍岩溶蝕裂隙發育，碎石夾泥，岩石破碎，節理裂縫（féng）發（fā）育，圍岩自身穩定性較差，經（jīng）現場踏勘，采取岩溶整治措施，提高了施工質量、確保了施工安全。
4. 總結（jié）與建議
上述結果均是（shì）利用本次地質預報得到的，預報效果較可靠，給該段隧道（dào）施工、變更提供了參考性指導意見。TSP技術作為最常用的地（dì）質預報手段之一，目前已（yǐ）經廣泛（fàn）應用於隧道施工中，提高了地質（zhì）預報的準確性，減少了安全隱患、提高了施工質量、加快工程進度、節約了工程投資。
結合既有施（shī）工經驗，及對每次預報（bào）的現場核實，建議如下：
（1）TSP探測的分辨率（lǜ）與（yǔ）探測（cè）目的物的體（tǐ）積成正比與探測（cè）距離成反比，，物探稱之為（wéi）洞徑比，即探測深（shēn）度（dù）與被（bèi）探（tàn）測物的直徑之比；一（yī）般洞徑比（bǐ）大於 20 時分（fèn）辨率（lǜ）嚴重降低，實際操作中鐵路雙（shuāng）線隧道一般洞（dòng）徑比選10，每次預報控製在（zài）150m範圍（wéi）內。
（2）岩溶（róng）發育區（qū）域（yù）應采（cǎi）用地質雷達進一步探測，必要時輔以超前水平鑽孔、加深炮孔、隱伏岩溶（róng）鑽孔等鑽探工（gōng）作，確保施工安全。同（tóng）時，加強現（xiàn）場資（zī）料收集工作，以利於探測資料（liào）和實際揭露的（de）情（qíng）況相互印證。
（3）嚴格按設（shè）計要求（距離、孔（kǒng）深、傾角等）鑽孔，孔身要直，孔（kǒng）內岩屑（渣）和泥漿要用水衝出孔外。如地（dì）質情況（kuàng）較差為避免塌孔，可用膠管（guǎn）裝藥。
（4）采集數（shù）據時應切斷（duàn）影響數據質量的幹擾源，嚴禁大型車輛通過，特別是要（yào）調整作業時間，預報（bào）區附近不（bú）得進（jìn）行爆破作業。
（4）預報判斷為局部圍岩破碎（suì）、節理發育的段（duàn）落，開挖過程中要注意拱頂孤石對（duì）安全的影響，提前做（zuò）好（hǎo）必要（yào）的保護措施，確保順利施工。

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