TSP超前地质预报在隧道中的应用

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TSP超前地质预报在隧道中的应用

童峥嵘，黄炳营，秦业，李顺

（中国水利水电第十四工程局有限公广东分公司，广东 广州 510800）

摘 要：利用TSP超前地质预报系统进行有效地预测掌子面前方的地质情况，已经得到业界的广泛认可。根据TSP的探测原理以及最新的技术发展，结合江门市南山路新建道路工程南山路隧道的应用实例，对掌子面前方100～150m范围内的地质情况做出预报，并对探测成果进行解析，并给出提高准确性的一些建议。关键词：南山路隧道；TSP超前地质预报系统；成果解析

中图分类号：TV554；P631.3 文献标识码：B 文章编号：1006-3951(2016)04-0055-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2016.04.019

0 引言

在隧道施工过程中，由于前方地质情况不明，常常出现各种险情，施工单位对此都付出了很大的努力，一直希望寻求一种简单可行的办法来探明隧道前方的地质情况。目前，常用的隧道超前地质预报方法主要有地面地质调查法，断层参数预测法和TSP、HSP等仪器探测方法、掌子面编录预测法、不良地质前兆预测法和地质雷达、红外线超前探水等仪器探测方法。各种预报手段和方法都有其各自的适用范围和特点，其中TSP探测是目前预报距离最长、适用范围最广、预报效果最好的超前预报手段和方法[1]。

根据初勘资料及野外观测，基岩主要发育有以下5组节理：①产状为55°∠86°，每米发育4条；∠31°，每米发育3～4条；③②产状为286°

产状为310°∠60°，每米发育3～5条；④产状为228°∠73°，每米发育2～3条；⑤产状为173°∠86°，每米发育4～7条。

据钻孔揭露，隧道区地层覆盖层主要为残积砂质粘性土层，山间凹地零星分布填土层、耕植土层及粉质粘土层，基底主要由寒武系混合花岗岩风化层组成，各岩土分层自上而下为人工填土层(Qmi）、耕植土层(QPd）、冲积层(Qal)、残积土层(Qel)；基岩为寒武系混合花岗岩层，根据其风化程度和揭露深度为全风化带、强风化带、中风化带、微风化带：①岩石全风化带原岩组织结构己基本风化破坏，呈坚硬土状，遇水易软化、崩解。②岩石强风化带原岩组织结构大部分己风化破坏，呈半岩半土状或碎石火土状，岩质软。中厚层构造，③岩石中风化带岩性为混合花岗岩，

节理裂隙发育，岩质稍硬。④岩石微风化带岩性为混合花岗岩，中厚层构造，岩质坚硬。隧道区地下水主要为基岩裂隙水，埋藏较深，稳定水位位于隧道结构线以上。

1 工程概况

1.1 地形地貌

南山路隧道是江门市南山路（江海路—五邑路）新建道路工程的关键性控制工程，隧道起止点桩号为K1+970～K1+521，全长449m，洞高约10m，处低山丘陵，隧道区地形起伏大，地面标高约19～55.00m，地面植被发育，主要为灌木及经济林。

1.2 地质概况

新会断裂在线路东南段（南山村附近）通过，断裂的走向北东30°～50°，倾向南东，倾角55°～80°，属正断层，断层导致地貌反差强烈，北西盘（下盘）相对上升为丘陵山地，东南盘（上盘）相对下降为平原区，两者分界截然。

2 TSP超前地质预报工作概况

江门市南山路（江海路-五邑路）新建道路工程南山路隧道超前地质预报采用吉林大学工程技术研究所研制的TSP24超前地质预

*

收稿日期：2016-05-03

作者简介：童峥嵘(1977)，男，湖南岳阳人，工程师，从事公路工程施工技术及管理工作。

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报系统及速度型三分量检波器采集数据。以K1+570～K1+690段预报为例，预报作业区域为：掌子面桩号为K1+690，检波孔桩号为K1+754，探测范围为K1+570～K1+690，预报长度共120m。

该段掌子面围岩主要为中风化混合花岗岩，呈灰黄色，花岗变晶结构，中厚层构造，节理裂隙发育，整体岩质稍硬。围岩稳定性一般，若施工控制措施不当，在隧道施工过程中易发生掉块；当前掌子面地下水较发育，掌子面潮湿，见图1。

图1 掌子面K1+690围岩情况图

根据隧道岩层主结构面，将主探测壁布置在隧道左壁，共激发24炮，有效炮点数22炮。炮点间距1.5m，检波孔与最后一个炮孔间距20m。激发孔和检波孔布设见图2。

图2 激发孔和检波孔布设图

布孔建议遵循以下步骤[2]：①量测当时开挖到的里程，因为在TSP探测记录表中需要里程。

②根据要求计算，要在隧道边墙上，距离掌子面

大约60m处的位置布置一个大约深2m，50mm左右的孔，作为接收器安装孔。③在接收器安装孔侧的边墙上，向掌子面方向丈量20m左右，开始布置爆破孔，孔径在42mm左右，向下倾斜15°，深度大约为1.5m，孔与孔之间的距离要求为1.5m。如果在空间不够的情况下可以缩短孔间距或者减少孔的数量。炮点之间的距离可以减短也可以增加，间距绝不能超过2m，根据实际经验

与要求，爆破孔的数量绝不能少于18个，否则将得不到TSP探测成果。接收孔和爆破孔应在同一平面上，距离地面高度大约为1.5m。

3 TSP24隧道地质地震波探测系统介绍[3]

本工程隧道地质预报工作采用TSP24隧道地质地震波探测系统是先进的地质勘探技术与现代电子技术和人工智能相结合的高科技产品，系统主要应用于隧道开挖过程中探测掌子面前方地质构造的位置和产状，以保证隧道安全生产和工作量的准确评估。

TSP24隧道地质地震波探测系统由主机、传感器、震源、数据分析软件和用户技术支持体系组成。仪器主机采用先进设计理念将计算机技术与现代电子技术结合，具有24个独立的高精度采集通道（24位模数转换器），可驳接三分量加速度传感器或速度型地震检波器。图3为TSP24隧道地质地震波探测系统示意图。TSP24 的主要技术参数见表1。

表1 TSP 24 主要技术参数表

主要技术

参数主要技术参数通 道 数3 道

采用点数4k频带范围5Hz～50kHz动态范围144dB前置放大16dB～48dB道间抑制比> 80dB输入阻抗20 kΩ同步方式自触发、外触发A/D 转换ΔΣ24bit记录格式

GeoPen 数据格式 / SEG2 / SEGY

采 样 率

0.05ms

　　（①、接收主机 ②、HUB集线器 ③、爆炸机 ④、加速度型探头 ⑤、速度型探头）

图3 TSP24 隧道地质地震波探测系统示意图

4 TSP预报方法和原理

TSP24 隧道地质超前预报系统是通过在掌子面后方一定距离内的钻孔中以微震爆破来发射信号的，爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，经隧道前方的界面反射回来，反射信号经接受传感器转换成电信号并放大。从起爆到发射信号被接收

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的这段时间是与反射面的距离成比例的。通过反射时间与地震波传播速度的换算就可以将反射面的位置、与隧道轴线的夹角以及与隧道掘进面的距离确定下来，同时还可以将隧道中存在的岩性变化带的位置方便的探测出来[4]

。其原理见示意图4。

图4 隧道地震波地质预报（TSP）原理示意图

采集的TSP数据，通过TSP24数据处理软件进行处理，获得P波、SH波、SV波的速度剖面、深度偏移剖面和反射层提取以及岩石物性参数等一系列成果。

在成果解释中，以P波资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释。解释中，遵循以下准则[5]：①正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层。②若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水。③波速比Vp/Vs或泊松比增大，常常由于流体的存在而引起。④若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。

5 TSP探测成果与地质解释

5.1 TSP探测成果

用TSP24数据处理软件对接收到的地震波信号进行处理，得到掌子面前方岩体波速、分界面及岩体物理力学参数等成果。图6为PS波信号分

图6 PS波信号分离图

离图。图7为深度偏移图。图8为岩体物理力学参数成果图。图9为掌子面前方岩体主要信号反射面3D显示图。

5.2 探测成果

详细解释见探测成果,见表2。

图7 信号提取的深度偏移图（从上到下依次为P波，SH波，SV波

偏移成像）

图8 岩体物理力学参数成果解释图

图9 掌子面前方岩体主要结构反射面3D显示图

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表2 地质解释成果表

桩号

地质解释

推断围岩级别

该段围岩岩性与掌子面岩体性质接近，主要由中风化混合花岗岩组成，原岩

K1+690～结构受地质构造影响较为严重，该段围岩级别为ⅣK1+654围岩纵波速度与岩体泊松比保持不变，级

岩层节理裂隙、发育较为明显，基岩含有较丰富的裂隙水，围岩完整性差该段围岩主要由强风化混合花岗岩及少量中风化混合花岗岩组成，地震波K1+654～

反射较为强烈明显，围岩纵波速度稍

K1+607

有上升，横波速度稍有下降，影响岩

围岩级别Ⅴ级

层岩石波速比同时上升，岩体泊松比上升明显。该段围岩局部夹杂孤石易坍塌变形，围岩完整性较差该段围岩横波有明显反射，岩石纵波波速基本不变，横波波速下降，岩石泊松比稍有上升，但岩石动弹性模量

K1+607～保持不变，判断该段围岩岩性主要为K1+570中风化混合花岗岩，岩石硬度较前一

围岩级别Ⅳ级

段围岩要高，但岩体因风化破碎较严重，节理、裂隙发育较为明显，完整性差，岩体中富含裂隙水

5.3 结论与建议

据掌子面地质调查情况，围岩为中风化混合花岗岩，节理裂隙发育较为明显，围岩完整性差。根据TSP探测结果及地质调查分析，K1+654～K1+607段围岩等级相对较低且部分风化较为严重，岩层结构局部较破碎且夹杂孤石，在隧道开挖过程中若不引起重视，围岩可能发生变形，处理不当还会发生大坍塌以及侧壁的小坍塌现象。建议施工时对围岩较差区域考虑超前钻探预报工作，加强围岩支护，必要时采取超前支护，同时加大现场监控量测力度，防止拱部和掌子面岩块掉落伤人及塌方等工程事故的发生。

6 提高TSP系统预报准确性的建议

[6-7]

6.1 数据采集

1）激发孔和检波孔的布置要考虑地质构造的走向与隧道轴线之间的关系，将炮点布置在隧道的前进方向和地质构造线的走向夹角成钝角一侧的隧道洞壁上。

2）尽量根据掌子面情况以及勘察设计文件了解隧道掌子面前方的地质构造和岩层情况。

3）检波孔：可以选择在隧道洞壁的两侧各布置1个接收器，在数据记录处理时可以相互参考进行处理分析。接收器要尽量布置在结构致密的围岩中，以避免疏松岩层对反射信号的滤波效应，影响接收信号的频带宽度和主频值。

4）炸药量应根据围岩的坚硬程度、风化程度以及炮孔距离接收孔的位置来选择。一般在坚硬的围岩中，可以选择小炸药量；在较软岩或风化

程度较严重的围岩中，应选择较大炸药量，但需

要考虑围岩的承受能力。另外，随着炮孔远离检波孔，激发的能量衰减的越快，所以炸药量的大小也随着炮孔和检波孔之间的距离增大而增大。在没有经验的情况下，最好通过做实验来确定。

5）炮孔尽量用水封堵，以保证炸药和围岩的耦合效果，必要时可以用锚固剂封堵。

6）在地震数据采集时，停止附近施工机械操作，切断干扰源。仪器的测线应远离隧道内的电缆线，防止工业电干扰。

7）在安装套管时，应先用锚固剂或环氧树脂充填接收孔，再将套管插入孔内，采用正确的安装措施使套管和围岩耦合牢固，并用锚固剂堵塞套管与孔口之间的缝隙。

6.2 数据处理

1）选择合适的数据长度，可根据经验公式L=2.5×2H/Vp计算，式中，H为从接收器处起算的预计探测范围；Vp为P波的平均波速；2.5为将速度变化和横波速度考虑在内的安全系数；系数2表示双程传播时间。

2）合适的带通滤波范围：当采集的原始信号质量好时，采用软件自身计算值即可得到较好的滤波效果；而当原始信号质量差，应人工手动调整滤波范围，以达到提高信噪比，突出有效波压制干扰波的效果。

3）初至拾取：当现场采集的原始记录信号质量不好时，可以人工手动拾取。首先要进行适当的零切除，将存在的类似地震信号的尖脉冲值充零，在选择偏移距较小的进行切除，使线性回归零，得到较符合岩体真实情况的纵波直达波速度。必要情况下可多处理几次，选取最合理的处理结果。

4）在τ —p域进行Randon变换提取反射波时，选择合理的处理参数，在处理时可减小时差Pmax，可以重点考虑与隧道轴线相交很小倾角的反射层。6.3 资料解译

1）必须了解区域地质情况，加强对隧道整体和工作现场地质情况的详细了解，特别是对地层岩性、产状、完整性、节理、构造、地下水等特征的了解。

2）必须要掌握地质知识和地球物理知识，了解所要探测的不良地质体（节理、断层、溶洞等）及其组合在一起的各种情况下的地质地球物理特征，根据TSP探测处理结果正确预报隧道施工可

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能遇到的不良地质体的类型、大约位置、规模和产状，并分析可能发生的地质灾害的类型和对隧道隧洞施工的影响程度。

3）要充分考虑地质情况的多变性和物探资料的多解性，在进行处理成果图解译时要考虑到各种可能性，综合分析后选择最合理的结果。

4）在已做过TSP探测预报的隧洞中，及时地跟踪和验证预报结果，总结预报成果与开挖实际情况的对比结果，积累经验，分析原因，提高数据处理和预报结果的准确性。

可以得到较准确的预报和探测，特别是对岩性的变化有着较高的准确率。

3）TSP探测技术已成为准确且有效的超前预报手段，可以有效预防地质灾害的发生，确保工程人员的生命财产安全，加快施工进度、提高工程质量以及节约成本，具有显著的经济效益和积极的社会效益。

参考文献：

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[2] 刘建平，李少斌. TSP 技术在公路隧道超前地质预报中的应用[J].黑龙江交通科技，2015(10)：71-75.

[3] 雷亚妮，杜立志，张晓培,等.TSP 24隧道超前地质预报系统及其应用[J].华北地震科学，2013,31(4)：41-46.

[4] 张勇，张子新，华安增.TSP 超前地质预报在公路隧道中的应用[J]．东北公路，2001,24(2)：77-79.

[5] 汤博，李志刚.TSP24 地质超前预报在隧道中的应用[J]．水科学与工程技术，2014(5)：65-67.

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[7] 王峰.基于模糊综合评判法的TSP预报准确性研究[D]．中国知网：湘潭大学，2012:15-19.

7 结语

1）南山路隧道随后的施工实践验证了TSP24超前地质预报结果的正确性，当掘进到K1+655桩号时，围岩开始由Ⅳ级转向Ⅴ级，岩层变差；K1+607～K1+570段范围内岩层破碎，触摸有潮湿感。

2）TSP24 超前地质预报系统能够快速、准确地判断出隧道掌子面前方的各种不良地质体的性质及空间位置，例如：软弱岩层的分布、断层及其影响带、破碎和裂隙发育带、含水情况等都(上接第34页)

重点难点以及注意事项。目前集团公司、公司对设备物资集中招标采购工作极为重视，并已下达了集中招标采购率、上网采购率等各项指标，通过集中采购平台科学的进行设备物资集中招标采购也将成为未来的趋势，为了能够让分公司各项目部的设备物资管理人员提前了解集中采购平台的工作流程，分公司于2015年11月通过PPT讲解的方式组织分公司各项目部设备物资管理人员开展了一次设备物资集中招标采购工作学习交流会议，最终达到了使各项目部设备物资管理人员基本的了解了集中采购平台操作流程的目的。

封完好状态，现场开标、评标过程中由指派的纪委监察人员全程跟踪，纪委监察机构联系信息采用公开制，使集中招标采购工作更加透明、更加公正。

4 对于设备物资集中招标采购工作在未来的规划

对于设备物资集中招标采购工作，分公司将继续加大工作力度、迎接新的挑战，规避设备物资采购成本风险[7]，努力完成各项指标，使分公司整体的经济效益得到有效的提高。

参考文献：

[1] 宋炜.大型企业设备物资集中采购管理体系的创建和实施[J].科学与财富.2015,76(5):300-301.

[2] 司素珍.关于物资设备集中采购管理的注意事项分析[J].大科技.2015(19):23-24.

[3] 罗士亮.设备物资采购在工程物资管理中的重要性研究[J].科技致富向导.2010,42(22):69-78.

[4] 伍航帆.工程项目中物资设备成本管理的探讨[J].科学时代.2015,159(11):17-18.

[5] 高端芬.对物资采购企业廉洁风险防控管理的建议与思考.[J].现代商业.2014,346(32):182-184.

[6] 田增强.分析企业设备物资集中采购管理体系的实施.[J].建筑工程技术与设计.2015,77(29):178-179.

[7] 胡飞.企业物资采购中存在的风险及其防范措施[J].工程技术（引文版），消费研究，2015，22(11)：79-80.

3 集中采购工作是促进廉洁采购的重要举措

集团公司推行通过集中采购平台对各二级单位所需的设备物资进行公开集中招标采购，不仅降低了设备采购成本、使所采购设备物资的质量达到施工要求、增加了设备物资采购的工作效率，同时也规避了采购过程中存在的暗箱操作、违规采购行为给企业所带来的风险，公开集中招标采购方式，使集团公司所有达到投标条件的合格供应商，均有资格参与投标，所有评标专家均通过集中采购平台抽取，投标人所递交的投标文件在开标前均处于密