近年來，隨著交通網(wǎng)的不短完善，鐵路“長、大、深”隧道建設(shè)越來越普遍，由于工程地質(zhì)等條件復(fù)雜多變，以及受前期勘探過程中孔位設(shè)置、勘察精度等方面的影響，隧道施工前很難準(zhǔn)確掌握線路真實地質(zhì)情況。如在施工階段不能準(zhǔn)確預(yù)判掌子面前方地質(zhì)情況，將會給隧道施工帶來諸多不便，甚至發(fā)生安全、質(zhì)量事故，如何提前準(zhǔn)確預(yù)報隧道地質(zhì)情況已經(jīng)成為隧道施工研究的主要課題之一。TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)作為長距離宏觀的地質(zhì)預(yù)報手段，自上世紀(jì)末引入我國，已經(jīng)有20多年的成功應(yīng)用。本文通過對云桂鐵路某隧道超前地質(zhì)預(yù)報中TSP技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析、總結(jié)，詳細(xì)介紹了該技術(shù)的應(yīng)用方法與效果，并指出了具體注意事項及建議。
2.TSP技術(shù)在隧道超前預(yù)報中的分析
2.1 TSP技術(shù)原理
TSP技術(shù)是根據(jù)地震波的回波原理，人工制造一系列有規(guī)則排列的輕微震源（一般在隧道的左或右邊墻打設(shè)大約24個炮孔），這些震源所激發(fā)的地震波沿隧道前方及四周傳播，遇到不良地質(zhì)體分界面（如地層層面、節(jié)理面、巖溶面，特別是斷層破碎帶界面等）產(chǎn)生反射、透射、散射等現(xiàn)象，由三維地震波接收器（左右邊墻各1個接收孔）在計算機(jī)的監(jiān)控下采集反射回來的地震波數(shù)據(jù)。這些回波信號的傳播速度、旅行時間、波形、振幅和方向與相應(yīng)的不良地質(zhì)體的性質(zhì)和分布狀況緊密相關(guān)，數(shù)據(jù)通過TSPwin軟件分析處理后可以得到前方地層的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)。
圖1 TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報原理圖
2.2 TSP技術(shù)獲取巖石物理參數(shù)的計算方法
首先采集TSP數(shù)據(jù)，并使用 軟件處理，在波形處理階段確定波直線的時間，并結(jié)合時間與爆破點距離計算巖體縱波速度（Vp）與彈性波速度，得出巖體橫波速度Vs，經(jīng)過速度分析將反射信號傳播時間變?yōu)榫嚯x。實際運算中，可根據(jù)巖體彈性波速度得到其他巖石物理系數(shù)，然后在一定條件的基礎(chǔ)上了解巖石含水的機(jī)率，并采用推演方式分析，可將物理參數(shù)公式表示為：彈性波波速 ，其中 表示接收器與爆破孔的距離。
彈性波速度與泊松比及彈性模量的關(guān)系表示為：
動力彈性模量：
動泊松比表示為：
上式中， 表示巖石密度，Vp為縱波波速，Vs為橫波波速。
巖石A2動力彈性模量大于靜態(tài)彈性模量，而且堅硬巖Ed/Es的數(shù)值較小，軟弱巖體Ed/Es的值較大，可以表示為 。
上式中， 與 均為系數(shù)，一般 ， 。
結(jié)合TSP技術(shù)在各個隧道中的應(yīng)用實踐，利用TSP技術(shù)得到P波速度、反射振幅、Vp/Vs、密度等各項參數(shù)，進(jìn)而系統(tǒng)全面的對掌子面前方圍巖情況進(jìn)行預(yù)報。
2.3 P波速度確定圍巖分級
通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)資料檢索，查閱國標(biāo)及《鐵路工程地質(zhì)勘查規(guī)范》等相關(guān)資料，結(jié)合已揭示圍巖地下水、地應(yīng)力及環(huán)境條件影響，通過P波速度綜合分析確定圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)如下表。
鐵路隧道彈性波波速圍巖基本分級表
圍巖級別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
Vp（km/s） >4.5 3.5-4.5 2.5-4.0 1.5-3.0 1.0-2.0 <1.0
2.4 數(shù)據(jù)分析遵循的原則
（1）隨著反射振幅的升高，波阻抗與反射系數(shù)差異越顯著。
（2）正反射振幅表示正反射系數(shù)，可理解為剛性巖層；負(fù)反射振幅指向軟弱巖層。
（3）若S波明顯比P波強(qiáng)，表明巖層水量充足。
（4）Vp/Vs增加或泊松比增大主要受水流影響。
（5）Vp下降表示孔隙率增加。
3. TSP技術(shù)在某隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的具體應(yīng)用
3.1 工程概況
某隧道全長11296米，屬于云桂線II線風(fēng)險隧道之一，也是全線控制性重點工程。隧道位紅河州彌勒市境內(nèi)，屬滇東南高原石林期剝夷面巖溶地貌，高程在1524～1664m之間，近150m的相對高差，地勢起伏較大，局部較陡；地表植被發(fā)育，以森林、灌木叢為主，地表上覆第四系全新統(tǒng)坡洪積粉質(zhì)粘土、坡殘積紅黏土，且地表峰丘洼地、落水洞及孤峰平原等巖溶形態(tài)較豐富；下伏基巖為石炭系下馬平組灰?guī)r、白云巖，白云質(zhì)灰?guī)r為主。
3.2 現(xiàn)場探測
隧道現(xiàn)場掌子面里程樁號為DK641+333，斷面寬14m、高10m，共布置24個炮孔及2個接收孔，均離地（隧底）高1m，孔位平面布置詳見圖2。接收器孔深2m，垂直隧道軸向，上傾5°～10°；炮孔深1.5m，垂直隧道軸向，下傾10°～20°。本次采用瑞士安伯格TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)探測，采樣時間控制在62.5μs，帶寬8010hz，記錄長度為7218采樣點，動態(tài)范圍120dB；接收單元為三分量加速度地震檢波器，靈敏度為1010mV/g±5%，頻率范圍為0.5～5010Hz。
圖2 接收器孔和炮孔平面布置圖
3.3 數(shù)據(jù)分析
用 TSP相應(yīng)的專門處理軟件 TSPwin 對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到相關(guān)波（P、SH、SV）的深度偏移剖面及其反射界面，以及相關(guān)的巖石力學(xué)參數(shù)和二維、三維效果圖等。本次探測圍巖縱波速度約為3057～4210m/s，泊松比范圍為0.11～0.36，動態(tài)楊氏模量范圍為27～40GPa，具體見下圖。
圖3巖石屬性與2D成果圖
綜合分析上述探測成果，推測掌子面前方約150m 范圍內(nèi)巖體工程地質(zhì)特征如下：
（1）里程DK641+333～DK641+350區(qū)段，圍巖裂隙稍發(fā)育，穩(wěn)定性和完整性較好，建議圍巖級別為Ⅲ級。
（2）里程DK641+350～DK641+365區(qū)段，左側(cè)圍巖局部較完整，右側(cè)泥夾石，裂隙發(fā)育，建議圍巖級別為Ⅳ級。
（3）里程DK641+365～DK641+430區(qū)段，圍巖右側(cè)泥夾石，左側(cè)較完整，圍巖局部破碎，圍巖局部為Ⅲ級-Ⅳ級。
（4）里程DK641+430～DK641+450區(qū)段，圍巖局部破碎，裂隙發(fā)育，建議圍巖為Ⅲ級-Ⅳ級。
（5）里程DK641+450～DK641+483區(qū)段，圍巖溶蝕裂隙發(fā)育，碎石夾泥，建議圍巖為Ⅳ級。
3.4 開挖揭示地質(zhì)情況
DK641+333～DK641+450段原設(shè)計均為IV級圍巖，掌子面揭露圍巖主要為灰?guī)r、白云巖，出現(xiàn)輕微風(fēng)化，巖石硬度較大，圍巖較完整，地下水不發(fā)育，局部破碎裂隙發(fā)育，經(jīng)建設(shè)、設(shè)計、監(jiān)理、施工四方現(xiàn)場踏勘，變更為III級圍巖，局部加強(qiáng)初支，節(jié)省了投資、加快了施工進(jìn)度。而DK641+450～DK641+483段原設(shè)計為IV級圍巖，出現(xiàn)圍巖溶蝕裂隙發(fā)育，碎石夾泥，巖石破碎，節(jié)理裂縫發(fā)育，圍巖自身穩(wěn)定性較差，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，采取巖溶整治措施，提高了施工質(zhì)量、確保了施工安全。
4. 總結(jié)與建議
上述結(jié)果均是利用本次地質(zhì)預(yù)報得到的，預(yù)報效果較可靠，給該段隧道施工、變更提供了參考性指導(dǎo)意見。TSP技術(shù)作為最常用的地質(zhì)預(yù)報手段之一，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于隧道施工中，提高了地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性，減少了安全隱患、提高了施工質(zhì)量、加快工程進(jìn)度、節(jié)約了工程投資。
結(jié)合既有施工經(jīng)驗，及對每次預(yù)報的現(xiàn)場核實，建議如下：
（1）TSP探測的分辨率與探測目的物的體積成正比與探測距離成反比，，物探稱之為洞徑比，即探測深度與被探測物的直徑之比；一般洞徑比大于 20 時分辨率嚴(yán)重降低，實際操作中鐵路雙線隧道一般洞徑比選10，每次預(yù)報控制在150m范圍內(nèi)。
（2）巖溶發(fā)育區(qū)域應(yīng)采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)一步探測，必要時輔以超前水平鉆孔、加深炮孔、隱伏巖溶鉆孔等鉆探工作，確保施工安全。同時，加強(qiáng)現(xiàn)場資料收集工作，以利于探測資料和實際揭露的情況相互印證。
（3）嚴(yán)格按設(shè)計要求（距離、孔深、傾角等）鉆孔，孔身要直，孔內(nèi)巖屑（渣）和泥漿要用水沖出孔外。如地質(zhì)情況較差為避免塌孔，可用膠管裝藥。
（4）采集數(shù)據(jù)時應(yīng)切斷影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的干擾源，嚴(yán)禁大型車輛通過，特別是要調(diào)整作業(yè)時間，預(yù)報區(qū)附近不得進(jìn)行爆破作業(yè)。
（4）預(yù)報判斷為局部圍巖破碎、節(jié)理發(fā)育的段落，開挖過程中要注意拱頂孤石對安全的影響，提前做好必要的保護(hù)措施，確保順利施工。
