TSP203plus在岩溶隧道超前地质预报中的应用研究

胡志鹏，王志斌，邱 磊，张宗堂

(湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201)



TSP203plus在岩溶隧道超前地质预报中的应用研究

胡志鹏，王志斌，邱 磊，张宗堂

(湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201)

岩溶地区隧道施工开挖过程中，常遇到溶洞、暗河、塌方、涌水等不良地质情况，为确保岩溶隧道施工安全，需对其进行超前地质预报.基于TSP203plus多次对贵州省在建高速公路某岩溶隧道的超前预报，结合勘察资料及现场实际溶洞揭露情况，总结出TSP系统在岩溶隧道的判识规律，并验证了其可行性.

TSP203plus；岩溶隧道；地质预报

随着我国基础建设的步步展开，作为基础建设中的重中之重，隧道的数量迅速增加，施工难度也越来越大[1].在岩溶地区施工，由于岩溶发育规律复杂多变，溶洞、溶蚀水的大小和规律难以把控，因此做好施工过程中的超前地质预报工作极为关键[2-3].在隧道施工中，选择一套有效的地质预报系统，则显得至关重要.TSP203Plus地质超前预报由于具有预测距离远，操作简单，精度高，成果丰富，对掌子面施工干扰小等诸多优点，已成为工程中隧道超前地质预报的最常用方法，在我国隧道施工适用最多和最有效的也是TSP203Plus技术[4-5].

1 TSP203plus基本原理

TSP方法是在隧道左边墙或右边墙布设24个炮点，用少量炸药激发地震波.地震波在岩体中以球面波形式传播，当遇到岩体物性界面(即波阻抗差异界面，例如断层、岩体破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号折射进入前方介质.反射回来的那部分将由高灵敏度的地震检波器接收.接收的这部分信号就是TSP野外采集的原始数据，最后通过预处理、波场分离、增益、偏移等数据处理方法，获取界面走向、空间位置、围岩波速等地质信息.预报判译时，应遵循以下准则[6]：

(1)正反射振幅表明岩层变硬，负反射振幅表明岩层变软，正负反射的组合表明该位置有裂隙(断层)，如图1所示；

图1 TSP探测深度P波偏移剖面图

(2)若SH波反射比P波强，则表明岩层饱含水，如图2所示；

(3)vp/vs增加或泊松比δ突然增大，常常因流体的存在而引起(通常vp/vs值大于1.8，则地下水发育)；

(4)若vp下降，则表明裂隙密度或空隙度增加.

图2 TSP探测深度SH波偏移剖面图

2 TSP203plus在岩溶隧道解译准则

为了做好超前地质预报工作，提升对岩溶地区隧道的预报准确率，确保施工安全、有序进行，笔者结合自身预报工作的经验积累，总结出TSP203plus对岩溶隧道的判识准则如下：

反射层剖面图判识准则：

(1)蓝色部分(L)表示负反射，红色部分(H)为正反射，出现强的反射表示这个地方的物理性质发生了变化，从弱介质进入强介质(岩层由坏进入好)，一般是正反射，负反射相反(如图3所示).

(2)正负反射层交错明显，说明围岩情况有变化，存在节理裂隙带，或者地下水比较发育，无正负反射层，或者显示颜色较弱，说明围岩变化情况不大，如图3所示.

图3 TSP探测反射层剖面图

(3)如果在超前的末尾出现了强反射，尤其要引起注意，因为能量衰减以后还出现强反射，证明这个地方异常明显.

(4)反射波如果形状较好且连续，一般表示为层间反射，或有层状水等.

溶洞判识准则：

(1)P波深度偏移图中，以强烈的负反射开始，以强烈的正反射结束，反射带内正负反射层杂乱，以负反射为主.

(2)2D成果图中纵波波速下降，动态杨氏模量增大.

(3)2D成果图中纵波波速保持大致不变，泊松比及动态杨氏模量起伏较大，波动异常.

3 工程实例

贵州省某岩溶隧道区地处贵州高原西部高原山地区，受侵蚀-溶蚀影响，地形条件较为复杂.隧道进口段位于六盘水市水城县双嘎乡境内、出口段位于威宁县候场乡境内，进出口均有乡村公路可至，交通便利.隧道横穿一长高山体，进口位于坡体沟谷侧(地形较陡，沟谷侧为居民住地)、出口位于斜坡地带(地形缓，为旱地及居民住地)，基岩裸露良好，坡体植被不发育，场区属侵蚀—剥蚀—溶蚀低中山地貌.

本次预报范围是掌子面(YK31+191)前方129 m的围岩情况，经对TSP数据的分析、判释，结合地质观察，综合分析，成果如图4所示.

解译:

(1)YK31+191～YK31+295区段104 m范围内，纵波波速大体相近，H波深度偏移图显示正负反射均较强且交错明显，以负反射为主，反射界面密集，存在明显的负反射，节理裂隙较发育，岩体较破碎，此区段隧道浅埋，受地表降水影响，地下水局部较发育，其中YK31+232～YK31+242、YK31+260～YK31+282区段存在明显的负反射，推测有溶蚀裂隙发育或夹泥，综合分析自稳能力较差.

(2)YK31+295～YK31+320区段25米范围内，深度偏移图显示正负反射均较弱，正负反射交错.推测该区段围岩完整性较前段稍强，节理裂隙稍发育，岩体较完整，地下水稍发育，YK31+300～YK31+315区段纵波速度起伏不大，动态杨氏模量增大，推测有溶蚀裂隙发育或夹泥，综合分析自稳能力一般.

图4 TSP探测成果图

4 结语

(1)TSP203plus系统是一种从国外引进，并正在发展中的仪器设备，判译准则目前没有统一的标准，需要预报人员不断尝试，借鉴前人成果，不断总结经验，与其它超前预报技术手段相互印证，相互借鉴，以提高预报水平.

(2)TSP203plus系统属于中长距离预报，其对较大溶洞的探测还是比较精准的，然而对小型溶洞的探测效果并不是十分理想，还是会出现遗漏的情况.

(3)在对采集数据处理过程中，要多次进行带通滤波，对比分析，获得最佳的波形图.

(4)笔者长时间对岩溶隧道进行地质超前预报，结合勘察资料及现场开挖情况，反复摸索，对比分析，总结出自己的判识准则，并数次验证该准则的可行性.

[1] 孙克国，李术才，张庆松，等.TSP在岩溶区山岭隧道预报中的应用研究[J].山东大学学报，2008,38(1)：74-79.

[2] 陈炳祥.岩溶隧道施工技术研究与应用[J].铁道标准设计，2004(8)：47-49.

[3] 王振卿，何振起.TSP203地质预报系统在岩溶地区的应用[J].工程地球物理学报，2006,3(1)：60-63.

[4] 杨 峰，李志华，史建林，等.TSP超前预报在隧道工程中的应用研究[J].铁道工程学报，2013(2)：76-80.

[5] Guido，周永胜，韩 亮，等.对隧道反射地震学的再认识[J].工程地球物理学报，2007(44)：267-274.

[6] 陈 豪，刘 立，袁 坤，等.TSP超前地质预报及其在隧道施工中的应用[J].西华大学学报(自然科学版)，2012(1)：106-108.

Application of TSP203plus in Advanced Geological Prediction of Karst Tunnel

HU Zhi-peng，WANG Zhi-bin，QIU Lei，ZHANG Zong-tang

(School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

The process of karst tunnel excavation often encounters bad geological phenomenon suchas karst cave, underground river, landslide and water gushing.To ensure the safe construction of karst tunnel, geological prediction is necessary. Many of the TSP203plus forecast in the construction of highway tunnel in a karst zone in Guizhou province, have been done. based on the combination of investigation data and actual cave ,the TSP system in karst tunnel identification rules is summarized, and its feasibility isverified.

TSP203plus; karst tunnel; geological prediction

2016-12-13

国家自然科学基金项目(51408216)；湖南省自然科学基金资助项目(14JJ4046)；湖南省研究生科研创新项目(CX2016B561).

胡志鹏(1992-)，男，硕士研究生，研究方向：岩土工程、隧道与地下工程、房屋建筑.

P631.4

A

1671-119X(2017)02-0092-03