2016, Vol. 31
隧道开挖前期地质情况是通过物探、地质调查和钻孔等方式综合判定得到，但由于受地形条件、勘查精度、水文地质条件等影响，要明确隧道围岩及其周围发育的不良地质状态是非常困难的.隧道地质超前预报是动态监测隧道开挖过程中围岩地质情况的方法，是查明隧道开挖面前方发育不良地质体的有效手段，尤其对于一些岩溶、破碎带和软夹层等发育地区，地质超前预报工作为隧道施工人员生命财产安全提供了可靠保障.
隧道地质超前预报常用方法包括地质雷达法(GPR)、瞬变电磁法、TSP法和超前钻孔法等.其中，TSP法为中长预报方法，其在预报不良地质体方面有着广泛的应用.温树林和吴世林(2003)基于TSP方法成功预报出破碎带、软弱岩层和断层等不良地质体.TSP对预报岩溶裂隙水、溶洞和暗河也具有良好效果(李术才等，2007；孙克国等，2008).刘新荣等(2008)应用TSP方法实现了对高富水区岩体的预报.Alimoradi等(2008)结合TSP结果与神经网络优化算法实现了对不良地质灾害体的预测.Li等(2015)综合TSP、地质雷达和超前钻孔确定岩溶发育几何形态特征.
虽然TSP预报不良地质体的成功率较高，但仍存在错报和漏报问题，造成这种结果的因素是多方面的(钟世航，2003).为降低因人为因素所导致的漏报或错报等问题，则要避免人为干扰，王树栋(2013)和戴前伟等(2005)总结分析了TSP数据采集过程中存在的问题及改进方法，但描述还不够全面.
TSP解译准则是推断掌子面前方不良地质体类型的依据，但地质条件千变万化，不能用固定的模式去简单解译复杂模型，许振浩等(2008)总结的地震反射特征对不良地质体的类型判断具有一定的借鉴指导意义，但不具普适性，TSP解译应遵循主体规律，把握细节变化和实际地质情况.随着TSP数据格式解编的实现，逆时偏移和自动处理技术(常旭等，2006；Bellino et al.，2013)等方法被应用于TSP数据处理中，这些方法技术都有助于提高TSP解译准确性.
本文在前人基础上进一步分析总结了TSP数据采集过程中应注意的问题，同时对某高速公路的三个隧道应用TSP法预报开挖面前方发育的不良地质体，并对特殊地质体的TSP岩石特性曲线进行了分析总结，得出较好效果.
1 TSP法原理 1.1 TSP方法TSP属于多波多分量高分辨率地震反射法.地震波是由特定位置进行小型爆破所产生，布局一般是大约24 个爆破点沿着隧道左壁或者右壁平行隧道隧洞底成直线排列，孔深1.5 m，点距1. 5 m，由人工制造一系列有规则排列的轻微震源，形成地震震源断面.当地震波遇到岩石波阻抗差异界面(如断层、破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收，并将接受的数据传送给记录单元(图 1).由于反射信号的传送时间与到地质界面的距离成正比，反射信号的强度与相关界面的性质、界面的产状密切相关.从而通过反射波数据分析系统，得出相关隧道剖面及围岩相关的物理力学参数，部分计算公式见(1)~(3)(Shi et al.，2014).
 | 图 1 TSP原理示意图 Fig. 1 The principle of TSP |
反射波的传播时间T计算公式为
ν为泊松比，E为杨氏模量，ρ为密度，VP和VS分别为纵波速度和横波速度.
1.2 TSP解译准则(1)正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；负反射与正反射的组合表明该位置有断裂(断层).
(2)若S 波反射较P 波强，则表明岩层饱含水.
(3)VP/VS增加或泊松比突然增大，常常由于流体的存在而引起.
(4)若VP下降，则表明裂隙或孔隙度增加. 2 影响TSP数据采集的主要因素
TSP数据采集质量好坏决定了其预报结果的准确与否，因此TSP数据采集工作至关重要.TSP数据采集时应注意以下几方面问题：
(1)接收孔不要布置在空腔位置，空腔不利于接收杆与围岩的耦合，同时也会对反射波的接收产生影响.
(2)接收孔要上倾，易于将孔内水排出，如果接收孔下倾，且孔内含水将不利于锚固剂的固结，从而导致接收杆与围岩耦合效果差，则接收的地震波存在高频干扰，如图 2所示.
 | 图 2 含水接收孔地震波 Fig. 2 Seismic waves of receiving hole of containing water |
(3)炮孔深度太浅，易导致掌子面附近TSP数据缺失，一般炮孔深度至少要大于1.1 m.
(4)TSP数据采集时激发地震波所用的电雷管为瞬发电雷管，如果电雷管延迟严重，波形无规律(如图 3)，则需重测.
 | 图 3 电雷管延迟地震波 Fig. 3 Seismic waves of electric detonators delay |
(5)炸药药量要适中，根据围岩情况现场确定.围岩完整性差时(如Ⅳ和Ⅴ级围岩)，对远偏移距加大药量；围岩完整性较好时(如Ⅲ级围岩)，对近偏移距减少药量.
(6)有时限于现场测试条件的限制，TSP数据采集的准备工作未必做得非常标准严格，如炮孔注水，实际上并非任何情况下都需要注水，如果围岩完整性较差时，可不注水；如果围岩较完整，岩质较坚硬则尽量对炮孔注水，如果不注水会导致接收的地震波产生高频干扰，虽然这种数据并未失真，但此数据会缩小准确预报的范围.
(7)避免将接收孔与炮孔布置在大型的不良地质体(如溶洞、软夹层和破碎带等)两侧，因为施工单位在对这些不良地质体注浆处理时，未必会注浆完全，有的甚至存在空腔，如果将接收孔和炮孔分别布置于不良地质体两侧，则会对接收地震波产生严重影响，(如图 4，远偏移距的初至波很难拾取)建议跨过此类区域.
 | 图 4 接收孔-炮孔间夹不良地质体地震波 Fig. 4 Seismic waves of receiving hole-blasting hole clip defective geologic body |
(8)建议布置两个接收孔，因为TSP数据采集时都为单侧放炮，这种放炮方式必然会产生地震反射的盲区，尤其是单孔接收时更是如此；另外，隧道开挖路线并非直线，如果隧道弯度较大，且炮孔和接收孔均布置在隧道外侧，则会导致预报信息偏离隧道开挖方向(远距离影响更大)，因此有时要结合两个接收孔的数据，综合判断.
(9)对于台阶法开挖隧道，有时掌子面与下导的距离很近(小于45 m)，使TSP测试受到影响，建议可以缩小炮间距或炮-接间距. 3 工程实例
某高速公路地质情况复杂，发育大量的溶洞、软夹层以及破碎带等不良地质体，为确保隧道施工人员安全，主要采用TSP方法预报隧道前方不良地质体.下面以GY、HBL和XP三个隧道为例，分析TSP预报结果.
3.1 岩 溶GY隧道左洞起讫桩号ZK108+078~ZK111+078，长3000 m，最大埋深约200 m；右洞起讫桩号YK108+067~YK111+100，长3033 m，最大埋深约207 m.隧址区贯穿的岩性主要为砂岩、石灰岩和页岩.进口端分布地层岩性为砂岩，岩层产状为121°∠26°，附近露头风化强烈，节理裂隙密集、紊乱.出口端分布地层岩性为页岩，岩层产状为134°∠10°，主要发育两组节理裂隙J1：264°∠75°，J2：184°∠82°.
(1)GY隧道进口左洞
TSP预报里程为ZK109+041~ZK109+172，岩性为石灰岩.隧道围岩纵波波速变化范围：5000~6000 m/s，纵横波速度比变化范围：1.55~1.84，密度变化范围：2.73~2.83 g/cm3，动态杨氏模量变化范围：70~85 GPa.图 5和图 6为预报成果图.
 | 图 5 2D岩石特性曲线 Fig. 5 2D curves of rock property |
 | 图 6 预报结果2D 视图 Fig. 6 2D view of prediction result |
不良地质体预报：桩号ZK109+057~ZK109+069纵波速度跳跃变化，横波波速降低，总横波速度比起伏变化，推断为软硬夹层发育.桩号ZK109+083~ZK109+094，纵波和横波波速降低，纵横波波速比降低，推断为软弱体或破碎带发育.桩号ZK109+100~ZK109+102，纵波和横波波速降低，纵横波波速比增大，推断为软弱体或流体发育.桩号ZK109+129~ZK109+140，纵波速度较低，横波速度增大，推断节理裂隙或孔隙发育，围岩较破碎.
实际开挖情况：桩号ZK109+058位置发现溶洞(见图 7)，溶洞较小，且局部发育夹泥层.桩号ZK109+102处发现溶洞(见图 8)，洞内无泥质或流体充填.桩号ZK109+083~ZK109+094和ZK109+129~ZK109+140无不良地质体发育，围岩整体较完整，局部较破碎.
 | 图 7 溶洞出露照片 Fig. 7 Photograph of displaying karst cave |
 | 图 8 溶洞出露照片 Fig. 8 Photograph of displaying karst cave |
(2)GY隧道进口右洞
TSP预报里程为YK109+068~YK109+190，岩性为石灰岩.隧道围岩纵波波速变化范围：5600~6800 m/s，纵横波速度比变化范围：1.54~1.9，密度变化范围：2.84~2.92 g/cm3，动态杨氏模量变化范围：82~114 GPa.图 9和图 10为预报成果图.
 | 图 9 2D岩石特性曲线 Fig. 9 2D curves of rock property |
 | 图 10 预报结果2D 视图 Fig. 10 2D view of prediction result |
不良地质体预报：桩号YK109+096~YK109+098、YK109+103~YK109+107和YK109+125~YK109+130纵横波速度降低，纵横波波速比降低，推断上述位置为软弱体或破碎带发育.
实际开挖情况：桩号YK109+128处发现溶洞(见图 11)，在隧道两侧发育溶洞，溶洞内泥质充填，掌子面中间岩体相对较完整.桩号YK109+152位置发现溶洞，溶洞发育在掌子面右侧拱顶附近，溶洞出露不大，但溶洞内有大量泥质涌出.桩号YK109+096~YK109+098和YK109+103~YK109+107围岩较完整~较破碎.
 | 图 11 泥质充填溶洞照片 Fig. 11 Photograph of clay filling karst cave |
(3)GY隧道出口右洞
TSP预报里程为YK110+464~YK110+325，岩性为石灰岩.隧道围岩纵波波速变化范围：3800~5300 m/s，纵横波速度比变化范围：1.43~1.99，密度变化范围：2.53~2.71 g/cm3，动态杨氏模量变化范围：39~60 GPa.图 12和图 13为预报成果图.
 | 图 12 2D岩石特性曲线 Fig. 12 2D curves of rock property |
 | 图 13 预报结果2D 视图 Fig. 13 2D view of prediction result |
不良地质体预报：桩号YK109+458~YK109+426纵横波波速跳跃变化，推断为软硬夹层发育.桩号YK109+368~YK109+338，纵波和横波波速降低，纵横波波速比降低，推断为软弱体或破碎带发育.
实际开挖情况：桩号YK109+458~YK109+426范围内发育多处小溶洞或泥夹层.桩号YK110+365~YK110+338为溶洞发育，溶洞主要发育在右侧和拱顶上方，溶洞内充填少量泥质，并含大岩块，掌子面围岩整体较完整~较破碎(见图 14).
 | 图 14 侧壁溶洞出露照片 Fig. 14 Photograph of displaying side-wall karst cave |
HBL隧道左洞起讫桩号为ZK125+480~ZK127+500，长2020 m；岩性主要为炭质页岩、灰岩、砂质页岩及砂岩.位于HBL东侧沿北东方向展布，该断层为一张扭性断层，断面呈舒缓波状，组成物质为破碎砂岩、页岩、灰岩等，两盘为寒武系下统(∈1)地层，贯穿于整个工作区，在工作区长度约10 Km，总体上岩体较完整，胶结程度一般.
隧址区岩层总体呈单斜状产出，隧道进口端岩层产状平缓，为330°∠20°，出口端岩层产状较陡，为295°∠45°.隧址区进出口段地表均主要发育两组(裂隙)节理，节理裂隙不利于隧道围岩稳定.
HBL隧道出口左洞：TSP预报里程为ZK127+197~ZK127+064，岩性为砂质页岩和石灰岩.隧道围岩纵波波速变化范围：4100~4900 m/s；纵横波速度比变化范围：1.53~1.84；密度变化范围：2.58~2.72 g/cm3；动态杨氏模量变化范围：43~66 GPa.图 15和图 16为预报成果图.
 | 图 15 2D岩石特性曲线 Fig. 15 2D curves of rock property |
 | 图 16 预报结果2D 视图 Fig. 16 2D view of prediction result |
不良地质体预报：桩号ZK127+187~ZK127+179和ZK127+174~ZK127+167纵横波速度降低，纵横波波速比降低，且波速跳跃变化，推断围岩较破碎~破碎；桩号ZK127+157~ZK127+149，纵横波速度降低，纵横波波速比增大，破碎松散体或软弱体流体发育.
实际开挖情况：桩号ZK127+153发现夹泥层和松散碎屑发育，由于夹泥层和松散体作为岩块间胶结物，无胶结性，导致爆破开挖时隧道发生塌方，掉块最大尺寸为2 m×2 m，厚度为30~40 cm(见图 17).桩号ZK127+187~ZK127+179和ZK127+174~ZK127+167，节理裂隙发育，围岩较破碎~破碎.
 | 图 17 隧道坍塌照片 Fig. 17 Photograph of collapse in tunnel |
XP隧道左洞起讫桩号为ZK137+120~ZK137+787，长667 m，最大埋深65 m.进口端分布地层岩性为砂岩，岩层产状为136°∠84°，节理发育，岩体破碎；出口端分布地层岩性为石灰岩，岩层产状为136°∠84°.地表主要发育两组(裂隙)节理，节理裂隙不利于隧道围岩稳定.
XP隧道出口左洞：TSP预报里程为ZK137+304~ZK137+170，岩性为灰岩和砂岩.隧道围岩纵波波速变化范围：3400~4590 m/s，纵横波速度比变化范围：1.18~1.78，密度变化范围：2.57~2.67 g/cm3，动态杨氏模量变化范围：43~57 GPa.图 18和图 19为预报成果图.
 | 图 18 2D岩石特性曲线 Fig. 18 2D curves of rock property |
 | 图 19 预报结果2D 视图 Fig. 19 2D view of prediction result |
不良地质体预报：桩号ZK137+237~ZK137+220纵横波速度跳跃变化，推断为软硬夹层发育.桩号ZK137+220~ZK137+212、ZK137+209~ZK137+205、ZK137+197~ZK137+194纵波和横波波速降低，纵横波波速比无变化，推断破碎带或局部软夹层发育.桩号ZK137+187~ZK137+185纵波和横波波速降低，纵横波波速比明显增大，推断软弱体发育.
实际开挖情况：桩号ZK137+185软夹层发育，主要为粘土岩，且隧道埋深浅，围岩无支撑力，因此隧道发生冒顶(见图 20).桩号ZK137+237~ZK137+220节理裂隙发育，围岩破碎.桩号ZK137+220~ZK137+212、ZK137+209~ZK137+205、ZK137+197~ZK137+194夹泥层较发育.
 | 图 20 隧道冒顶照片 Fig. 20 Photograph of roof fall in tunnel |
通过上述3个隧道TSP预报结果可以发现：
(1)纵横波速度降低，纵横波波速比降低的岩石特性曲线，虽然有时对应着不同的地质情况，但掌子面整体地质情况是基本一致的，即掌子面围岩整体较完整~较破碎.尽管这类曲线也可能为溶洞发育区，但其溶洞主要发育在隧道开挖路线的边界，且在掌子面正前方延伸短或基本无延伸.因此对该类岩石特性曲线判断要谨慎，必要时应结合其他方法综合判断.
(2)纵横波速度降低，纵横波波速比增大的岩石特性曲线，则为不良地质体发育，对于不良地质体发育的类型可根据岩性进一步判断：如果岩性为灰岩，则可能为溶洞发育；如果岩性为砂岩或页岩，则可能为松散破碎带或软夹层. 4 结论与建议
4.1 TSP数据采集时炮孔、接收孔以及炮孔-接收孔间关系是决定TSP数据质量的主要因素，因此做好这三个方面工作对TSP数据质量而言至关重要.通过地质超前预报结果与实际开挖地质情况对比分析发现，TSP法可以有效预报隧道开挖面前方发育的溶洞、破碎带和软夹层等不良地质体.对发育较为特殊的不良地质体的岩石特性曲线解译时，应谨慎判断，必要时应结合其他方法综合判断.
4.2 地质超前预报是一项非常具有挑战性的工作，由于TSP方法本身的局限性、地质情况的复杂性等因素，TSP预报仍无法避免错报或漏报等现象.为避免或减少TSP漏报和错报问题，建议可以采用如下方法：
(1)地球物理具有多解性，即不同的不良地质体可能对应于相同的地球物理场.因此，要充分利用已知资料(如地质资料、地勘资料等)推断TSP预报结果，当然结合地质、地勘资料并不等于要完全依赖相信，因为这些资料本身可能还存在一定的误差或错误.
(2)长短结合，在进行TSP预报的同时，综合地质雷达、超前钻探等方法对TSP预报重点地段进行复测.
(3)加大对特殊不良地质体的地震波场模拟(如紧邻隧道开挖边界的溶洞、管状溶洞等)，以便更好了解这些不良地质体的地震波场特征.
(4)改进反演策略，如采用联合反演，全波形反演等，提高TSP处理结果的稳定性和准确性.
致 谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！| [1] | Alimoradi A, Moradzadeh A, Naderi R, et al. 2008. Prediction of geological hazardous zones in front of a tunnel face using TSP-203 and artificial neural networks[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 23(6): 711-717. |
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