TSP超前地质预报
YKK standardization office【 YKK5AB- YKK08- YKK2C- YKK18】
TSP超前地质预报
QB/ZTYJGYGF-SD-0204-2011 广州分公司 任晓锋 屈 强
1 前言
TSP超前地质预报概况
TSP地质超前预报是勘察设计阶段以后工程地质工作的继续，主要目的为探测或预测开挖工作面前方围岩工程地质和水文地质情况，获取详细可靠的地质信息，如围岩类别、断层带和破碎带位置、性质、规模、富水等，进行信息反馈。并对探测到的地质情况进行综合分析，做出判断，提出地质预报成果，作为指导施工和优化支护参数、围岩类别变更等动态设计的依据。 TSP超前地质预报原理
隧道地震波法（简称TSP），其原理是通过小药量爆破所产生的地震波信号沿隧道方向以球面波的形式传播，在不同岩层中地震波以不同的速度传播，在其界面处被反射，并被高精度的接收器接收。通过计算机软件分析前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状况等，最终显示屏上显示各种围岩构造界面与隧道轴线相交所呈现的角度及掌子面的距离，并可初步测定岩石的弹性模量、密度、泊松比等参数以供参考。 2 工艺工法特点
地质超前预报工作可进一步查清因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题，根据掌握的地质灾害前兆和超前预测预报地质灾害，及时改进施工方法，调整施工工艺，确定防灾预案，进而指导工程施工的顺利进行；施工地质工作可降低地质灾害发生的机率，在隧道施工阶段，TSP超前地质预报技术是保证隧道顺利安全施工的重要地质预报手段，但需辅以其它地质预报手段，才能保证其精度。 3 适用范围
该法适用于复杂地质的公路、铁路等隧道工程施工，用于划分地层界线、查找地质构造、探测不良地质体的厚度和范围，但仪器在作业过程中对环境的要求较高，若噪声过大则会影响采集数据的准确性。
4 主要引用标准
《铁路隧道超前地质预报技术指南》（铁建设【2008】105号）、《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》(铁建设[2005]160号)、《铁路隧道施工规范》(TB10204) 、《公路隧道工程施工技术规范》（JTG F60）。
设计图纸、合同文件。 5 施工方法
地震波反射法连续预报时前后两次应重叠10m以上，预报距离应符合以下要求：
5.1.1在软弱破碎地层或岩溶发育区，一般每次预报距离100m左右，不宜超过150m。
5.1.2在岩体完整的硬质岩地层预报时，距离在200m以内较为精确。 5.1.3隧道位于曲线上时，预报距离不宜太长。 接收器钻孔的布置要求
5.2.1距掌子面约50m，距第一爆破孔15～20m。
5.2.2必须在隧道两壁各安置1个接收器，接收器安置高度与炮孔一致。 5.2.3孔径42~45mm，孔深2m，应根据采用的藕合材料确定接收孔上倾还是下倾。一般情况下，钻孔倾角应垂直隧道轴向，上倾5°～10°。
5.2.4接收器与孔壁的藕合必须紧密，施测时隧道中应没有其它振动源。 采集信号时避免以下缺陷
5.3.1隧道内记录填写混乱，记录序号（放炮号）与炮孔号对应关系不清；
5.3.2采用非瞬发电雷管激发，或者初至波时间出现无规律波动（延迟）；
5.3.3连续2炮以上（含2炮）记录不合格或空炮，或者存在相邻的不合格记录或空炮；
5.3.4空炮率大于15%。
6 工艺流程及操作要点 TSP超前地质预报流程图
观测系统设计 钻炮孔、接收孔 安装套管 填装炸药 仪器安装与测 数据采集 数据分析并出具报告 图1 TSP超前地质预报流程图
工艺参数
TSP有效预报距离应达到：A级地段100米，B、C级地段150米。需要预报区段大于有效预报距离时应多次预报，两次预报重复长度不小于10米；参考既有资料、地质素描、 洞内外水文调查等资料。 操作要点及注意事项
施做标识
6.3.1观测系统设计
1 收集隧道相关地质勘查和设计资料
2 根据隧道施工情况及地质条件，确定接收器（检波器）和炮点在隧道左右边墙的位置。
3 接收器和炮点位置应在同一平面和高度上。
4 隧道情况特殊或需要探测复杂地质隐患时，必须根据相关理论精心设计观测系统。
6.3.2施做标识 在隧道现场，根据设计的观测系统，确定所有接受点和炮点的位置，并做出相应的标识。 6.3.3钻炮孔、接收孔 2m接收孔1掌子面3m224参考点17m1.5m隧道轴线1.5m接收孔2炮孔1
图2 钻孔水平布置断面图 1 应按设计的要求（位置、深度、孔径、倾角等）钻孔，炮孔垂直隧道轴向，下倾10°～20°。 2 一般情况下，钻孔位置不应偏离设定的位置；特殊情况下，以设定的位置为圆心，可在半径0.2m的范围内移位； 3 孔身应平直顺畅，能确保耦合剂、套管或炸药放置到位； 4 在不稳定的岩层中钻孔时，采用外径与孔径相匹配的薄壁塑料管或PVC管插入钻孔防止坍孔。 6.3.4安装套管
1 用环氧树脂、锚固剂或加特殊成分的不收缩水泥砂浆作为耦合剂，安装接收器套管；
2 用电子倾角测量仪器量接收器的几何参数，并做好记录。 6.3.5填装炸药
1 填装炸药前，用电子倾角测量仪和钢卷尺测定炮孔的倾角和深度，并做好记录；
2 炸药量的大小应通过试验确定； 3 用装药杆将炸药装入炮孔的最底部；
4 在激发前，炮孔应用水或其他介质填充，封住炮孔，确保激发能量绝大部分在底层中传播。
6.3.6仪器安装与测试 1 用清洁杆清洗套管内部；
2 将接收单元插入套管，并应确保接收器的方向正确； 3 采集信号前应对接收器和记录单元的噪声进行测试。 6.3.7数据采集
1 设置采集参数：采集参数主要包括采样间隔、采集数、传感器分量以及接收器；
2 噪声检查：数据采集前，应对仪器本身及环境的噪声进行监测。仪器工作正常，噪声振幅峰值小于78dB时，方可引爆雷管炸药，接收记录；
3 数据记录：放炮时，准确填写隧道内记录，在放炮过程中应采用炮序号递增或递减的方式进行，确保炮点号正确。
6.3.8内业资料分析与判释
由取得相关试验检测证件的专业工程师进行数据分析，并提交以下资料： 1 现场数据记录表；
2 X、Y、Z三个分量的原始波形记录； 3 频率谱；
4 纵横波分离后的P、SH、SV波形图； 5 P、SH、SV的极度偏移图（横坐标为里程）； 6 二维结果图（横坐标为里程）；
7 反射面提取图；
8 岩石参数曲线图（横坐标为里程）； 9 电子文档。 7 劳动力组织
表1 地质核查及地质超前预报组成员表 人员 项目负责人 技术负责人 检测工程师 （为取得相关证件的专业人员） 爆破工人 风钻操作工人 8 主要机具设备
表2 隧道施工地质工作所需主要仪器设备表 名 称 TSP-203 水平钻机 数码相机 电 脑 罗盘、地质锤、放大镜 9 质量控制
在每一炮数记录后，应显示所记录的地震道，据此对记录的质量进行控制。
用直达波的传播时间来检查放炮点的位置是否正确，以及使用的雷管是否合适。
根据型号能量，检查信号是否过强或过弱，若直达波信号过强或过弱，应将炸药适当减少或者增加。
人数 1 1 2 2 2 主要任务 全面负责测试工作的协调、组织、安排工作 全面负责地质预报技术相关工作 负责指导钻爆破孔、接收孔，安装接收器套管；负责测量基础数据，数据采集、数据处理和报告编写工作 负责装炸药、连接雷管线，放炮 负责钻爆破孔、接收孔，安装接收器套管，炮孔灌水 所需数量 1台 1台 1部 1台 1套 备 注
根据初至波信号的特性，对信号波形进行质量控制，若初至后出现鸣震，表明接收器单元没有与围岩耦合好或可能是由于套管内污染严重造成，这样应清洁套管或重新插入接收器单元，直至信号改善为止。
根据每一炮记录特征，了解存在的噪声干扰，必要时应切断干扰源，同时也可检查封堵炮孔的效果。
对记录质量不合格的炮，应重新装炸药补炮，接收和记录合理的地震道。 10 安全控制 安全注意事项
10.1.1所有工作人员进入隧洞内必须戴安全帽。 10.1.2炸药、雷管必须根据需要领取，不得多领。 10.1.3炸药、雷管必须有专人看管，使用前必须分开。 10.1.4雷管不能放在接近电源的地方。 10.1.5测试时必须设立安全警示员。
10.1.6连接导线时工作人员不得正对着炮孔。
10.1.7连接导线、灌水的工作人员未撤离到安全位置启爆器不得充电，不得放炮。
10.1.8测试时接收器到掌子面段不得有其他无关人员。 10.1.9测试时保证隧洞内的通风和照明。 10.1.10钻孔完成后应采取措施保护，防止塌孔。 爆破要求
10.2.1遵守《爆破安全规程》的规定；
10.2.2使用毫秒级无延迟电雷管（瞬发电雷管）；
10.2.3炸药量应大于200m探测距离要求，一般50g～75g，最多不大于150g。
10.2.4应保证炸药与炮孔严密藕合。所有炮孔必须采取堵孔和注水措施。 10.2.5在放炮之前应注意噪音监视，选择干扰幅度最小时放炮。数据处理时选择合适的滤波窗口，尽可能的予以消除。 11 环保措施
避免炸药爆炸产生的有害气体和粉尘含量，减少对空气的污染，节约炸药等能源的消耗。
及时清理垃圾，避免乱倒引起环境污染。 12 施工实例 工程概况及地质特征
由中铁一局集团广州分公司承建的沪昆客运专线赵角湾2号隧道位于湖南省芷江县竹坪铺乡及土桥乡。隧道起讫里程为DK376+119~DK380+075,全长3956m,为单洞双线隧道，最大埋深187.52m，隧道区为低山丘陵地貌。
此次TSP超前地质预报在赵角湾2号隧道出口进行,掌子面（DK379+892）地层岩性情况为：砂岩，弱风化，钙质胶结间泥质胶结，红褐色，青灰色，节理裂隙发育，岩体稍完整，右侧局部强风化，褐黄色，节理裂隙发育，岩体较破碎，层理近水平，偶有掉块现象，无基岩裂隙水。围岩等级为Ⅲ级。 施工情况
12.2.1测点位置设置
预报时掌子面位于DK379+892里程处，在DK379+945里程处布置预报接收孔，接收孔距掌子面53m。TSP现场数据记录见附表1。
12.2.2测线测点布置
在正洞右边墙（面向掌子面）的同一水平线上从外向里布置一个传感器钻
孔和24个炮孔，传感器钻孔距第一个炮孔15m，炮孔间距1.5m，炮孔高度约1.5m，如图2所示。
12.2.3预报成果
本次TSP检测实际激发20炮，数据采集记录均合格，可用于数据处理和解释。经过专用软件对有效数据进行处理，通过对二维结果图（附图1）和设计资料的综合分析，主要存在问题的区段如下：
表3 主要存在问题的区段
序号 1 +853 DK379+853～2 +818 DK379+818～3 +797 DK379+797～4 +761 DK379+761～5 +738 12.2.4预报结论及建议 1 预报结论
表4 预报结论表
序号 1 里 程 DK379+892～+853 长度（m） 39 设计围岩级别 Ⅲ级 推断围岩级别 Ⅲ～IV级 23 36 21 35 里 程 DK379+892～39 长度（m） 探 测 结 果 推 断 该段围岩岩体较完整～较破碎，属硬岩；节理裂隙较发育，其中 DK379+888～+872段附近可能围岩软弱、岩体破碎；地下水不发育，可能滴水、渗水， DK379+873处附近可能发育地下水。 该段围岩岩体较破碎，岩石硬度下降，属硬～较软岩，节理裂隙较发育，其中 DK379+849～+842段附近可能节理发育、岩体破碎；地下水较发育，可能普遍渗水、滴水，其中 DK379+849～+842段附近局部有出水可能。 该段围岩岩体较破碎，岩石硬度有所升高；节理裂隙较发育；地下水较发育，其中在 DK379+818～+810、 DK379+804～+797段附近有出水可能。 该段围岩岩体较破碎，属硬～较软岩，节理裂隙较发育，其中 DK379+782～+756段附近可能围岩软弱、岩体破碎；地下水较发育，可能普遍渗水、滴水，其中 DK379+782～+767段附近可能地下水发育较为明显。 该段围岩岩体较破碎，属硬岩；节理裂隙较发育，其中 DK379+748～+744段附近可能围岩软弱、岩体破碎；地下水较发育，其中在 DK379+748～+744段附近有出水可能。
2 3 4 5 DK379+853～+818 DK379+818～+797 DK379+797～+761 DK379+761～+738 35 21 36 23 DK379+853～+826Ⅲ级 DK379+826～+818IV级 IV级 IV级 DK379+761～+749IV级 DK379+749～+738Ⅲ级 IV 级 Ⅲ～IV级 IV 级 Ⅲ～IV级 2 施工建议
通过此次探测，在探测中DK379+888～+872、DK379+849～+842、DK379+782～+756、DK379+748～+744段节理裂隙较发育，岩石硬度降低，可能岩质软弱，岩体破碎；在DK379+873处、DK379+849～+842、DK379+818～+810、 DK379+804～+797、DK379+782～+767、DK379+748～+744段附近有可能发育地下水。建议施工过程中对此段围岩严格施做加长炮孔探测，对不良地质段加强围岩支护，对地下水发育段做好防排水工作，以保证施工安全。 工程结果评价
采用TSP对前方地质情况进行超前预报，可进一步查清因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题，根据预报结果，及时改进施工方法，调整施工工艺，确定防灾预案，进而指导工程施工的顺利进行；地质预报可降低地质灾害发生的机率；通过开展施工地质工作，为变更设计提供地质依据；为编制竣工文件提供地质依据。 施工附图
图3 炮孔检查 图4 炸药安装
图5 检波器安装 图6 数据接收
附图1：2D 成果显示及岩石力学参数曲线 附表1：TSP现场数据记录表 附表2：围岩岩体物理力学参数表
附图1 2D 成果显示及岩石力学参数曲线图
附表1 TSP现场数据记录表
赵角湾2号隧道出口 2011年07月27日 掌子面里程 里程 接收器 左 右 炮点参数 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 距离 (m) 深度 (m) 高度 (m) .00 .00 .00 .00 .00 .00 .00 .00 .00 .00 .00 .00 .00 .00 .00 .00 .00 .00 .00 .00 方位角 (°) .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 倾角 (°) .7 药量 (g) 30 30 30 30 30 30 50 50 50 50 50 50 100 100 100 100 100 100 100 100 DK379+945 DK379+892 高度(m) 炮孔布置 左边墙 右边墙 √ 耦合状态 良好 孔深倾角(°) 耦合剂 (m) 锚固剂
注：炮点距离为炮点到接收器的距离。高差为各炮孔与基准面的高差，高为正，低为负,倾角向下为正，向上为负。
附表2 围岩岩体物理力学参数表
检波器 序号 波型 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SH SV 隧道里程 -898 -889 -892 -873 -883 -873 -853 -849 -843 -829 -818 -810 -805 -797 -782 -772 -767 -774 -762 -757 -746 -745 -748 速度 (m/s) 3,129 3,126 3,128 3,125 3,146 3,138 3,205 3,133 3,210 3,210 3,132 3,169 3,260 3,434 3,183 3,186 3,255 3,735 3,184 3,629 3,533 3,594 3,265 Vp/Vs 泊松比 .26 .26 .26 .25 .24 .27 .22 .31 .22 .22 .36 .27 .31 .18 .21 .24 .20 .06 .30 .17 .24 .24 .23 密度 (g/cm3)
1 1 24 25 SH SV -738 -739 3,490 2,888 .14 .30
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