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1、TSP203系统在隧道施工超前地质预报中的应用研究以沪蓉西X10合同段寒坡岭隧道为例TSP203 study of geologic advanced predicting of highway tunnel constructionTake the hanpoling highway tunnel of X10 of hurongxi as the example摘要：TSP203超前地质预报技术(Tunnel Seismic Prediction)主要用于隧道掌子面前方不良地质体、断裂破碎带、含水带等的超前探测预报，其对地质体的性质、位置和规模如:地层界限、断层挤压破碎带、富水带、溶洞、水
2、化软岩和淤泥带不良地质能够进行准确地探测和判定。沪蓉国道主干线湖北省恩施至利川高速公路寒坡岭隧道位于泥质灰岩、粉砂质泥岩中，溶洞发育、地质条件复杂、施工条件困难，该隧道为第10标段的重点控制性隧道。基于寒坡岭隧道施工所面临的重要问题和难题，论文结合寒坡岭隧道工程实例对TSP203超前地质预报的关键技术做了探讨和研究。1寒坡岭隧道工程概况寒坡岭隧道位于利川市元堡乡大井花秋一带，呈近287方向展布。左线起迄桩号为ZK280+111ZK281+914，长1803m，设计路面标高1152.2251123.881；右线起迄桩号为YK280+081YK281+863,长1782m。设计路面标高1152.1
3、771124.496，隧道左线最大埋深约217m，右线最大埋深221m，属分离式隧道。根据地质调查、钻探及物探资料，寒坡岭隧道区段主要不良地质现象是岩溶，岩石存在岩面溶蚀、溶洞及隐伏溶洞问题。其中SZK5孔58.9065.20m、100.40110.0m为溶洞，洞高6.3010.60m，溶洞处在隧道上方约2m及47m处，充填角砾土；SZK6孔47.6063.60为溶崩角砾岩，处在洞身上部62m。 岩溶发育对寒坡岭隧道工程的影响主要表现为：（1）影响隧道顶底板的稳定性，鉴于灰岩、泥灰岩岩性较坚硬，所以影响不大，但SZK5孔（ZK280+576.5）一带应引起注意。隧道施工过程中，在不影响地下水流
4、向和破坏生态环境的前提下，处理溶洞应坚持对地下水宜疏勿堵的原则，要合理地导水导气。（2）隧道施工过程中，可能会遇到较大的“管道型”突水突泥，对施工造成威胁，施工时应做好超前地质预报工作，谨防突水突泥地质灾害。2 TSP203隧道超前预报方法及原理及特点本次预报采用瑞士安伯格公司生产的TSP203隧道地质超前预报系统，TSP203可以预报隧道掌子面前方0100m范围的地层状况，可以满足长距离超前地质预报的要求。TSP203探测是根据地震波的回波原理1，人工制造一系列有规则排列的轻微震源，由三维地震波接收器在计算机的监控下采集这些震源所发出地震波沿隧道前方及四周区域传播而遭遇不良地质体（如地层层面
5、、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等）被反射返回的地震波数据。这些回波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向是与相应的不良地质体的性质和分布状况紧密相关的，通过分析可以得到前方地层的地质力学参数2。TSP203是一种专门为隧道超前预报而设计的检测系统而被普遍采用，但在应用中，要充分考虑其边界条件，即：被探测物有足以使地震波反射的界面，而且这个界面的法线与隧道轴线的夹角越小效果越好；探测岩溶时，岩溶应有一定延伸，形成界面，否则探测效果不好；另外探测效果还与溶槽洞穴的发育状态有关；探测的分辨率与探测深度成反比，与探测目的物的体积成正比，物探称之为洞径比，即探测深度与被探测物的直径之比，一般
6、洞径比大于20时分辨率严重降低3- 4。图1TSP203隧道超前预报原理图3.1 TSP203超前地质预报实例（出口ZK281694281581段）（一）现场工作TSP203超前地质预报的测线布置如图2所示。在隧道右边墙的同一水平线上从外向里布置一个传感器钻孔和24个炮孔，传感器钻孔距第一个炮孔18m，炮孔间距1.5m，炮孔高度1.5m，最后一个炮孔距掌子面1.0m。预报时掌子面位于ZK281+694里程处，在ZK281+747.5里程处布置预报接收孔，接收孔距掌子掌子面53.5m。图2 TSP203测线布置示意图（二）资料分析（1）资料分析原则：在成果解释中，以P波剖面资料为主对岩层进行划分
7、，结合横波资料对地质现象进行解释，并遵循以下准则：正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水；Vp/Vs增加或突然增大，常常由于流体的存在而引起；若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。（2）资料处理流程如图3所示。 图3 TSP203超前地质预报资料处理流程图 （3）误差分析隧道超前预报时，地震波速离散性大，软件处理时取波速平均值；当两个反射面间距不超过1m，合并为一个界面，预报误差为预报范围的5。 （三）预报成果 通过二维结果图（附图4、5、6、7）分析，隧道掌子面前方预报范围内存在问题的区段如下所示：图4 TSP203隧道超前预报二维成果图图5 TSP2
8、03隧道深度偏移图附图6 TSP203隧道反射面提取图图7 TSP203隧道频谱分析图（1）ZK281+694ZK281+668(32m)范围内岩体与当前掌子相似，局部渗水建议仍按当前方案施工；（2）ZK281+668ZK281+662(6m) 范围内岩体节理裂隙较发育、含水，局部夹泥；建议加强支护及防排水工作；（3）ZK281+662ZK281+593 (69m)范围内岩体较完整，地下水不太发育；（4）ZK281+593ZK281+581 (12m)范围内岩体较破碎，地下水较发育，建议加强支护和排水工作。（四）隧道开挖结果验证（1）岩体平均厚度大约在12cm, 为中厚一厚层灰岩，总体完整性较
9、好，与预测结果基本上吻合；（2）在ZK281+671处开始出现夹泥破碎带，比预测位置推后3m, 夹泥破碎带长度为约6.4m，相对误差为（6.4-6）/6.4=6.3%；(3) 在ZK281+595处开始出现夹泥破碎带，比预测位置提前2m, 夹泥破碎带长度为约10.5m，相对误差为（12-10.5）/12=12.5%；通过施工过程中反馈回的信息，该预报准确率达到90%以上，完全满足工程实践的需要。4 结论与建议实践证明，TSP203对中长距离隧道超前地质预报的效果很好，能达到预测的目的，满足设计施工要求，有较好的实用性，但是由于TSP203的观测方式的限制，不可能对断层的产状、位置和岩体波速等参
10、量同时给出准确的结果，因而在定位精度和岩体类别划分方面还有待改进，在工程的实际应用中受到了一定的限制。目前，隧道超前地质预报仍然是国内外工程地质和隧道工程界关注，而又没有得到很好解决的难题，国内外多采用地质分析与物探相结合的方法来实现超前预报，只有多种方法相互弥补、相互验证，采用综合的预报方法，才能取得最佳的预报效果、积极指导施工。参考文献1刘志刚.隧道地震勘探(TSP)在工程中的应用J.铁道建筑技术，2001, 05:5-72刘秀峰，李忠.TSP探测数据采集和处理中应注意的几个问题.石家庄铁道学院学报.2002, 6 (2) 3温树林，吴世林.TSP203在云南元磨高速公路隧道超前地质预报中的应用J.云南交通科技，2002, 06:22-284Dickmann, T；Sander, B. K.Drivage-concurrent tunnel seismic prediction (TSP):results from Vereina north tunnel mega-project and Piora pilot gallery Geomechanics Abstracts Volume:1997, Issue:2, February, 1997,pp. 82
