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贵州是我国喀斯特地貌分布最广泛的省份之一，充足的降水和地表的石灰岩岩层为岩溶发育提供了适宜条件。在隧道施工过程中，因岩溶发育和岩层变化导致的突水突泥、冒顶塌方等事故经常会造成较大的人员伤亡和经济损失。TSP技术是一种应用于整个隧道长距离、大范围探测的超前地质预报方法，其主要目的是探测掌子面前方100～150m内大的断层及其破碎带、岩性接触带、岩层分界面、裂隙发育、岩溶等情况，可以粗略划分地层界限、围岩等级，目前超前地质预报各类技术属于应用最普遍的技术方法[1-3]。

1 工程背景

阳山隧道位于贵州省毕节市七星关区南部新区北部，穿过阳山森林公园，最大埋深为190m。工程区域处于南岭东向构造带的北部，川黔南北向构造带和滇西南北向构造带之间，分布有人工填积层、第四系残坡积层、三叠系上统须家河组和三叠系中统关岭组地层。隧道南线起止里程为SK0+490～SK2+331，长为1841m。因隧道灰岩段岩溶发育，灰岩与砂岩交界的岩性接触带裂隙发育、岩体破碎、自稳性差，并且导水裂隙发育，有突水和涌水的可能，对隧道施工造成了很大的安全隐患[4]。

2 TSP工作原理

TSP技术采用了回声测量的地震波反射原理[5]。通常在隧道的边墙上开凿一定数量的炮孔，用微量炸药激发产生地震波，利用其在岩石中以球面波形式传播的方式对掌子面前方未开挖的一定范围进行探测。当地震波遇到断层及其破碎带、岩性接触带、岩层分界面、裂隙发育、岩溶等不良地质体时，能够反射回一些地震信号，而其他信号会折射到前方介质中，那些返回的地震波信号可以采用高灵敏度的地震检波器收集。反射地震波信号的返回时间和反射界面的距离成正比，通过一定的处理分析就可以得到前方地质情况的客观探测结果。

阳山隧道出口南线掌子面的TSP超前地质预报探测采用TSP-203超前地质预报系统[6]，仪器参数设置如表1所示。该系统在现场探测时，由边墙布置的24个炮点震源、1个安装在接收孔内的三维地震波接收传感器（X、Y、Z方向）、数据信号接收主机及附带的数据采集处理系统组成，如图1所示。

表1 TSP-203系统设置参数

图1 TSP-203探测原理示意图

3 现场条件及工作布置

探测阳山隧道出口南线掌子面里程为SK2+015，围岩以灰色砂岩夹黑色泥岩为主，拱部存在少量灰岩分布，围岩节理较发育、破碎，掌子面有滴水、渗水现象，产状110°∠45°，主体为Ⅳ级围岩。根据现场施工条件布置了1个接收孔（孔深2m）和24个炮孔（孔深1.5m，间距1.5m），最小偏移距为11.6m，第1个炮孔距上台阶掌子面5.3m，最后1个炮孔距离接收孔16m，每个炮孔炸药用量为60g，采用瞬发雷管逐个引爆触发震动，通过接收孔内的检波器接收返回的地震波数据，如图2所示。

图2 观测系统布置平面示意图

4 成果解释

检波器采集的地震波数据使用TSP探测系统相应的处理软件经过滤波、初至拾取、炮能量均衡、Q评估以及波场分离（包括反射波提取、纵横波分离）、速度分析后得到相关波（P、SH、SV）的深度偏移剖面及其反射界面，并且通过计算得到相关的岩石力学参数和相关的2D结果图。

采集地震记录数据基本无直流偏移分量干扰（如图3所示），剔除了部分因放炮质量较差、干扰严重的数据，其他炮采集的数据质量良好。由图3可知，首波和反射波提取线位置符合设置的观测系统地震波传播规律。

图3 原始地震记录（X、Y、Z三分量）

通过处理有效炮采集的地震数据，可得物探成果图，如图4、图5所示，并由软件计算出相应的岩体物性参数，如图6所示。由图4和图5分析可知，在掌子面正前方0～30m内存在较多明显的P波、SH波、SV波反射界面异常，P波反射界面较明显，波速有明显上升趋势，泊松比出现明显波动，结合现场情况推断此段岩体完整性差，应为岩性接触带，导水裂隙发育，岩层含水较丰富；掌子面正前方30～40m内异常不明显；掌子面正前方40～55m内存在两组较强的负反射界面，推断岩体裂隙发育，围岩完整性差；掌子面正前方55～100m内异常不明显。再结合图6相应的岩体物性参数计算结果，可得TSP成果表，如表2所示。

图5 地震资料处理2D结果显示

图6 岩石物理参数曲线图

表2 TSP成果表

根据以上物探解释成果，在此次超前探测地质预报范围内（SK2+015～SK1+915），可得出以下结论与建议：

（1）SK2+015～SK1+985段为灰岩和砂岩的岩性接触带，围岩节理裂隙发育，岩体破碎，导水裂隙发育，岩层含水较丰富，具体围岩等级视出水量进行调整，需要加强支护，及时封闭成环。

（2）鉴于该探测段SK2+015～SK1+985段，共30m，导水裂隙发育，岩层含水较丰富，存在突水和涌水的风险，需要严格做好超前钻探工作，验证物探结果，开挖后应及时进行有效支护、注浆堵水和排除积水。

（3）针对上述TSP超前地质预报地段的探测情况，建议在隧道开挖过程中要密切关注掌子面岩性接触带的围岩变化情况，针对局部的破碎裂隙、充填裂隙，易发生掉块和垮落，建议适当进行加强支护，发现异常立即上报；针对局部渗水量较大的位置应提前开展钻探验证，结合物探和钻探成果，采取有针对性的措施进行处置，尽量采用短台阶开挖，应用超前锚杆或注浆小导管预支护，并及时采用钢拱架进行支护，确保施工安全。

5 结束语

TSP超前地质预报技术在地质情况复杂的隧道施工过程中可以提供长距离、大范围的探测，还可以对掘进工作面前方的断层及其破碎带、岩性接触带、岩层分界面、裂隙发育、岩溶等不良地质情况做出提前预警，为隧道安全施工、改善施工工艺和设计支护参数，并针对探测出的异常段采取进一步处置和防范措施提供可靠的参考依据，对隧道工程具有很强的实用效果和显著的性价比。