摘 要 TSP203系统是由瑞士Amberg测量技术公司自主研发出来的新一代超前地质预报系统．采用该系统可以准确预报隧道工作面前方150~250m的围岩情况，为安全快速施工提供依据。
本文通过乌鞘岭特长隧道7号斜井超前地质预报的一次应用实例。详细介绍TSP203系统在乌鞘 岭特长隧道超前地质预报工作中的应用，具体阐述TSP203系统的基本原理、数据采集、数据处理、 解释结果和围岩实际开挖情况对比分析。
关键词 TSP203系统 乌鞘岭特长隧道 超前地质预报
1 引言
进入二十一世纪，随着四个现代化建设和西部大开发战略的进程，我国铁路建设的重点将向西移，西部省区的铁路修建将成为“重头戏”，大量的长大、高难度山岭隧道摆在我们的面前，而我国务类山岭地段的隧道修建任务越来越繁重。我国的经济要持续、稳定、快速地发展，就要快速完成各项基建设施的施工，因此快速施工将是我国21世纪隧道修建的主攻方向．只有运用超前地质预报技术，探明掌子面前方的地质情况，并根据随时变化的地质情况及时调整各类支护参数，才能在隧道施工中有效避免诸如塌方、涌水、泥石流等严重性地质灾害，达到安全快速施工的目的。近年来，大量的科研实践和施工实践证明，只要做好超前地质预报工作，并结合恰当的不良地质区段辅助工法，地质条件再复杂的隧道，也能有效地预防塌方。
如今，超前地质预报工作已越来越受到各级施工技术部门的重视，而超前地质预报方法有很多种，诸如水平钻孔法，地质雷达法，TSP超前地质法等，但由于水平钻孔预报法价格高且影响隧道施工时间长，地质雷达预报法预报距离短且干扰因素多，而乌鞘岭特长隧道施工工期短、任务重，用地质雷达和水平钻孔预报法显然不合时宜．TSP203超前地质预报系统由于具有预报距离长、耗用时间短、预报精度高等特点，在乌鞘岭特长隧道施工中得到各家施工单位的广泛应用。乌鞘岭特长隧道7号斜井是乌鞘岭特长隧道十四座辅助坑道中斜井最长、施工难度最大的辅助坑道。本文主要介绍TSP203超前地质预报系统在乌鞘岭特长隧道7号斜井施工地质超前预报工作中的应用情况。
2 基本原理
TSP203超前地质预报系统是由瑞士安伯格测量技术公司自主研发的新一代超前地质预报系统，由记录单元，接收单元，附件和引爆设备三大部分组成．TSP203和其它反射地震波方法一样，采用了回声测量原理。地震波在指定的震源点(通常在隧道的左边墙或右边墙，大约24个炮点布成一条直线)用小量炸药激发产生。地震波在岩石中以球面波形式传播。当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面，例如断层、岩石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三分量传感器接收．由于TSP203超前地质预报系统采取的是“多点激发、一点接收”测量方法，多点激发产生的地震波相互跟踪检验，故而能提供一种精确的测量。反射信号的强弱与反射界面两侧的岩性有很大关系，反射界面两侧的岩性差异越大，反射回来的信号越强，预报的范围也就更大．通常地质条件下，TSP203超前地质系统可以预报150~250m，在地质条件较好时，可以预报更长的距离。
3 TSP20S系统在乌鞘岭特长隧道超前地质预报中的应用
我单位自从2003年7月份从瑞士安伯格测量技术公司购置一套TSP203地质超前预报系统以来，对由我单位施工的乌鞘岭特长隧道5号斜井工区、5号竖井工区和7号工区进行了全程跟踪预报，共预报了18次，并结合实际开挖围岩情况进行了详细的对比分析。下面通过在乌鞘岭特长隧道7号斜井超前地质预报的一次应用实例来说明在乌鞘岭特长隧道施工中TSPZ03地质超前预报系统的应用情况。
3.1 乌鞘岭特长隧道工程概况
乌鞘岭特长隧道位于既有兰新线兰武段打柴沟车站和龙沟车站之间，整体属于祁连山东北部中高地区，设计为两座单线隧道，隧道全长20050m。两座隧道线路纵坡相同，主要为11‰的单面下坡，为加快乌鞘岭特长隧道的建设进程，缩短工程工期，增设了13座斜井和1座竖井，共14个辅助坑道。由中铁十二局集团公司承建的7号斜井工区位于乌鞘岭中高山区，在F5和F6断层之间，洞口海拔高程2900m，该区地势较高，相对高度较大，自然坡度35°～50°；地表广覆腐植土，阴坡小灌木发育，地层岩性复杂，沉积岩、火成岩、变质岩三大岩类均有，且以沉积岩为主。7号斜井井身主要通过的地层有：志留系下统板岩夹千枚岩，岩体受构造影响严重，节理裂隙发育，v级次坚石，III～IV级围岩；加里东晚期闪长岩，半自形粒状结构，块状构造，节理较发育，Ⅵ级坚石，Ⅱ级围岩，三叠系上统砂岩夹页岩，以砂岩为主，间夹少量的页岩及薄煤，其中砂岩约占70％以上，IV级软石～v级次坚石，III～IV级围岩。7号斜井通过的部分地段为中等富水区，地下水较丰富，可能有基岩裂隙水或发生突水突泥灾害。
3.2 数掘采集
3.2.1 准备工作
a. 钻孔(图1)
从距掌子面2～5m的位置开始，在隧道边墙的同侧壁，以1.5m的间距钻24个爆破孔(S1～S24)，孔深1.5m，孔径42mm，角度为向下10°～15°，高度为距隧道底面lm高．在距第一个爆破孔(S1～S24)16~18m的距离上，在隧道两侧各钻1个传感器孔，孔深2m，孔径50mm，角度为向上5°～10°，高度为距隧道底面lm高(图2)。所有孔应线向垂直于隧道轴向，且应保持通畅。在传感器孔和爆破孔全部钻好后，由测量班提供每个孔的三维坐标，同时用水平角度尺和钢尺测量每个孔的角度和深度，并记录下来。
图1 TSP203钻孔示意图
b．接受器套管的埋置与爆破孔装药
接受器套管的埋置关系到接受器所收集的地震波信息的准确性．传感器孔钻好后，把环氧树脂药卷塞入孔中，然后用风枪将套管埋入孔中．由于环氧树脂凝固很快，5min后即可凝结牢固．当所有的爆破孔钻好后，为防止塌孔，应立即在每个孔内装炸药，每孔装药量为100g，用瞬发电雷管连接好，装入爆破孔的底部。
以上所有准备工作都可以与隧道施工平行作业，不占用隧道施工时间，但进行数据采集时，为减少噪音对地震波信号的影响，要求隧道内的各工作面均要暂停30~45min。
3.2.2 现场测试
在所有准备工作完成后，即可进行现场测试．为了尽量少占用施工时间和减少进行现场测试时的干扰，现场测试时间选取在喷锚结束和钻爆开始之间的交接班时间．传感器位置在1+837.5，掌子面位置在1+917.5。爆破采用逐个爆破，在撂破孔注满水后立刻进行爆破，接收器接收到的数据保存在电脑里。
3.3 预报结果及与实际开挖情况的对比分析
数据采集完成后，系统记录单元自带的笔记本电脑里的TSPwin程序对原始数据进行程
序处理，共分11步：数据建立，带通滤波，初至拾取，起跳点信号处理，炮能量平衡，Q—估计，反射波提取，P-S波分离，速率分析，深度偏移，反射面提取。经过这u步程序处理，就可得到P波，SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果，以及反射层在探测范围内的2D或3D空间分布图。
得到上述成果后，即可运用地质知识、地球物理知识和实践经验进行TSP处理成果的解释，解释中遵循以下准则：
a．正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；
b．若S波反射较P波强，则表明岩层饱含水；
c，Vp／Vs增加或泊松比δ突然增大，常常由于流体的存在而引起；
d．若Vp下降，则表明裂隙或孔隙度增加。
解释成果和围岩实际开挖对比情况如表1。
4 结束语
通过乌鞘岭特长隧道7号斜井的超前地质预报情况与实际围岩情况的对比分析看，效果是较为理想的。针对乌鞘岭特长隧道7号斜井的超前地质预报情况，总结如下经验：
a，不同地质特征的超前地质预报情况不是完全相同的，这就要求我们做到从超前地质预报到实际围岩情况，再从实际围岩情况对比分析预报结果的不断总结，不断提高预报的准确率，从而真正起到指导施工、预防工程事故的目的。
b．乌鞘岭特长隧道7号斜井的地质超前预报中，当泊松比δ≥o．28或Vp／Vs，突然增大时，前方地质情况为有水或围岩较破碎现象。
c. 当静态杨氏模量≥30时，石质较硬：反之，石质较软．
d．当反射界面较多，且杨氏模量和泊松比δ变化频繁、幅度较大时，围岩情况为破碎带，若为负反射振幅时，围岩情况为软弱破碎带。
到目前为止，我们在乌鞘岭特长隧道7号斜井中共进行了10次超前地质预报工作，总长度达2000多延米，预报出7条不同规模的断层破碎带，预报结果与实际开挖情况基本吻合，预报准确率达到90％以上。由于预报及时准确，采取支护措施得当，施工中没有发生一起地质灾害。
TSP203超前地质预报系统是目前先进的物探方法之一，具有操作简单、成果丰富、对施工过程妨碍小、对地质体识别的准确率较高等特点。从超前预报与实际施工的地质情况对比分析着，效果是较为理想的．采用TSP203超前地质预报系统，可以对隧道工作面前方围岩工程地质和水文地质的性质、位置和规模进行比较准确的探测和预报．同时，为了更加准确地了解施工地段前方的地质情况，应当辅以各种超前地质预报方法，互相印证，并且通过与实际围岩开挖情况的对比分析提高预报的准确率，才能有效地提高预报的精度。通过TSP203超前地质预报能够及时地了解掌子面前方的地质情况，为隧道施工和及时地调整支护参数提供依据，有效地控制地质事故的发生，确保支撑隧道的岩石牢固可靠和施工质量，改善工地的安全，赢得施工时间，降低成本，提高隧道掘进的进度，将风险降低到最小．目前，我们正在努力研究以期提高TSP203超前地质预报的准确率，为现代隧道施工提供更好的服务。
(申 飞 王法岭 雷 军)