高速铁路隧道超前地质预报TSP应用

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摘要：高速铁路隧道为狭长管状结构物，穿越地层复杂多变。如何快速准确获取掌子面前方地质信息，对于确定开挖工法和支护参数，确保隧道施工安全，规避施工风险具有重要意义。以中（卫）兰（州）客专某大断面隧道工程为依托，详细介绍了TSP地震反射波法在薄层状裂隙片岩地层中的超前地质预报技术及现场开挖验证对比分析。现场实践表明，裂隙水不发育的片岩地层，tsp地震反射波法预报较为准确。

关键词：高速铁路隧道，超前地质预报，TSP地震反射波法，薄层裂隙片岩

高速铁路隧道穿越地层复杂多变，前期地勘很难准确获得地层信息，因此掘进中经常出现与设计资料不符的不良地质体，产生塌方、大变形等工程灾害。如何快速准确获取前方地质信息，对于确保隧道安全施工具有重要意义［1］。隧道超前地质预报方法主要有地质调查法、超前钻孔法、地震反射波法（TSP，TGP）、地质雷达法、瞬变电磁法、红外探测法等［2］。TSP（TunnelSeismicPrediction）是一种通过激发地震波（弹性波）在非连续的地质界面反射，接收反射波信号进行数据解析，实现隧道超前地质预报的物探技术［3］。该方法具有预报距离长、适用范围广等特点，自瑞士安伯格公司发明之后在隧道工程中得到广泛应用［4⁃6］。本文以中（卫）兰（州）客专某大断面岩质隧道工程为依托，详细介绍了TSP在隧道超前地质预报中的应用技术及现场验证情况。

1工程概况

中（卫）兰（州）客专项目全长218．49km，总投资295．78亿元。依托隧道工程位于甘肃省兰州市皋兰县内，隧道全长4578m，为双线铁路隧道，设计时速为250km／h，开挖断面面积约150m2，最大埋深约206m。隧址区地质构造复杂，洞身段穿越前寒武系皋兰群片岩，呈鳞片状变晶结构，片理构造，节理裂隙较发育，岩性发育不均，呈强风化～弱风化状态，岩体呈碎石状压碎结构，易塌方掉块，围岩分级为Ⅲ级～Ⅴ级。

2TSP超前地质预报应用分析

2．1TSP超前地质预报原理

TSP（TunnelSeismicPrediction）探测原理属于地震波（弹性波）反射方法，采用小当量炸药在隧道内激发多源地震波（一般在隧道边墙布置24个炮眼），地震波在三维空间传播过程中，遇到地层岩性变化、断层破碎带等不良地质体时（波阻抗变化），产生反射和透射，通过接收反射信号，进行信号处理，数据分析进而获取前方地质信息。由于地质体中地震波传播的复杂性，为获得较好的反射波数据，需采用高精度的三分量速度传感器，同时避免起爆产生的震荡波对仪器产生干扰。

2．2现场数据采集

本次超前地质预报选用安伯格公司TSP203plus，预报掌子面桩号为DK203＋960。掌子面岩体呈厚层、块状结构，局部夹薄层片岩，节理裂隙较为发育，围岩较为破碎，掌子面呈干燥状态，地下水不发育。本次测试现场方案如下：在隧道开挖方向左边墙布置24个炮孔（激发孔位，间距1．5m），左右边墙各1个接收孔位，最小偏移间距为20m。激发孔间距1．5m，高度1．2m，孔深1．35m，孔径50mm，倾角9°，每孔装药量100g，接收孔高度1．6m，孔深2．0m，倾角0°，现场布置如图1所示。数据采集前，测量各孔的相对位置、深度、倾角并做好记录，装填炸药，安装接收器，连接好仪器。为采集到较好的TSP原始数据，要求隧道内一切工序均停工，检波器安装时采用黄油耦合，通过采用高吸声材料封堵接收孔来抑制声波噪声。准备完毕后进行爆破，采集数据。

2．3数据分析

通过TSPwinPLUS软件对采集数据进行处理，得到TSP推断成果图。图2为TSP超前预报围岩力学参数分布图，图2中里程0代表K204＋010。可以看出，在掌子面（里程50m）前方一定范围内围岩波速（Vp／Vs）、泊松比、密度、动弹模等参数均有显著变化。图3为TSP二维成果图，可以看出，在掌子面前方一定距离存在一段较小区域的波速降低区域，即节理裂隙发育较为发育。根据上述解释成果并结合地勘资料、掌子面开挖揭示围岩情况，对掌子面前方120m范围内围岩情况进行如下预测：1）DK203＋958～DK203＋918（40m）：该段纵波、横波波速与当前掌子面波速一致，密度和杨氏模量基本不变，泊松比及Vp／Vs较掌子面不变，判断其围岩情况与当前掌子面相似。2）DK203＋918～DK203＋890（28m）：该段纵波、横波波速较掌子面均有小幅度下降，密度及杨氏模量相对下降，且Vp／Vs和泊松比略有上升，以负反射为主，判断其围岩情况较掌子面略差，节理裂隙发育，岩体破碎，稳定性较差，地下水弱发育，施工中应注意洞顶掉块塌方，宜加强超前支护。3）DK203＋890～DK203＋838（52m）：该段纵波波速较掌子面明显上升，横波波速较掌子面略有下降，密度和杨氏模量皆低于掌子面，且Vp／Vs和泊松比较掌子面上升，以正反射为主，综合判断其围岩较掌子面变好，节理裂隙较发育，地下水不发育，岩体完整性较好。

2．4现场开挖验证

由TSP超前地质预报可得，隧道前方大致40m～70m距离内围岩情况变差，节理裂隙发育丰富，施工危险性较大，而前期地勘和设计资料中将该区段统一归为Ⅴ级围岩，未做明显区分。现场隧道掘进施工中，逐步开挖揭示围岩情况，其典型情况如图4所示。由图4可以看出，该断面围岩节理裂隙发育，岩层呈薄层状碎裂结构，掌子面较为干燥，地下水不发育，与掌子面围岩相比，岩体质量较差，施工中以产生岩层剥落、掉块，洞顶塌方，与2．3中2）围岩预测结果较为吻合，说明TSP超前地质预报较为准确，达到了预报目的。

3结语

本文以中兰客专某岩质隧道为依托，详细介绍了TSP在隧道超前地质预报中的应用关键技术，通过与场隧道开挖揭示的围岩情况对比证明，裂隙水不发育的片岩地层，TSP地震反射波法预报较为准确，有效探测距离可达120m。TSP作为一种基于弹性波反射理论的物探方法，其预报成果的准确性依赖于数据采集、解译方法，以及解释人员对波速、泊松比、动弹模等参数的理解和工程地质知识储备，需紧密结合现场地质情况，在隧道开挖过程中及时跟进，动态反馈地质信息，不断与预报结果对比验证，积累经验，才能获得较为满意的预报结果。

参考文献：

［1］关宝树．隧道工程施工要点集［M］．北京：人民交通出版社，2011．

［2］陈志敏，欧尔峰，马丽娜．隧道及地下工程［M］．北京：清华大学出版社，2014．

［3］张庆松，李术才，孙克国，等．公路隧道超前地质预报应用现状与技术分析［J］．地下空间与工程学报，2008（4）：766⁃771．

［4］张光旭，李献民．TSP地震波法隧道超前探测工程应用与对比分析［J］．中国公路，2019（15）：114⁃116．

［5］许振浩，李术才，张庆松，等．TSP超前地质预报地震波反射特性研究［J］．地下空间与工程学报，2008（4）：640⁃644，716．

［6］刘云祯．TGP206与TSP203地质预报系统优势对比分析［J］．隧道建设，2014，34（3）：198⁃204．

［7］李义圭，杨乔，霍小云．动态超前地质预报技术在高风险隧道中的运用［J］．山西建筑，2020，46（3）：136⁃138．

作者：郑烨晨 石宏泰 黄河 付庭茂 樊茂林 单位：中铁七局集团第三工程有限公司