楊昆鵬張志強高雪濤劉海龍周浩

1. 中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135；2. 大連海事大學(xué)，大連 116026

TSP超前地質(zhì)預(yù)報及其在地鐵施工中的應(yīng)用

楊昆鵬1張志強2高雪濤1劉海龍1周浩1

1. 中國建筑第八工程局有限公司，上海 200135；2. 大連海事大學(xué)，大連 116026

簡要介紹了TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的發(fā)展歷程以及該技術(shù)在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀和技術(shù)原理。結(jié)合大連市某地鐵施工工程實際具體闡述了TSP的具體應(yīng)用步驟，優(yōu)缺點，以及在施工過程中應(yīng)注意的事項。通過對TSP和地質(zhì)雷達(dá)的具體勘測特點和實際得到的結(jié)果做出對比，得到了二者結(jié)合運用可以增加勘測準(zhǔn)確性的結(jié)論。對以后TSP在實際工程中的應(yīng)用以及與其他勘測設(shè)備的綜合應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

超前地質(zhì)預(yù)報；TSP；地鐵施工；工作原理；技術(shù)應(yīng)用

tunnel geological prediction; TSP; subway construction; principle; technology

引言

超前地質(zhì)預(yù)報出現(xiàn)在上個世紀(jì)的中后期，是工程地質(zhì)學(xué)的一個分支，我國在這個方面的研究始于20世紀(jì)70年代以后，幾十年來地質(zhì)超前預(yù)報在我國也有了很大的發(fā)展。然而隨著近些年來鐵路、公路、城市軌道交通等的迅速發(fā)展，隧道的長度和埋深的不斷增大，隧道施工中出現(xiàn)的問題也越來越多。如果對這些問題處理不當(dāng)，將有可能造成嚴(yán)重的工程問題和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了避免因地質(zhì)問題而引起工程事故，超前地質(zhì)預(yù)報在工程施工中就顯得越來越重要?，F(xiàn)在在我國應(yīng)用的主要的地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)有負(fù)視角速度法、HSP、TSP、TGP、TST等[1]，其中TSP作為一種進(jìn)入中國較晚的勘測技術(shù)，代表了中國地質(zhì)預(yù)報領(lǐng)域的先進(jìn)水平。文本通過將TSP技術(shù)應(yīng)用在地鐵工程中，驗證了TSP超前預(yù)報系統(tǒng)的效果。并提出了一些增強TSP勘測效果準(zhǔn)確性綜合性勘測方法。

1 TSP的簡介及其工作原理

1.1 TSP簡介

二十世紀(jì)六十年代，美國國家安全局網(wǎng)羅了眾多資深地球物理學(xué)家應(yīng)用地震波勘測技術(shù)來研究地層應(yīng)力釋放現(xiàn)象及地層結(jié)構(gòu)掃描成像。在此過程中形成了隧道反射層析掃描成像超前預(yù)報技術(shù)(Tunnel Reflection Tomography)，簡稱TSP技術(shù)。TSP系統(tǒng)是一種新穎、快速、有效、無損的反射地震預(yù)報技術(shù)，以其簡單的操作，準(zhǔn)確、全面、直觀的勘測結(jié)果，在國內(nèi)迅速發(fā)展起來。

1.2 TSP系統(tǒng)的工作原理

TSP隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)是利用地震波的反射原理進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報的。預(yù)報時，通過錘擊或激震器產(chǎn)生的地震波，地震波在隧道中的巖體內(nèi)傳播，當(dāng)遇到一個地震界面時，如斷層、破碎帶、溶洞、大的節(jié)理面等，一部分地震波就被反射回來，反射波經(jīng)過一個短暫時間到達(dá)傳感器后被接收并被記錄主機(jī)記錄下來，然后經(jīng)專門的3D軟件進(jìn)行分析處理，對地震波進(jìn)行疊加，就得到清晰的異常體的層析掃描三維圖像。再通過對異常體的里程、形狀、大小、走向進(jìn)行分析，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料、跟蹤觀測地質(zhì)資料就可以確定隧道前方及周圍區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的位置和特性。入射到邊界的反射系數(shù)計算公式如下：

式中R為反射系數(shù)，p為巖層的密度，V等于地震波在巖層中的傳播速度。地震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到一個高阻抗物質(zhì)時，反射系數(shù)是正的；反之，反射系數(shù)是負(fù)的。因此，當(dāng)?shù)卣鸩◤能浶缘刭|(zhì)體傳播到硬質(zhì)地質(zhì)體時，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時，回波的極性會反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學(xué)阻抗差別越大，反射波就越明顯，越容易被探測到[2]。

2 應(yīng)用實例

2.1 預(yù)報地段

對大連市某地鐵車站小導(dǎo)洞進(jìn)行超前預(yù)報檢測，以對掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行分析評估。預(yù)報內(nèi)容為地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)構(gòu)造及地下水含量。預(yù)報長度110m。

2.2 地質(zhì)狀況

根據(jù)勘察資料，場地地層從上至下依次為：

(1)第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml），主要由黏性土、灰?guī)r碎石、石英巖碎石、板巖碎塊及少量的生活建筑垃圾等組成的素填土；

(2) 第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）主要由稍濕的粉質(zhì)黏土，卵石組成；

(3) 震旦系長嶺子組板巖（Zwhc），長嶺子組上部為板巖夾黃色薄層泥灰?guī)r，局部夾薄層粘土質(zhì)粉晶灰?guī)r；

(4) 燕山期輝綠巖(βμ)。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

本次測試安裝8個傳感器，左、右邊墻各4個；錘擊震源點共計12個，靠近掌子面的兩邊墻上各6個?？睖y范圍：豎向為隧道中心線上下各20m，橫向為隧道中心線左右各20m ，縱向為110m。圖1為數(shù)據(jù)采集軟件工作界面。圖2是軟件操作界面示意。

圖1 數(shù)據(jù)采集界面Fig.1 Data Acquisition Interface

圖2 軟件操作界面Fig.2 Software interface

2.4 分析結(jié)果

地震波波速圖，地震波層析掃描成像三維圖，圖中最上部分的條狀線顏色值從低到高，代表反射系數(shù)，地震波從高密度巖層向軟層傳播，反射系數(shù)為負(fù)，反之為正。

圖3 地震波波速圖Fig.3 Seismic wave velocity

圖4 層析反射成像圖Fig.2 Reflection tomography Image

2.5 預(yù)報結(jié)論與建議

通過對地震波波速，地震波反射掃描成像三維圖及掌子面資料分析，可以得出如下結(jié)論：

(1) DK7+255.88～DK7+312.88段：該段巖層巖體較破碎，節(jié)理裂隙很發(fā)育，圍巖變化很小。

(2) DK7+312.88～DK7+365.88段：該段巖層巖體極破碎，節(jié)理裂隙很發(fā)育，可能會產(chǎn)生細(xì)小斷層，含有少量的地下水，施工時容易產(chǎn)生掉塊，加強初期支護(hù)和排水工作。

(3) 由于車站為兩端對向開挖，進(jìn)行TSP探測時，另一端DK7+312.88～DK7+365.88里程段已經(jīng)進(jìn)行了導(dǎo)洞施工，完成了初期支護(hù)。相當(dāng)于人為提高了該段的反射系數(shù)，測試結(jié)果顯示該段破碎程度明顯增大，但不是巖層的破碎，而是反射波作用到初支上的結(jié)果。

2.6 TSP的優(yōu)缺點

(1) 優(yōu)點：

① 采用三維數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠清晰直觀的反映地質(zhì)體的異常情況，能有效地對反射異常區(qū)域進(jìn)行識別解釋。

② 在數(shù)據(jù)采集上實現(xiàn)無線傳輸，更為有效快捷。

③ 不使用炸藥作為震源，減少了對隧道圍巖產(chǎn)生的擠壓破壞。

(2) 缺點：TSP系統(tǒng)要在三維空間內(nèi)布置傳感器，因此必須使用升降設(shè)備將傳感器安裝在隧道的拱頂、拱腰等位置，而且必須測量出TSP的三維大地坐標(biāo)(精確到10cm以內(nèi))，這給預(yù)報作業(yè)又增加了一定的難度。另外，TSP采用錘擊震源激發(fā)地震波，要求傳感器靈敏度高以便更好地接受地震波信號，但是傳感器接收到的外界干擾噪聲的能量與采集信號的靈敏度高低是成正比的， 如何消除干擾是有待解決的問題[3]。

2.7 在本工程中還將TSP與地質(zhì)雷達(dá)(GPR)結(jié)合使用

GPR一般用作距離為30米以內(nèi)的短距離預(yù)測，地質(zhì)雷達(dá)是目前分辨率最高的工程地球物理方法，對于斷層帶特別是含水帶與破碎帶有較高的識別能力，而且操作方便，占用施工時間少，處理數(shù)據(jù)速度快[4]。對于地鐵工程，由于埋深較淺，采用地質(zhì)雷達(dá)可以直接探測到地下部分的地質(zhì)狀況。

本工程中GPR的預(yù)測結(jié)論為：

(1) 由于施工段位于市區(qū)，探測區(qū)內(nèi)地下管線較多，表現(xiàn)為雷達(dá)圖像地表部分較多異常；探測范圍內(nèi)深部暫未發(fā)現(xiàn)異常體。

(2) 探測剖面中顯示勝利廣場站地下導(dǎo)洞C1-C2段的6～50m基層有輕微破壞，建議在友好街站-勝利廣場站整個施工段爆破施工中，加強支護(hù)和監(jiān)測。

地鐵工程一般位于城市的繁華地段，大部分城市都有錯綜復(fù)雜的地下管網(wǎng)，甚至是地下商場等隱蔽性建（構(gòu)）筑物。施工過程具有隱蔽性、復(fù)雜性和不確定性等突出的特點，又因其復(fù)雜的地質(zhì)和外部情況，給施工帶來了諸多不便，如果地質(zhì)狀況不良，施工措施不當(dāng)，將有可能引起重大的安全事故。因此將短距離預(yù)測與長距離預(yù)測相結(jié)合，可以得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果，能夠更有效地反映地下的真實狀況。

3 結(jié)論

TSP可以準(zhǔn)確預(yù)測隧道前方圍巖地質(zhì)體的性質(zhì)、位置和規(guī)模?？梢詼p少隧道施工過程中的盲目性，避免隧道施工過程中可能的重大不良地質(zhì)或災(zāi)害地質(zhì)的發(fā)生。在實際施工中，根據(jù)現(xiàn)場預(yù)報結(jié)果，及時調(diào)整或修正圍巖分級、設(shè)計參數(shù)及施工方法，正確指導(dǎo)施工，使施工安全、經(jīng)濟(jì)合理、高效地進(jìn)行。但是隨著隧道工程復(fù)雜性的增加，僅僅使用一種勘測手段進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報已經(jīng)不能滿足超前預(yù)報的要求，要學(xué)會綜合各種勘測手段的優(yōu)缺點，綜合利用多種勘測技術(shù)，選用高素質(zhì)、經(jīng)驗豐富的勘測人員進(jìn)行預(yù)報，才能更準(zhǔn)確地做好地質(zhì)超前預(yù)報，更好地為地下工程的施工服務(wù)。

表1 TSP與GPR比較Table 1 TSP compared with the GPR

[1]趙永貴.國內(nèi)外隧道超前預(yù)報技術(shù)評析與推介[J].地球物理學(xué)進(jìn)展.2007,22(4):1 344-1 352

[2]王明華，王國斌，利奕年.TSP在巖溶隧道地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用研究[J].水資源與水工程學(xué)報.2010年05期

[3]陳剛毅.TSP地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)及其在三峽翻壩高速公路中的應(yīng)用[J].資源環(huán)境與工程. 2009年03期

[4]杜明玉,呂喬森.地質(zhì)雷達(dá)在巖溶隧道短期超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用[J].中國西部科技. 2010年04期

[5]劉斌,張慶松,薛翊國,等.綜合超前預(yù)報手段在探查充填溶洞中的應(yīng)用研究[C].中國地球物理.2007: 285 -286

[6]何發(fā)亮,李蒼松.隧道施工期地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)的發(fā)展[J].現(xiàn)代隧道技術(shù). 2001, 38 (3): 12 -14

[7]薛翊國,李術(shù)才,張慶松,等. TSP203超前預(yù)報系統(tǒng)探測巖溶隧道的應(yīng)用研究[J].地下空間與工程學(xué)報.2007, 3(7): 1187-1191

[8]李術(shù)才,李樹忱,張慶松,等.巖溶裂隙水與不良地質(zhì)情況超前預(yù)報研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2007,26(2): 217 -225

[9]閆小兵,周永勝,申飛. TSP203在溶洞探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報. 2007, 4 (6): 589-595

[10]肖書安,吳世林.復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道地質(zhì)超前探測技術(shù)[J].工程地球物理學(xué)報. 2004, 1(2): 159-164

[11]張勇，等.TSP超前地質(zhì)預(yù)報在公路隧道中的應(yīng)用［J］.東北公路.2006，24（2）：77-79

[12]高輝,王建輝.TSP地質(zhì)超前預(yù)報在隧道建設(shè)中應(yīng)用價值的探討[J].山西交通科技.2006, 180(3):71-73

TSP Geological Prediction and Application in the Subway Construction

YANG Kun-peng1， ZHANG Zhi-qiang2， Liu Hai-long1，Gao Xue-tao1，Zhou Hao11. dalian branch，china construction eighth engineering division corp.ltd，Dalian，116021; 2.Dalian Maritime University， Dalian

This paper simply introduces TSP tunnel geological prediction system development course，and the present situation of the application of this technology and the technical principle in our country. Expounded TSP’s application steps and relative merits Combined with engineering practice and which should notices In the construction engineering. Based on the TSP and geological radar specific survey’s character and actual results obtained make contrast，got the conclusion that a combination using can increase the accuracy of Survey. For TSP’s application in engineering as well as with other survey equipment comprehensive application in the future has important guiding significance.

TD15; U231.3

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.15.024

楊昆鵬（1980.7-），男，2002年畢業(yè)于東北大學(xué)土木工程專業(yè)，本科，工程師，注冊一級建造師，中建八局大連分公司大連地鐵項目總工程師，主要研究領(lǐng)域：地鐵及隧道工程。