21_复杂铁路隧道施工地质超前预报中TSP探测技术应用研究
TSP法隧道超前地质预报技术研究与应用
TSP法隧道超前地质预报技术研究与应用牟元存，李星，高树全，王凯（中铁二院成都工程检测有限责任公司工程检测一所，四川成都610031）摘要：长大隧道无法绕避部分不良地质问题而面临着更为复杂的工程地质和水文地质环境，这对隧道施工过程中的防灾减灾和超前地质预报工作提出了更高要求。
采用隧道综合超前地质预报技术，通过二十余条铁路线的上百座高风险隧道（近2000km）超前地质预报实践，在总结经验教训的基础上，开展了隧道掌子面前方超前地质预报物探成套技术研究。
结合大量预报实践及课题中的TSP法正反演数值模拟预报效果测试情况进行阐述，对不同不良地质条件下的物探响应特征进行总结。
该研究成果对采用类似技术开展隧道超前地质预报的同类方法具有指导意义。
关键词：高速铁路；隧道超前地质预报；物探；TSP；正反演数值模拟中图分类号：U452文献标识码：A文章编号：1001-683X（2022）01-0045-06 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2020.10.21.0450引言目前，我国铁路隧道超前地质预报技术体系包含的方法有地质调查法、物探法、钻探法和超前导坑法，其中物探法中又有地震波反射波法、地质雷达法、瞬变电磁法、激发极化法等。
由于各种物探方法有其优缺点和适用范围，针对不同的不良地质情况采用最优化的预报方法组合模式，能够事半功倍提高预报准确率［1-6］。
为此，在大量隧道超前地质预报工作实践的基础上，开展了隧道掌子面前方超前地质预报物探成套技术研究，基于TSP法结合大量的工程实践总结和数值模拟正反演情况进行阐述。
众所周知，TSP弹性波反射法属长距离预报的物探手段，一般当隧道开挖有60m左右空间时，可布置观测系统开展TSP法超前预报工作，在绝大多数环境下，其预报距离在100m以上。
采用该方法不仅能对断层破基金项目：中铁二院工程集团有限责任公司科技研究开发计划项目（12198008（12-14））第一作者：牟元存（1980—），男，高级工程师，硕士。
综合超前地质预报技术在隧道施工中的应用
综合超前地质预报技术在隧道施工中的应用发表时间：2017-03-23T11:13:25.420Z 来源：《基层建设》2016年35期作者：周陈婴[导读] 摘要：在地质复杂区修建隧道时，为降低施工灾害发生频率，确保施工安全，施工前有必要进行超前地质预报。
（中交第二公路勘察设计研究院有限公司湖北武汉 430056）摘要：在地质复杂区修建隧道时，为降低施工灾害发生频率，确保施工安全，施工前有必要进行超前地质预报。
以某隧道为依托，通过地质分析，运用TSP-203、GPR等物探手段进行了探测，探测结果与现场实际揭露情况基本吻合，对隧道施工起到了积极作用,降低了施工风险，保证了安全。
关键词：超前地质预报、地质雷达、TSP、GPR引言随着我国交通事业的快速发展，铁路建设进入高速发展阶段。
我国已成为世界上隧道修建规模与难度最大的国家。
特别是随着重大工程建设重心向地形地质极端复杂的西部山区与岩溶地区转移，正在或即将修建大量的高风险深长隧道工程。
由于深长隧道(洞)在施工前期难以全部查清沿线不良地质情况，导致施工过程中往往遭遇突水突泥、塌方、大变形等重大地质灾害，造成人员伤亡，机械设备报废，部分隧道被迫停建或改线，环境破坏严重，经济损失巨大。
1超前地质预报发展现状及基本原理1.1 TSP超前地质预报TSP超前预报系统采用地震波反射原理，地震波由24个爆破点上的小剂量炸药爆炸产生，当爆炸产生的地震入射波遇到岩体结构有变化的岩层时，在不同介质的分界面上，部分入射波被反射，采用电子传感器接收。
因地震波在岩体中以固定的速度传播，所以反射波的到达时间和入射波到达不同岩体分界面的距离成正比，故能间接测量地质变化带和测点之间的距离，预测隧道掌子面前方的地质结构及围岩地质状况。
1.2 地质雷达探测法地质雷达探测法基本原理是由发射机发射脉冲电磁波，其中一部分是沿着掌子面传播的直达波，经过时间t1后达到接收机；另一部分电磁波传入岩体中，在波的传播过程中遇到电性不同的岩体时，电磁波会发生发射，经过时间t2后达到接收机，然后根据两种波传播时间的差值来确定掌子面前方不同岩体的具体位置[3]。
TSP探测系统在隧道超前地质预报中的应用
点的传播时间及反射系数 ， 将反射体位置由时 间域 映射到 空间域 ， 应 进 行 地震 波 偏 移 处理 。 目前 地 震
波 偏移处 理方 法应用 较 多的主要 有 时间偏 移和深 度 偏 移 。在 常规 时 间偏 移 方 法 中 ， 由于 没 有考 虑 界 面 倾 斜 引起 的那 部 分偏 移 ， 结 果 误 差 往往 较 大 。而 深 度 偏移 基本 能够使 反 射 波 正确 归 位 ， 绕 射 波 自动 收 敛， 干 涉带 自动分解 ， 从 而得 到与掌 子面前 方地 质构 造 原像 极为 接近 的偏 移 图像 ， 其基 本 思 想 是 由 时 间 剖 面先 得到 普通 的偏 移 时 间剖 面 ， 再 对 偏 移后 的剖
Ｐ波偏 移剖 面
某 隧道 呈东 西 向展 布 ， 全长 ４ ０ ５ ｍ， 左 线 进 口端
洞 口桩 号 Ｋ ３ ５＋ ６ ５ ５， 出 口端 洞 口桩 号 Ｋ ３ ６＋ ０ ６ ０ ， 项
探。
事 件表 、 纵横 波速 和岩 体物性 参数分 析 ， 可 以得 出 比
较准 确 的超 前地质 预报 … 。
超 前地 质 预 报方 法 有很 多种 ， 按 探 测位 置 可 以
分 为地 面预报 和 掌子 面 预 报 ， 按 对 岩体 的作 用方 式 可 以分 为破坏 性 方法 和 非 破 坏性 方 法 ， 按 预 报距 离
面进行 校正 ， 从 而得 到 真 正 的深 度 剖 面 。 以深度 偏 移分 析为 主 ， 从构 造 分 析 出发 ， 结 合 反 射层 图 、 反射
TSP超前探测技术应用分析
４ 数 据 解 释
在成果 解 释 中 ， 预报 裂 隙水 常遵 循 以下 准则 ： ① 若 Ｓ波 反射较 Ｐ波 强 ， 表 明 岩 层饱 含 水 ； Ｖ／ 则 ② 。Ｖ
［ ］ 工 程 地 球 物理 学 报 ，０４，（ ） １９ １４ Ｊ． ２ ０ １ ２ ：５ —６ ． ［ ］ 刘 志 刚 ， 秀 峰 ． Ｓ 在 隧 道 隧 洞 超 前 预 报 中 的 应 用 与 发 腮 ３ 刘 ＴＰ ［ ］ 岩 石 力 学 与工程 学 报 ，０ ３２ （ ） １３ ９１４２ Ｊ． ２０ ，２ ８ ： ９ ０ ． ［ ］ 鲁 光 银 ， 自强 ． Ｓ ４ 朱 Ｔ Ｐ在 公路 隧 道 超 前地 质 预 报 中 的 应 用 研 究 ［ ］ 水 文 地 质 程 地 质 ，０ ５ ２） １１１３ Ｊ． ２ ０ （ ：０ －０ ． ［ ］ 王洪 勇 ． 合 超 前 地 质 预 报 在 圆 梁 山 隧 道 中 的应 ． ［ ］ 现 代 ５ 综 ｝ Ｊ． ＝ ｛ ＝ Ｉ
此 次预报 采用 的是 Ｔ Ｐ２ ３ ｌｓ Ｓ ０ ｐｕ 系统 ， 隧道 进 对 口 Ｚ ２ ０ ｌ～Ｚ １７＋２ ８段 进 行 探 测 ， 测 范 Ｋ１７＋ ９ Ｋ２ １ 探 围共 １ ７ｍ。沿 隧道 右侧 洞壁 布 置 ２ ２ ４个 爆 破点 ， 爆 破点 平行 于隧 道底 面呈线 形 排列 ， 距 １５ ｍ， 深 孔 ． 孔 １５ ｍ， 孑 垂 直 于边 墙 向下 倾 斜 １ 。 ０ 以利 于 ． 炮 Ｌ ５ ～２ 。
TSP法隧道超前地质预报技术研究与应用
TSP法隧道超前地质预报技术研究与应用摘要：TSP隧道的地质超前预测，是通过在隧道周围的岩石中，按照一定的排布，产生一种弹性波，当弹性波传播到三维空间时，接触声阻抗分界面，也就是地质岩相变界面、结构断层带、喀斯特及喀斯特发展带等,将发生一种弹性波反射情况，这个反射波由埋设在巷道周围岩石中的探测设备探测到，向仪器输入实施信息源的扩增、信息收集和分析。
关键词：TSP法；隧道；地质预报引言物探技术能极大地影响每天的地质灾害勘查工作。
在科学技术飞速发展的今天，在国内，物探技术已经成为了一项重要的工程，它是保证工程质量和安全的重要手段。
TSP法是利用物探技术对隧道工程进行地质预测的一种先进技术。
所以，在进行TSP探测预报的时候，一定要对隧道的地质状况有一个全面的认识，在数据采集、处理和评估的每一个环节都要有针对性，这样才能保证地质预报的可靠性和准确性。
一、TSP原理及特点（一）原理隧洞超前地质预测检测法是利用TSP进行的，它的观测系统是按空间分布的，而接收和激励系统则分别位于隧洞两侧的岩层中。
地震波的产生是通过小爆炸，电火花，撞击等方式来实现的。
TSP能对两侧及上、下两个层面的回进行甄别、过滤，只留下掌子面前的回波，防止了误报警；并给出了掌子面前的岩石波速度及地层接触面的精确图像。
地震波速度可作为岩体工程等级划分的基础，而界面可作为地质结构解释的基础。
在不同的阻抗界面条件下，地震波将会在不同的阻抗界面上被部分反射，而另一些则会传输到前方介质中。
利用高灵敏的测震仪对反射回波进行探测。
利用地震波软件对数据进行处理，就可以对隧道工作面前方不良地质体的性质、位置和规模进行了解。
（二）特点将TSP方法应用于隧道地质超前预测，能够充分利用TSP方法的高精度、高实时、大范围、易操作、易推广等优点。
首先，利用TSP方法，在隧道沿线构造地质点和地质点间构建关联地图，实现对可能发生的地质灾害的精确预报，为隧道建设提供精确的地质资料。
TSP超前预报法在某公路隧道施工中的应用
拉性构造 ，构造带岩体破碎松散 ，未充水 ；弱的纵波 与横波的反射 ， 以及 弱的地震波衰减 ，表征为破 碎裂隙 闭合 。
（ ５）横波 （ ｈ ｖ ）的反射强 ，而 纵波 （ 波 ）反射 弱 ，而 ｓ 波ｓ 波 Ｐ
产生 ，激发炮孔在洞壁一侧沿直线布置 ，一般采用２个炮孔 。地震波 ４
的接收器也安置在孔中 ，一般左右壁各布置一个 。地震波在岩石中以 球面波形式传播 ，当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时 ，例如断层、 岩体破碎带 、岩性变化或岩溶发育带等 ，一部分地震信号反射回来 ， 部分信号透射进入前方介质继续传播和发生反射 。反射的地震波信 号被高灵敏度 的地震检波器接收 。地震波反射信号 的传播时间与传播 距离成正 比，与传播速度成反 比，因此 ，通过测量直达波速度 、反射 回波的时 间、波形和强度 ，可 以达到预报隧道掌子面前方地质条件的
工程地质特 征 ： 该段 围岩岩体稳定性转好 。 不良地质现象 ：该段围岩 节理较掌 子面发育 ，节理面产状同隧道 轴线近垂直 ， 应注意掉块 。 围岩总体评价 ：该段围岩岩质转好 ，节理 较发育 ，总体估计为Ⅳ
搬 。 （ ４）Ｚ ８ ３ ２一Ｚ ８ ４ ０ （ ８ ） Ｋ１＋ ９ Ｋ１ ＋ １ １ｍ
段 。本文 以某公路隧道为例 ，介绍了Ｔ ＰＴ ｎ ｅ Ｓ ｉ ｉＰ ｅｉｉｎ Ｓ （ｕ ｎ ｌ ｅ ｍ ｃ ｒ ｃ ｏ ） ｓ ｄ ｔ 超 前预报方法在该工程 中的应用 。
１ 地 貌 、地 质 分 析
Ｔ Ｐ Ｇ 系统 是北京 市水电物探研究所专门为隧道及地下工程施工超前地 质 预报研制开发 的技术 成果 ，已经经过 国内著名隧道 专家组评审 ，鉴 定为具有 国际先进技术水平 。 （ ） ３ 探测方法 。采 用黄油耦合 ，定 向安置孔 中三分量检波器 ； 记录检波器接收孔 、激发炮孔和隧道掌子面的里程 ，以及各炮孔之间 的距离。填 写 《 Ｇ 现场 数据 记录表 》和现场采集时输入至仪器的采 ＴＰ 集 参数中 ，爆破孔药 量一般控制在６ —ｌＯ ，采用 计时线 炸断的触 Ｏ ２克 发 方式 ，在孔 中灌满 水的条件 下激发 ，按序依次起爆 和进行数据 采
TSP法地质超前预报技术在隧道工程中的运用
图 １ ＴＳＰ 探测原理图
图 ２ ＴＳＰ 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 要 ４５ｍ ｉｎ，加上探测前的准备工作和探测以 后系统清除所用的时间也不过 ２ｈ，另外探测 前的准备工作可以在施工的同时执行。
（５）节约投资费用，据国外隧道施工经验 估计，采用 ＴＳＰ 法比不进行预报节省费用是 全部工程的 １５％。
统两部分。ＴＳＰ 采集系统由记录仪、接收仪和 启爆装置等组成见图 ２。通常要求采用两个 接收仪和 ＜３ 个爆破孔组成，接收仪孔和爆 破孔分别布置在掌子面附近两面的边墙上。 接收仪是用来接收地震信号的仪器，安装在 一个被水泥或两节环氧树脂夹固定在岩层上 的管套里面。启爆装置是由一个常规的带有 发射回路的外部触发盒的爆破器组成。
收稿日期：２００６－０８－２１ 作者简介：刘纪明（１９４９－），男（汉族），江苏靖江人， 工程师；吴雷雷，工程师。
１ 地质超前预报的常用方法及其优缺点 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 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 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。 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 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； 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 法。波反射法也可以分为电磁波反射法和地震波反射法。 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 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 层）的隧道中预报的难度很大。 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 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（Ｇ ｒｏ ｕ ｎ ｄ Ｐｅ ｎ ｅ ｔｒａ ｔｉｎ ｇ Ｒ ａ ｄ ａ ｒ简称 Ｇ ＰＲ）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（Ｔｕ ｎ ｎ ｅ ｌＳｅ ｉｓｍ ｉｃ Ｐｒｅ ｄ ｉｃ ｔｉｏ ｎ）是由瑞士 Ａ ｍ ｂ ｅ ｒｇ 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。 （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 掌子面前方 １００～３５０ｍ 。 （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。
TSP超前地质预报技术在阳山隧道中的应用
25 2021年第5期工程前沿TSP超前地质预报技术在阳山隧道中的应用李 斌中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039摘 要：TSP技术是一种适用于各种类型隧道超前地质预报探测的方法，具有探测距离远、覆盖范围广、经济高效等特点，在各类隧道施工过程中得到的普遍推荐。
文章以贵州毕节阳山隧道为应用实例，采用TSP-203系统对隧道出口南线岩性接触带的不良地质体进行探测，研究TSP技术在地质复杂隧道中的应用效果，为隧道安全施工、改善施工工艺和设计支护参数提供可靠依据，从而降低隧道施工过程中的不良地质风险。
关键词：TSP技术；超前地质预报；岩性接触带中图分类号：U452.1+1文献标志码：A文章编号：2096-2789（2021）05-0025-03贵州是我国喀斯特地貌分布最广泛的省份之一，充足的降水和地表的石灰岩岩层为岩溶发育提供了适宜条件。
在隧道施工过程中，因岩溶发育和岩层变化导致的突水突泥、冒顶塌方等事故经常会造成较大的人员伤亡和经济损失。
TSP技术是一种应用于整个隧道长距离、大范围探测的超前地质预报方法，其主要目的是探测掌子面前方100～150m内大的断层及其破碎带、岩性接触带、岩层分界面、裂隙发育、岩溶等情况，可以粗略划分地层界限、围岩等级，目前超前地质预报各类技术属于应用最普遍的技术方法[1-3]。
1 工程背景阳山隧道位于贵州省毕节市七星关区南部新区北部，穿过阳山森林公园，最大埋深为190m。
工程区域处于南岭东向构造带的北部，川黔南北向构造带和滇西南北向构造带之间，分布有人工填积层、第四系残坡积层、三叠系上统须家河组和三叠系中统关岭组地层。
隧道南线起止里程为SK0+490～SK2+331，长为1841m。
因隧道灰岩段岩溶发育，灰岩与砂岩交界的岩性接触带裂隙发育、岩体破碎、自稳性差，并且导水裂隙发育，有突水和涌水的可能，对隧道施工造成了很大的安全隐患[4]。
2 TSP工作原理TSP技术采用了回声测量的地震波反射原理[5]。