TSP系统在隧道工程施工地质预报中的应用和发展

admin管理员组

文章数量:1530518

2024年5月12日发(作者：)

第31卷,第1期

2006年2月

中南公路工程

CentralSouthHighwayEngineering

Vol.31,No.1

Feb.,2006

TSP系统在隧道工程施工地质预报中的应用和发展

罗卫华,肖书安,李德久,吴世林

斯多夫 CH810)

[摘 要]TSP是瑞士Amberg测量技术公司专门为隧道施工地质超前预报而设计的地震探测仪器。该系统从数据

采集、处理和成果解释及评估高度智能化,其特点是:预报距离大(隧道掌子面前方至少150m),无须利用掌子面,

对隧道施工妨碍小,易于操作和快速评估。通过TSP的探测,能够提前了解到掌子面前方围岩的地质情况,为施工

及确定合理的支护参数提供依据,确保隧道施工安全和质量。介绍了TSP系统在隧道施工地质超前预报中的应用

事例及其技术的发展。

[关键词]隧道工程;地质预报;TSP系统

[中图分类号]U456.3 [文献标识码]B [文章编号]1002

)

1205(2006)01

)

0135

)

04

1223

(1.湖南省邵怀高速公路建设开发有限公司,湖南邵阳 422000; 2.瑞士AMBERG测量技术公司; 3.瑞士内根

ApplicationandDevelopmentofTSPSysteminTunnel

ConstructionGeologicalPrediction

LUOWeihua

1

,XIAOShuan

2

,LIDejiu

2

,WUShilin

3

(rovincialShaohuaiExpresswayConstruction&,Shaoyang422000; 2.

AmbergMeasuringTechniqueLtd.; dorf,SwitzerlandCH8105)

[Keywords]TSPsystem;tunnelengineering;geologicalprediction

隧道属于地下建筑工程。隧道地质情况会令人

意想不到,随时会出现不同形状和规模的地质体,容

易造成各种突发事故。除了纯粹的施工原因外,这

些现象大多数是由于岩层物理和工程特性的变化所

导致的。

隧道施工中,没有地质超前预报,潜在的地质隐

患诸如软弱岩带、断层带、破碎带、岩溶、含水地层

等,在隧道开挖前却无法预知,施工时可能会导致坍

塌、突泥涌水等灾害的发生,从而造成人员伤害和设

备损失,增加施工费用,影响工程进度和形象。

一种较好的解决方法就是通过准确的超前预报

来预防。有几种不同的预报方法可以利用,如导坑、

钻探、无损探测方法(地震法和地质雷达等)。由于

各种探测方法都有其适用的范围和特点,因此,隧道

施工中地质超前预报的关键是根据隧道所处的环境

条件(埋深、岩石类型、地下水赋存条件、不良地质体

的特征和几何尺寸等)和隧道开挖方式,选择合适的

超前探测技术。TSP就是一种地震探测方法,与其

他方法相比,在准确性和距离误差方面具有突出的

优点。

[收稿日期]2005

)

12

)

09

[作者简介]罗卫华(1970

)

TSP(TunnelSeismicPrediction)是瑞士安伯格测

量技术公司于20世纪90年代初期研制开发的一套

超前预报系统。该系统采用地震波反射原理,能长

距离地预报隧道施工前方的地质变化,如断层带和

其它不良地质带,其预报范围大于150m。90年代

初,瑞士的特长铁路隧道,20km长的费尔艾那隧道

采用TBM施工技术,为了配合TBM施工,TSP探测

技术首次投入费尔艾那隧道施工中,对保证TBM施

工安全起到了积极的作用。随后,TSP测量技术被世

界各地的隧道工程界普遍接受并得到广泛应用。到

目前为止,TSP技术已在全球数百个隧道工地上进行

了数千次的成功应用。近年来,TSP技术也得到中国

的隧道工程技术人员广泛认同,并成功地应用于公路

和铁路隧道、输水隧洞和煤矿巷道等工程中。

1 TSP原理与方法

TSP(TunnelSeismicPrediction)意思是采用地震

方法对隧道地质情况进行探测,属多波多分量高分

辨率地震反射波探测技术。与常规地震反射波探测

技术不同之处,在于该系统是专门为长距离隧道施

),男,湖南邵东人,高级工程师,从事高速公路建设与管理工作。

136 中南公路工程第31卷

工地质超前探测而设计。该技术主要是在隧道的左

边墙或右边墙上布置一定数量的炮孔,通过小药量

激发产生地震波(弹性波),地震波在岩石中以球面

波形式传播,地震波遇到岩石波阻抗差异界面(例如

裂隙带、断层或岩层变化等),有一部分信号会发生反

射,反射信号将被布置在隧道左右边墙上的2个高灵

敏度的三分量加速度地震传感器(检波器)所接收并

记录下来,图1为TSP隧道地震探测原理,图2则为

TSP系统在隧道中进行数据采集时系统连接的情况。

该隧道平均直径为7.5m,南北入口同时开工。在北

入口使用TBM开挖,南入口使用钻爆法施工。

威瑞纳隧道地质情况是由北部较大的次水平构

造运动发展而成的一个垂直叠置、遭受侵蚀的阿尔

卑斯山推覆体。推覆体的主要滑脱作用是沿逆冲断

层面发生的,该逆冲断层面在隧道深处将弱中等

)

质地的沉积岩和坚硬的结晶岩石分开(见图3)。

图3 Vereina隧道地质剖面

2.1.2 工程难点

在隧道掌子面TM3600处,容易破碎和坍塌的

片岩带收敛达32cm,从而导致了长时间的停工。

图1 TSP探测原理

在岩层状况没有得到改善的情况下,上述状况会阻

塞TBM机向前掘进,甚至对其造成损坏。故TBM

机只好停工,人为加宽隧道断面,才能恢复TBM机

的正常工作。解决此问题,有2个方案可供选择:一

是TBM机停工,然后花费巨资,人力拓宽隧道断面

20~35cm,并改善TBM机的工作性能,以弥补TBM

机在岩体收敛处的损坏;二是对前方岩层加固,改善

其地质状况。如果要选择后者的话,就得使用TSP

来确定破碎带。

2.1.3 解决方案

图4是纵剖面的TSP探测,掌子面位于TM3618,

图2 TSP系统装置

TSP数据是利用配套的专用TSPwin软件进行处

理。TSPwin软件中数据处理流程包括11个主要步

骤,包括频谱分析、带通滤波、能量均衡、纵横波分

离、速度分析和偏移归位等。处理结果可以提供在

探测范围内地震反射层的2D或3D空间分布,同时

还可以显示与其相对应的岩石力学参数和岩石强度

指标。根据反射波的组合特征及其动力学特征、岩

石物理力学参数等资料来解释和推断地质体的性质

(岩层软弱带、断层带、节理裂隙带、含水等)。

2 应用实例

2.1 瑞士威瑞纳铁路隧道

2.1.1 工程简介

威瑞纳(Vereina)铁路隧道是通往阿尔卑斯山旅

游胜地的通道。威瑞纳铁路隧道长21km,由欧洲最

大的隧道施工公司Rhaetian铁路公司负责施工。

图4 TSP探测结果及隧道地质观测

第1期罗卫华,等:TSP系统在隧道工程施工地质预报中的应用和发展 137

接收器位于TM3543,炮点一直延伸到隧道掌子面,

预测范围为掌子面前方160m。TSP探测出与隧道

轴线相交不同位置的7个主要反射。

该图底部为其后隧道施工的地质。在TSP探测

结果图中,第1个地震波反射层约30m厚,从

TM3608到TM3638。紧接着第2个反射层从TM3638

到TM3659。这些岩层带就是掌子面前方连续的不

良地质带。紧随其后的一个地震反射预示着岩层强

度变硬。TM3725处的地震反射可忽略不予考虑,因

该区域的地震反射为平静区,表明岩层结构基本没

有变化,从TM3659到TM3779处120m,解释为构造

楔形层、叠瓦构造或较硬的透镜体,巨厚的岩层特别

适合TBM机的停放。在TM3779处则又如同前面岩

层一样,解释为不利的岩石构造条件或断层。

针对该情况,施工指挥部指示TBM施工单位对

该岩层进行加固。随着施工的推进,在TM3640到

TM3658处遇到涌水层,涌水量达22LPs,涌水覆盖了

隧道地面区域,要求立即喷射混凝土。根据TSP探

测的力学参数,预测了在TM3638到TM3659处有一

破碎带,实际开挖也证实了TSP预报的准确性。数

天后,TBM通过了较为坚硬的角闪岩。3d后掘进到

TM3690处,该处由带状角闪岩和细粒的片麻岩组

成,岩层几乎没有收敛。TBM则可安全停放,无任

何后顾之忧。较长时间的停工后,TBM重新开工,

穿过了TM3797处和TM3815处的2个断层,再次进

入岩质较差的片岩和片麻岩层。

2.2 德国楚可伯格下水道Ò

2.2.1 概述

斯图加特市对现有的污水处理厂架构进行现代

化改造,决定投资兴建下水道二线,该线位于楚可伯

格山,通过一长为2747m的隧道输送混合水,而原

有的管道则用来排放污水。楚可伯格下水道二线的

平均直径为3.4m,通过开敞式TBM机从北入口开

始施工。

下水道横穿三叠系硬岩层(包括下统Keuper和

上统Muschelkalk),其上覆为发育较晚的软土层。上

统Muschelkalk为厚度达80m的灰岩,有两个近垂直

的断层通过。在先前的勘察中探明,除沿着单一的

破裂面有少许溶蚀现象外,灰岩层内部再无岩溶迹

象。整个下水道贯穿灰岩地层(见图5)。

2.2.2 工程难点

TBM机在施工中突然遇到岩溶带和构造断裂

带,进入破碎带10~30m的范围内,岩石强度很低,

在TBM机刀盘转动的同时,大块岩石从隧道顶部冒

图6 TSP探测结果的纵向剖面

图5 下水道地质纵剖面

落,导致大量超挖,掘进时需要人工将这些块石破

碎。在掌子面TM2134处安排了取芯钻探进行地质

超前预报,为了完成该工作,需要对TBM机的配置

进行大规模的调整。但长达38m的水平钻探和随

后2个地面垂直探孔都没能获得有价值的关于破碎

带范围的任何信息。

2.2.3 TSP探测

施工单位决定使用TSP进行探测,以探明当前

岩溶带可能的结束位置。图6是TSP探测结果的纵

向剖面图(掌子面TM2154)。传感器位于TM2037,

离最佳的位置有60m的距离(因为TBM机),传感

器和掌子面间有117m的距离,但TSP仍可预报掌

子面前方70m的范围。TSP探测结果首先证实了

岩溶带在TM2134处开始出现,TM2165处结束(即

隧道掌子面前方11m处)。此外,TSP还预报了从

TM2188处开始岩层强度进一步减弱。由于岩溶带

及不利的地质条件,造成信号被强烈吸收,没有更远

处的地震信号能够用于评估。在重新开工后,TBM

(下转第149页)

第1期王永安,等:公路隧道环保型洞口工法设计与施工 149

[4] JTGD70

)

2004,公路隧道设计规范[S].

[5] JTJ042

)

94,公路隧道施工技术规范[S].

[6] 程崇国,王新平.对3车道大断面公路隧道问题的思考.公路交

通技术,2002(3).74~77.

[7] 刘洪洲.三车道隧道的设计工法探讨[A].中国公路隧道学会.

1999年全国公路隧道学术交流会议论文集[C].昆明:[s.n.],

1999,43~46.

[8] 刘洪洲.大跨度扁坦隧道施工的力学响应及施工方法的研究

[博士学位论文][D].重庆:重庆大学,1999.

[9] 刘 伟.欧洲公路隧道运营管理安全技术及对我国公路隧道建

设的启示.公路隧道.中国公路隧道学会.2001,(1):10~16.

[10] 王孝国.川九公路建设的生态理念与环保措施.中国公路学会

2003年学术年会论文集,326~328.

[11] 孔详金,韩常领.公路隧道建设中的环境保护问题.西部探矿

工程,2004.1.

[12] 韦立林.公路工程施工阶段的环保管理和措施[J].中南公路

工程,2001,26(3):92~93.

(上接第137页)

M2166处通过岩溶带,在TM2190处再次遇到机在T

不良地质状况。

2.2.4 受益分析

由于TSP探明了岩溶破碎带范围较窄,所以施

工单位决定缓慢地继续挖进,而不是原计划的迂回

导洞方案通过该岩溶带。此外,施工方提前获得岩

溶带前方还有不良地质的信息,因此提前作好准备,

加强支护,避免了TBM停工以及其他费用的开支。

灵敏度>1%,工作环境温度0e~65e。»TSPwin

处理及评估软件,高度智能化,2种处理方式(自动

和高级)可供选择。

4 结语

TSP技术是目前隧道施工地质预报的先进方法

之一。实践表明,采用TSP203系统,可以对隧道工

作面前方围岩工程地质和水文地质情况的性质、位

置和规模进行比较准确的探测和预报,包括:¹软

弱岩层的分布;º断层及其影响带;»裂隙发育

带;¼含水情况;½岩溶等。因此,通过TSP超前

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

制了地质灾害的发生,确保支撑隧道的岩石牢固可

靠和施工质量,改善工地安全,赢得了施工时间,降

低成本,提高隧道掘进进度,将风险降低到最小。

中国目前正在进行大规模的基础设施建设,需

要修建大量的铁路和公路隧道及水工隧洞,其中相

当多的隧道工程需要修建在地质条件极为复杂的地

层中,施工中存在严重的工程地质灾害隐患和风险,

做好隧道施工中的地质超前预报工作极为重要。

[参考文献]

[1] 温树林,吴世林.TSP203在云南元磨高速公路隧道地质超前预

报中的应用[J].地球物理学进展,2003,18(3).

[2] 肖书安,吴世林.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术

[J].现代隧道技术(增刊),2004.

[3] 肖书安,吴世林.TSP在伊朗Cheshmeh输水隧洞工程中的应用

[J].现代隧道技术(增刊),2004.

[4] 肖书安.瑞士隧道工程中的地质超前预报测量[C].中瑞公路

隧道技术交流文集,2001.

[5]

ThomasDickmann,RataAwasthi,TheTunnelSeismic

3 TSP技术的发展

TSP是一种新颖的、快速的、有效的、无损的反

射地震技术。TSP探测系统是安伯格测量技术公司

为隧道地质超前预报而专门设计的,能在隧道施工、

地下矿藏和洞穴开挖前提供帮助,其目的在于迅速

超前地提供在开挖周围及前方的三维空间的工程地

质预报。

从TSP202、TSP203到目前的TSP203plus,产品

不断更新换代。自1994年TSP系统进入国际隧道

建筑市场以来,到目前已经10多年了,成功地在全

球诸多国家如瑞士、瑞典、意大利、法国、中国、伊朗、

日本、韩国、等国家的公路和铁路隧道、输水隧洞、煤

矿巷道等进行了上千次卓有成效的地质超前预报工

作,不断满足了隧道施工地质超前预报的需求。

新近推出的TSP203plus增强型预报系统,是在

TSP202和TSP203成功经验基础上进一步研制的并

具有卓越的特色。新的TSP203plus系统不仅改善

了有关硬件,而且出现了全新的TSPwin软件。该软

件集数据采集、处理和评估为一体,用户可以在常见

的Windows窗口下进行交互使用。

TSP203plus系统主要组成及技术性能如下:¹

记录单元。12道,24位APD转换,采样间隔62.5Ls

和125Ls,频率分别为8000Hz和4000Hz,最大记录

长度为14468样点(1808.5ms),动态范围120dB。

º检波器。三分量(XYZ)加速度地震检波器,灵

))

PredictionMethodanditsImpactonLogisticOptimisationin

Tunnelling[C],ProceedingsoftheInternationalConference

onRockEngineeringTechniquesforSiteCharacterisation,

Bangalore,India,Dec.

6-8,1999.

[6] 孙国庆,余 刚.遥感技术在衡枣高速公路工程地质勘察中的

应用[J].中南公路工程,2004,30(1):9~12.

敏度1000mVPg?5%,频率范围0.5~5000Hz,横向

本文标签： 隧道地质施工预报公路