TSP与TST工程应用对比研究

    郑苗苗 姚海波 刘玉洁 聂忠权

    

    

    

    摘 要：目的：为比较Tunnel Seismic Prediction（TSP）与Tunnel Seismic Tomography（TST）在工程应用中的技术特点，研究二者在隧道超前地质预报的适用性。方法：本文选择岗乌、丫口寨和坡桑三条地质条件较为复杂的隧道作为研究对象，通过TST与TSP的探测结果进行超前地质预报对比研究。结果：结果表明，TSP操作简单，进度快，结果较为准确，但存在漏判。TST探测结果与实际开挖结果接近，进度快，但造价高，工作量较大。结论：因此，建议采用多种手段相结合的方式进行隧道超前预报。

    关键词：TSP;TST;工程应用;超前地质预报

    文献标识码：A

    随着我国社会经济迅速发展，公路、铁路交通网的不断发展，矿山资源开采的不断加快。由于西部山区深部地质条件相对复杂，在隧道施工、探采深部资源的同时，也面临着严峻的安全问题。为了防止安全事故的发生，及时、有效地掌握施工期间掌子面前方的地质情况，以减少或杜绝施工过程中的地质灾害，实现生产安全，采用合理的施工超前地质预报，可有效地减少安全事故的发生，提高隧道工程的综合效益[1]-[3]。目前，TSP技术在世界范围内应用较为广泛，但未进行波场分离和方向滤波，未滤除侧向波和面波，不可避免地在纵横波中包含侧向波干扰，预报图像中包含虚假成分，造成误报，存在较严重的技术缺陷。TST系统2007年投入市场，也已成功地解决了一系列超前预报的技术问题，成就了国际领先水平[4]-[7]。因此，在工程施工中如何选择高效可靠的地质超前预报技术，使其在复杂地层条件、不良地质体等方面发挥重要作用，确保山区深部开拓工程的施工工期，减少安全事故的发生，对比研究TSP与TST对隧道超前预报的适用性，具有一定的实用价值。

    1 TSP与TST技术概况

    1.1 TSP技术特点

    TSP作为一种比较先进的探测手段，已它具有预报距离相对较长、精度较高、提交资料及时、经济等优点，尤其与隧洞轴线或呈大角度相交的面状软弱带，如断层、破碎带、软弱夹层、地下洞穴（溶洞）以及地层的分界面等效果较好。

    数据采集时，在隧洞一边侧墙等间隔钻制20余个炮孔，两侧壁钻取2个检波器孔，使检波器置入套管中，依次激发，从掌子面前方任一波阻抗差异界面反射的信号及直达波信号将被2个三分量检波器接收，该过程所需时间约1小时。TSP三分量检波器埋入隧道侧壁1.5～1.9m，炮点设置在侧壁岩体内1.5m，等间距排列，与接收点在一条平行隧道走向的直线上，这与国内的采用“负视速度法”的观测方式基本相同。TSP系统炮孔布置于面向掌子面方向右侧，炮孔和接收器孔的布置位置见图1。

    TSP采用深度偏移成像方法。在偏移成像之前进行二维Radon变换，利用视速度的差异，消除与隧道走向近乎平行的反射界面，利用TSPwin软件对纵、横波（P、SV、SH）分别进行处理，可得P波和S波波场分布规律。

    TSP技术在隧道反射地震方面是做得比较好，有较好的实用性。但是由于受观测方式的限制，不可能对与隧道特小角度相交或平行的断层产状、位置进行准确的判断，仍存在很多技术缺陷，如：对不规则形态的地质缺陷或与隧洞轴线平行的不良地质体，如几何形状为圆柱体或圆锥体的溶洞、暗河及含水情况探测有一定的局限性，不能进行三维波场分离，消除侧向干扰波，TSP不能准确地确定围岩波速等[8]-[11]。

    1.2 TST技术优势

    TSTTST技术采用F-K变换进行波场分离和方向滤波，其系统硬件主要由地震信号采集器、地震信号记录器、检波器及连接线缆、震源等几部分组成，详见图2。测试时可在隧洞内掌子面、两侧、上顶和下底面，也可在隧洞外山顶布置8个炮孔和8个检波器孔，洞内观测时检波器埋入岩体1.5～2m，以避免声波和面波干扰。可采用爆炸或可控震源激发地震波。

    TST软件包括地震数据预处理、方向滤波、偏移成像、速度扫描四大模块。在深入地研究地下三维波场特征的基础上，从观测方案、三维波场分离、围岩波速分析、散射波场原理、偏移成像等方面进行了理论研究与软件技术开发，成功地解決了超前预报的技术问题，成就了国际领先水平[8][12]-[14]。

    2 TSP与TST工程对比研究

    TSP与TST超前地质预报系统，均采用地球物理方法中的地震波法原理进行地质探测，能够预报断层带、岩性接触带、软弱夹层、采空区、涌水、溶洞等不良地质现象，有效预报距离100～200m。为了研究二者在隧道超前地质预报的适宜性，本文选择岗乌、丫口寨和坡桑三条地质条件较为复杂的隧道作为研究对象，进行隧道超前地质预报对比研究。

    2.1 岗乌隧道进口超前地质预报对比

    首先采用TSP对进口D1K868+565～D1K868+665段进行预报;然后使用TST对进口D1K868+575～D1K868+725段进行对比，预报结果见图3，效果对照见表1。

    表1中超前地质对比预报结果表明：TSP操作简单，进度快，结果较为准确，但是存在漏判;TST探测结果与实际开挖结果接近，进度快。

    2.2 丫口寨隧道出口超前地质预报对比

    先采用TSP对出口D1K849+812～D1K849+712段进行预报，再用TST对出口D1K868+805～D1K868+655段进行对比，预报结果表明TSP仍存在漏判，见图4和表2。

    2.3 坡桑隧道进口超前地质预报对比

    同样先用TSP对进口D1K835+380～D1K835+480段进行预报，再用TST对进口D1K835+385～D1K868+535段进行对比，预报结果见图5和表3，预报结果亦表明TST探测结果与实际开挖结果接近，TSP结果较为准确，但是存在漏判。

    3 结论与建议

    TSP操作简单，进度快，结果较为准确，但是存在漏判。TST探测结果与实际开挖结果接近，进度快，但造价高、工作量较大。因此，建议采用多种手段进行隧道超前预报。

    参考文献：

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    [2]潘多.综合超前地质预报在隧道工程中的应用[J].现代城市轨道交通，2020（03）：72-75.

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    [8]隧洞施工超前预报方法——物探法[DB/OL].https：//bbs.zhulong.com/102040_group_739/detail32726648/.

    [9]向勇.基于TSP和GPR的隧道超前地質预报对比分析[J].市政技术，2019，37（03）：126-129.

    [10]唐亚辉.地质雷达和TSP法在隧道超前地质预报中的应用[J].人民长江，2015，46（S1）：100-102.

    [11]周治国，刘保卫，唐孟雄，李爱兵.TSP和GPR综合方法隧道超前地质预报[J].矿业研究与开发，2008（04）：32-33+59.

    [12]李术才，聂利超，刘斌，田明禛，王传武，宋杰，刘征宇，王世睿.多同性源阵列电阻率法隧道超前探测方法与物理模拟试验研究[J].地球物理学报，2015，58（04）：1434-1446.

    [13]杨庭伟，彭蓉.聚焦电流法隧道超前探测有限元模拟分析[J].西部交通科技，2012（07）：85-90+94.

    [14]杨宙.岩溶地区隧道施工安全控制技术研究[D].长安大学，2010.

    作者简介：郑苗苗（1984—），女，汉族，陕西西安人，博士，工程师，主要从事地质灾害、矿山地质环境保护方面的研究工作。