TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)工作原理及其應(yīng)用研究

■高 瑋 ■河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院(土木工程系)，河南 鄭州 450008

隨著我國的交通基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，作為其重要組成部分的隧道工程要想在設(shè)計階段、施工階段完全搞清楚隧道所處位置的工程水文地質(zhì)情況，以及不良地質(zhì)體的狀態(tài)特征是非常困難的［1］。面臨復(fù)雜多變的地質(zhì)情況，如果在沒有應(yīng)對地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急防范措施的情況下施工，質(zhì)量安全事故將不可避免。在當(dāng)前我國安全生產(chǎn)倍受國家和媒體重視的今天，隧道事故的發(fā)生造成的影響是巨大的，不僅會延誤工程的進(jìn)度，造成總工期的拖延，而且還會造成工程成本的上升，以及不良的社會影響。為預(yù)防隧道施工過程中銀地質(zhì)問題引發(fā)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害事故，在隧道開始施工時，必須要做好隧道的地質(zhì)預(yù)測預(yù)報，掌握隧道開挖前方的地質(zhì)情況，在隧道施工前提前做好應(yīng)急準(zhǔn)備，并及時調(diào)整施工工藝，確保隧道的安全施工［2］。隧道超前地質(zhì)預(yù)報TSP法是一種預(yù)報精度較高、技術(shù)成熟的物探方法，是目前國內(nèi)隧道超前地質(zhì)預(yù)報中使用最為廣泛的一種超前探測技術(shù)。

1 TSP203預(yù)報系統(tǒng)的特點

1．1 TSP203預(yù)報系統(tǒng)的特點

隧道超前地質(zhì)預(yù)報TSP203法相比其他的物探方法，TSP203法在隧道地質(zhì)預(yù)報中的使用范圍更廣、預(yù)報的距離也相對更長、準(zhǔn)確率也更高。由于該方法在隧道施工的間歇期進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報，因此在施工過程中對隧道的干擾幾乎沒有，且該方法在預(yù)報地質(zhì)時提交成果也比較及時。結(jié)合隧道超前地質(zhì)預(yù)報TSP203法在目前隧道的超前地質(zhì)預(yù)報中使用情況，歸納起來，隧道超前地質(zhì)預(yù)報TSP203法具有以下特點：(1)適用的范圍廣：這種預(yù)報方法是利用地震波在不均勻地質(zhì)中產(chǎn)生的反射波特性進(jìn)行預(yù)報地質(zhì)情況的，所以使用范圍更廣。(2)預(yù)報的距離長、準(zhǔn)確率高：隧道掌子面前方100～250m范圍內(nèi)的地質(zhì)狀況能被準(zhǔn)確預(yù)報，且預(yù)報長度隨著圍巖完整發(fā)生變化，圍巖越完整，預(yù)報距離就越大。(3)不會對隧道施工造成干擾：可在隧道施工間歇期進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報，對隧道的正常施工干擾較小。(4)提交成果非常及時：這種方法利用專用的處理軟件以及計算機(jī)自動繪出地質(zhì)變化圖，處理速度比較快，因此能在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)后的第二天即可提交正式成果報告。

1．2 TSP203預(yù)報系統(tǒng)可解決的主要技術(shù)問題

(1)超前地質(zhì)預(yù)報TSP203法能探測掌子面前方是否存在斷層、特殊軟巖等特殊不良地質(zhì)體；

(2)超前地質(zhì)預(yù)報TSP203法能對隧道掌子面前方的不良地質(zhì)體的相對位置以及規(guī)模進(jìn)行有效的探測；

(3)超前地質(zhì)預(yù)報TSP203法能對不良地質(zhì)體的圍巖類別進(jìn)行有效判斷，并預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性。

2 TSP203地震波超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)介紹及工作原理

2．1 TSP203 簡介

TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)是目前隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法中最新的地球物理探測方法之一，代表了當(dāng)今隧道地質(zhì)超前預(yù)報的最新水平。TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)屬于多波、多分量、高分辨率地震反射地震勘探方法，其主要組成主要有：洞內(nèi)資料采集的儀器主要由三分量檢波器、儀器主機(jī)及起爆器組成。三分量檢波器用來接收地震波信號；儀器主機(jī)將接收到的地震波信號進(jìn)行放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)記錄，同時還進(jìn)行測量過程控制；起爆器用于引爆電雷管和炸藥。TSP203隧道超前地質(zhì)預(yù)報法是一項先進(jìn)的長距離超前預(yù)報系統(tǒng)，在很多方面，與其他的地質(zhì)預(yù)報方法相比，其優(yōu)勢非常突出，如對軟弱地層的分布，斷層及其影響帶和裂隙發(fā)育帶等方面預(yù)報。

2．2 TSP203地震波超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)工作原理

隧道超前地質(zhì)預(yù)報TSP203法和其它反射地震波方法一樣，也是采用回聲測量原理。然而TSP隧道地震波超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)是利用微量炸藥爆破產(chǎn)生地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射特性，來達(dá)到預(yù)報隧道掌子面前方及周圍臨近區(qū)域地質(zhì)體狀況。其基本工作方法是沿平行隧道軸線方向在隧道側(cè)壁布置觀測系統(tǒng)，在炮孔中用炸藥人工激發(fā)地震波，地震波向隧道掌子面前方傳播，當(dāng)遇到巖石彈性不同的分界面時，例如巖層分界面、斷層和巖溶等，就發(fā)生反射。因此地震波的震源點通常在隧道的左邊墻或右邊墻，大約24個炮點布成一條直線，用小藥量依次進(jìn)行微弱爆破激發(fā)產(chǎn)生。地震波信號在隧道周圍巖體內(nèi)以球面波形式傳播。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(巖石強(qiáng)度發(fā)生變化、遇到地層層面、節(jié)理面)時，特別是斷層破碎帶界面，和溶洞、暗河、巖溶、淤泥帶等不良地質(zhì)界面時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號將被兩個高靈敏度的地震檢波器接收(一般左邊墻與右邊墻各一個)，通過軟件分析地震信息，從而推斷和解釋掌子面前方地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)及圍巖的力學(xué)物理參數(shù)?；夭ㄐ盘枖?shù)據(jù)根據(jù)返回的傳播速度、延遲時間、波形、強(qiáng)度和方向，通過TSPWIN軟件處理。反射信號的旅行時間和反射界面的距離成正比，通過反射時間與地震傳播速度的換算就可以將反射面的位置、與隧道軸線的夾角以及與隧道掘進(jìn)面的距離確定下來，便可了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等)和位置及規(guī)模，并可計算出其巖石物理力學(xué)參數(shù)，從而確保隧道施工安全與質(zhì)量。

3 TSP203系統(tǒng)存在的不足

大量的工程實踐資料表明，TSP隧道超前預(yù)報系統(tǒng)在隧道施工超前預(yù)報方面很有成效。然而對某些不良地質(zhì)體，TSP預(yù)報法預(yù)報效果可能達(dá)不到預(yù)期效果，或者說得出的結(jié)論存在一定的局限性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)采用一維觀測系統(tǒng)，不能準(zhǔn)確確定掌子面前方圈巖的波速分布，也不能準(zhǔn)確推斷反射地質(zhì)界面的位置和力學(xué)性狀；(2)對某些不良地質(zhì)體，有時候不能嚴(yán)格區(qū)分巖體的強(qiáng)度，漸變巖體不容易分辨；(3)對溶洞，洞穴以及不連續(xù)的地質(zhì)體預(yù)報效果比較差；(4)在進(jìn)行巖溶災(zāi)害預(yù)報時，只能對地質(zhì)體的軟弱夾層、斷層及斷層破碎帶、不同巖性分界面以及地層分界面等位置進(jìn)行預(yù)報，而并非對巖溶形狀進(jìn)行探測。因此在隧道施工預(yù)報中，所有的地質(zhì)情況僅依靠TSP系統(tǒng)去解決是不切實際的，因此需要利用綜合預(yù)報的方法進(jìn)行，以達(dá)到較好的預(yù)報效果。

4 結(jié)語

隧道掌子面前方的地質(zhì)情況能夠通過TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)及時準(zhǔn)確的作出判斷，這對隧道施工前對隧道施工方案和施工措施的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。由于TSP是一種物探方法，現(xiàn)場操作分析人員對儀器使用的熟練程度、施工經(jīng)驗、地質(zhì)知識等都會影響超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報的精度，因此這就需要TSP203超前地質(zhì)預(yù)報操作分析人員不斷地積累工作經(jīng)驗，積累知識，熟練掌握儀器的使用，才能使預(yù)報的結(jié)果更加接近事實，從而更好的指導(dǎo)施工。

［1］胡輝榮，于貴.TSP203Plus超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)在高竹頂隧道斷層中的應(yīng)用［J］.鐵道工程學(xué)報，2011，(5)：1-4.