近年来，随着交通网的不短完善，铁路“长、大、深”隧道建设越来越普遍，由于工程地质等条件复杂多变，以及受前期勘探过程中孔位设置、勘察精度等方面的影响，隧道施工前很难准确掌握线路真实地质情况。如在施工阶段不能准确预判掌子面前方地质情况，将会给隧道施工带来诸多不便，甚至发生安全、质量事故，如何提前准确预报隧道地质情况已经成为隧道施工研究的主要课题之一。TSP隧道超前地质预报系统作为长距离宏观的地质预报手段，自上世纪末引入我国，已经有20多年的成功应用。本文通过对云桂铁路某隧道超前地质预报中TSP技术的应用进行分析、总结，详细介绍了该技术的应用方法与效果，并指出了具体注意事项及建议。

2.TSP技术在隧道超前预报中的分析

2.1 TSP技术原理

TSP技术是根据地震波的回波原理，人工制造一系列有规则排列的轻微震源（一般在隧道的左或右边墙打设大约24个炮孔），这些震源所激发的地震波沿隧道前方及四周传播，遇到不良地质体分界面（如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等）产生反射、透射、散射等现象，由三维地震波接收器（左右边墙各1个接收孔）在计算机的监控下采集反射回来的地震波数据。这些回波信号的传播速度、旅行时间、波形、振幅和方向与相应的不良地质体的性质和分布状况紧密相关，数据通过TSPwin软件分析处理后可以得到前方地层的地质力学参数。

 

图1  TSP隧道超前地质预报原理图

2.2 TSP技术获取岩石物理参数的计算方法

首先采集TSP数据，并使用 软件处理，在波形处理阶段确定波直线的时间，并结合时间与爆破点距离计算岩体纵波速度（Vp）与弹性波速度，得出岩体横波速度Vs，经过速度分析将反射信号传播时间变为距离。实际运算中，可根据岩体弹性波速度得到其他岩石物理系数，然后在一定条件的基础上了解岩石含水的机率，并采用推演方式分析，可将物理参数公式表示为：弹性波波速 ，其中 表示接收器与爆破孔的距离。

弹性波速度与泊松比及弹性模量的关系表示为：

动力弹性模量： 

动泊松比表示为： 

上式中， 表示岩石密度，Vp为纵波波速，Vs为横波波速。

岩石A2动力弹性模量大于静态弹性模量，而且坚硬岩Ed/Es的数值较小，软弱岩体Ed/Es的值较大，可以表示为 。

上式中， 与 均为系数，一般 ， 。

结合TSP技术在各个隧道中的应用实践，利用TSP技术得到P波速度、反射振幅、Vp/Vs、密度等各项参数，进而系统全面的对掌子面前方围岩情况进行预报。

2.3 P波速度确定围岩分级

通过对国内外文献资料检索，查阅国标及《铁路工程地质勘查规范》等相关资料，结合已揭示围岩地下水、地应力及环境条件影响，通过P波速度综合分析确定围岩分级标准如下表。

铁路隧道弹性波波速围岩基本分级表

围岩级别 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 数据分析遵循的原则

（1）随着反射振幅的升高，波阻抗与反射系数差异越显著。

（2）正反射振幅表示正反射系数，可理解为刚性岩层；负反射振幅指向软弱岩层。

（3）若S波明显比P波强，表明岩层水量充足。

（4）Vp/Vs增加或泊松比增大主要受水流影响。

（5）Vp下降表示孔隙率增加。

3. TSP技术在某隧道超前地质预报中的具体应用

3.1 工程概况

某隧道全长11296米，属于云桂线II线风险隧道之一，也是全线控制性重点工程。隧道位红河州弥勒市境内，属滇东南高原石林期剥夷面岩溶地貌，高程在1524～1664m之间，近150m的相对高差，地势起伏较大，局部较陡；地表植被发育，以森林、灌木丛为主，地表上覆第四系全新统坡洪积粉质粘土、坡残积红黏土，且地表峰丘洼地、落水洞及孤峰平原等岩溶形态较丰富；下伏基岩为石炭系下马平组灰岩、白云岩，白云质灰岩为主。

3.2 现场探测

隧道现场掌子面里程桩号为DK641+333，断面宽14m、高10m，共布置24个炮孔及2个接收孔，均离地（隧底）高1m，孔位平面布置详见图2。接收器孔深2m，垂直隧道轴向，上倾5°～10°；炮孔深1.5m，垂直隧道轴向，下倾10°～20°。本次采用瑞士安伯格TSP203超前地质预报系统探测，采样时间控制在62.5μs，带宽8010hz，记录长度为7218采样点，动态范围120dB；接收单元为三分量加速度地震检波器，灵敏度为1010mV/g±5%，频率范围为0.5～5010Hz。

 

图2 接收器孔和炮孔平面布置图

3.3 数据分析

用 TSP相应的专门处理软件 TSPwin 对采集的数据进行处理分析，得到相关波（P、SH、SV）的深度偏移剖面及其反射界面，以及相关的岩石力学参数和二维、三维效果图等。本次探测围岩纵波速度约为3057～4210m/s，泊松比范围为0.11～0.36，动态杨氏模量范围为27～40GPa，具体见下图。

 

图3岩石属性与2D成果图

综合分析上述探测成果，推测掌子面前方约150m 范围内岩体工程地质特征如下：

（1）里程DK641+333～DK641+350区段，围岩裂隙稍发育，稳定性和完整性较好，建议围岩级别为Ⅲ级。

（2）里程DK641+350～DK641+365区段，左侧围岩局部较完整，右侧泥夹石，裂隙发育，建议围岩级别为Ⅳ级。

（3）里程DK641+365～DK641+430区段，围岩右侧泥夹石，左侧较完整，围岩局部破碎，围岩局部为Ⅲ级-Ⅳ级。

（4）里程DK641+430～DK641+450区段，围岩局部破碎，裂隙发育，建议围岩为Ⅲ级-Ⅳ级。

（5）里程DK641+450～DK641+483区段，围岩溶蚀裂隙发育，碎石夹泥，建议围岩为Ⅳ级。

3.4 开挖揭示地质情况

DK641+333～DK641+450段原设计均为IV级围岩，掌子面揭露围岩主要为灰岩、白云岩，出现轻微风化，岩石硬度较大，围岩较完整，地下水不发育，局部破碎裂隙发育，经建设、设计、监理、施工四方现场踏勘，变更为III级围岩，局部加强初支，节省了投资、加快了施工进度。而DK641+450～DK641+483段原设计为IV级围岩，出现围岩溶蚀裂隙发育，碎石夹泥，岩石破碎，节理裂缝发育，围岩自身稳定性较差，经现场踏勘，采取岩溶整治措施，提高了施工质量、确保了施工安全。

4. 总结与建议

上述结果均是利用本次地质预报得到的，预报效果较可靠，给该段隧道施工、变更提供了参考性指导意见。TSP技术作为最常用的地质预报手段之一，目前已经广泛应用于隧道施工中，提高了地质预报的准确性，减少了安全隐患、提高了施工质量、加快工程进度、节约了工程投资。

结合既有施工经验，及对每次预报的现场核实，建议如下：

（1）TSP探测的分辨率与探测目的物的体积成正比与探测距离成反比，，物探称之为洞径比，即探测深度与被探测物的直径之比；一般洞径比大于 20 时分辨率严重降低，实际操作中铁路双线隧道一般洞径比选10，每次预报控制在150m范围内。

（2）岩溶发育区域应采用地质雷达进一步探测，必要时辅以超前水平钻孔、加深炮孔、隐伏岩溶钻孔等钻探工作，确保施工安全。同时，加强现场资料收集工作，以利于探测资料和实际揭露的情况相互印证。

（3）严格按设计要求（距离、孔深、倾角等）钻孔，孔身要直，孔内岩屑（渣）和泥浆要用水冲出孔外。如地质情况较差为避免塌孔，可用胶管装药。

（4）采集数据时应切断影响数据质量的干扰源，严禁大型车辆通过，特别是要调整作业时间，预报区附近不得进行爆破作业。

（4）预报判断为局部围岩破碎、节理发育的段落，开挖过程中要注意拱顶孤石对安全的影响，提前做好必要的保护措施，确保顺利施工。