TSP203超前地质预报系统工作原理及其应用研究

■高 玮 ■河南水利与环境职业学院(土木工程系)，河南 郑州 450008

随着我国的交通基础建设的大力发展，作为其重要组成部分的隧道工程要想在设计阶段、施工阶段完全搞清楚隧道所处位置的工程水文地质情况，以及不良地质体的状态特征是非常困难的［1］。面临复杂多变的地质情况，如果在没有应对地质灾害的应急防范措施的情况下施工，质量安全事故将不可避免。在当前我国安全生产倍受国家和媒体重视的今天，隧道事故的发生造成的影响是巨大的，不仅会延误工程的进度，造成总工期的拖延，而且还会造成工程成本的上升，以及不良的社会影响。为预防隧道施工过程中银地质问题引发突发性地质灾害事故，在隧道开始施工时，必须要做好隧道的地质预测预报，掌握隧道开挖前方的地质情况，在隧道施工前提前做好应急准备，并及时调整施工工艺，确保隧道的安全施工［2］。隧道超前地质预报TSP法是一种预报精度较高、技术成熟的物探方法，是目前国内隧道超前地质预报中使用最为广泛的一种超前探测技术。

1 TSP203预报系统的特点

1．1 TSP203预报系统的特点

隧道超前地质预报TSP203法相比其他的物探方法，TSP203法在隧道地质预报中的使用范围更广、预报的距离也相对更长、准确率也更高。由于该方法在隧道施工的间歇期进行地质预报，因此在施工过程中对隧道的干扰几乎没有，且该方法在预报地质时提交成果也比较及时。结合隧道超前地质预报TSP203法在目前隧道的超前地质预报中使用情况，归纳起来，隧道超前地质预报TSP203法具有以下特点：(1)适用的范围广：这种预报方法是利用地震波在不均匀地质中产生的反射波特性进行预报地质情况的，所以使用范围更广。(2)预报的距离长、准确率高：隧道掌子面前方100～250m范围内的地质状况能被准确预报，且预报长度随着围岩完整发生变化，围岩越完整，预报距离就越大。(3)不会对隧道施工造成干扰：可在隧道施工间歇期进行地质预报，对隧道的正常施工干扰较小。(4)提交成果非常及时：这种方法利用专用的处理软件以及计算机自动绘出地质变化图，处理速度比较快，因此能在现场采集数据后的第二天即可提交正式成果报告。

1．2 TSP203预报系统可解决的主要技术问题

(1)超前地质预报TSP203法能探测掌子面前方是否存在断层、特殊软岩等特殊不良地质体；

(2)超前地质预报TSP203法能对隧道掌子面前方的不良地质体的相对位置以及规模进行有效的探测；

(3)超前地质预报TSP203法能对不良地质体的围岩类别进行有效判断，并预测地质灾害发生的可能性。

2 TSP203地震波超前地质预报系统介绍及工作原理

2．1 TSP203 简介

TSP隧道超前地质预报系统是目前隧道超前地质预报方法中最新的地球物理探测方法之一，代表了当今隧道地质超前预报的最新水平。TSP隧道超前地质预报系统属于多波、多分量、高分辨率地震反射地震勘探方法，其主要组成主要有：洞内资料采集的仪器主要由三分量检波器、仪器主机及起爆器组成。三分量检波器用来接收地震波信号；仪器主机将接收到的地震波信号进行放大、模数转换和数据记录，同时还进行测量过程控制；起爆器用于引爆电雷管和炸药。TSP203隧道超前地质预报法是一项先进的长距离超前预报系统，在很多方面，与其他的地质预报方法相比，其优势非常突出，如对软弱地层的分布，断层及其影响带和裂隙发育带等方面预报。

2．2 TSP203地震波超前地质预报系统工作原理

隧道超前地质预报TSP203法和其它反射地震波方法一样，也是采用回声测量原理。然而TSP隧道地震波超前地质预报系统是利用微量炸药爆破产生地震波在不均匀地质体中产生的反射特性，来达到预报隧道掌子面前方及周围临近区域地质体状况。其基本工作方法是沿平行隧道轴线方向在隧道侧壁布置观测系统，在炮孔中用炸药人工激发地震波，地震波向隧道掌子面前方传播，当遇到岩石弹性不同的分界面时，例如岩层分界面、断层和岩溶等，就发生反射。因此地震波的震源点通常在隧道的左边墙或右边墙，大约24个炮点布成一条直线，用小药量依次进行微弱爆破激发产生。地震波信号在隧道周围岩体内以球面波形式传播。当地震波遇到岩石物性界面(岩石强度发生变化、遇到地层层面、节理面)时，特别是断层破碎带界面，和溶洞、暗河、岩溶、淤泥带等不良地质界面时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被两个高灵敏度的地震检波器接收(一般左边墙与右边墙各一个)，通过软件分析地震信息，从而推断和解释掌子面前方地质构造形态及围岩的力学物理参数。回波信号数据根据返回的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向，通过TSPWIN软件处理。反射信号的旅行时间和反射界面的距离成正比，通过反射时间与地震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，便可了解隧道工作面前方地质体的性质(软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等)和位置及规模，并可计算出其岩石物理力学参数，从而确保隧道施工安全与质量。

3 TSP203系统存在的不足

大量的工程实践资料表明，TSP隧道超前预报系统在隧道施工超前预报方面很有成效。然而对某些不良地质体，TSP预报法预报效果可能达不到预期效果，或者说得出的结论存在一定的局限性，主要体现在以下几个方面：(1)采用一维观测系统，不能准确确定掌子面前方圈岩的波速分布，也不能准确推断反射地质界面的位置和力学性状；(2)对某些不良地质体，有时候不能严格区分岩体的强度，渐变岩体不容易分辨；(3)对溶洞，洞穴以及不连续的地质体预报效果比较差；(4)在进行岩溶灾害预报时，只能对地质体的软弱夹层、断层及断层破碎带、不同岩性分界面以及地层分界面等位置进行预报，而并非对岩溶形状进行探测。因此在隧道施工预报中，所有的地质情况仅依靠TSP系统去解决是不切实际的，因此需要利用综合预报的方法进行，以达到较好的预报效果。

4 结语

隧道掌子面前方的地质情况能够通过TSP203超前地质预报系统及时准确的作出判断，这对隧道施工前对隧道施工方案和施工措施的选择具有重要的指导意义。由于TSP是一种物探方法，现场操作分析人员对仪器使用的熟练程度、施工经验、地质知识等都会影响超前地质预报系统预报的精度，因此这就需要TSP203超前地质预报操作分析人员不断地积累工作经验，积累知识，熟练掌握仪器的使用，才能使预报的结果更加接近事实，从而更好的指导施工。

［1］胡辉荣，于贵.TSP203Plus超前地质预报系统在高竹顶隧道断层中的应用［J］.铁道工程学报，2011，(5)：1-4.