超前地质预报技术体系

TSP法隧道超前地质预报技术研究与应用牟元存，李星，高树全，王凯（中铁二院成都工程检测有限责任公司工程检测一所，四川成都610031）摘要：长大隧道无法绕避部分不良地质问题而面临着更为复杂的工程地质和水文地质环境，这对隧道施工过程中的防灾减灾和超前地质预报工作提出了更高要求。

采用隧道综合超前地质预报技术，通过二十余条铁路线的上百座高风险隧道（近2000km）超前地质预报实践，在总结经验教训的基础上，开展了隧道掌子面前方超前地质预报物探成套技术研究。

结合大量预报实践及课题中的TSP法正反演数值模拟预报效果测试情况进行阐述，对不同不良地质条件下的物探响应特征进行总结。

该研究成果对采用类似技术开展隧道超前地质预报的同类方法具有指导意义。

关键词：高速铁路；隧道超前地质预报；物探；TSP；正反演数值模拟中图分类号：U452文献标识码：A文章编号：1001-683X（2022）01-0045-06 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2020.10.21.0450引言目前，我国铁路隧道超前地质预报技术体系包含的方法有地质调查法、物探法、钻探法和超前导坑法，其中物探法中又有地震波反射波法、地质雷达法、瞬变电磁法、激发极化法等。

由于各种物探方法有其优缺点和适用范围，针对不同的不良地质情况采用最优化的预报方法组合模式，能够事半功倍提高预报准确率［1-6］。

为此，在大量隧道超前地质预报工作实践的基础上，开展了隧道掌子面前方超前地质预报物探成套技术研究，基于TSP法结合大量的工程实践总结和数值模拟正反演情况进行阐述。

众所周知，TSP弹性波反射法属长距离预报的物探手段，一般当隧道开挖有60m左右空间时，可布置观测系统开展TSP法超前预报工作，在绝大多数环境下，其预报距离在100m以上。

采用该方法不仅能对断层破基金项目：中铁二院工程集团有限责任公司科技研究开发计划项目（12198008（12-14））第一作者：牟元存（1980—），男，高级工程师，硕士。

公路隧道超前地质预报技术规程1范围本文件规定了公路隧道超前地质预报的术语和定义、一般规定、超前地质预报设计、超前地质预报实施、地质调查法、物探法、超前钻探法、超前导坑法和复杂地质条件的超前地质预报。

本文件适用于公路隧道超前地质预报工作，其它地下工程的超前地质预报可参照使用。

2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。

3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

隧道超前地质预报geological predication in tunnel在分析既有地质资料的基础上，采用地质调查、物探、超前地质钻探、超前导坑等手段，对隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件及不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等进行探测及分析判释，并提出技术措施建议。

综合超前地质预报comprehensive geological prediction根据预报对象的地质特点，采取两种或两种以上有效的预报手段进行相互比较印证的超前地质预报方法。

地质复杂程度分级classification of geological factors by intricacy综合考虑隧道工程地质与水文地质条件、可能发生的地质灾害对隧道施工及环境的影响程度，对隧道所处地质条件复杂程度进行的分级，包括复杂、较复杂、中等复杂和简单四级，对应着隧道地质灾害分级的：严重、较严重、一般、轻微。

地质调查法geological survey method根据隧道已有勘察资料、地表补充地质调查资料和隧道内地质素描，通过地层层序对比、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析、临近隧道内不良地质体的前兆分析等，利用常规地质理论、地质作图和趋势分析等，推测开挖工作面前方可能揭示地质情况的一种超前地质预报方法。

包括隧道地表补充地质调查和隧道内地质素描等。

隧道内地质素描geological sketch of the inside of tunnel将隧道所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位置及出水状态、出水量、煤层、溶洞等准确记录下来并绘制成图表的一种超前地质预报方法。

超前地质预报长短预测结合作者：任凯【内容提要】“长短预测结合”是指在长距离预报的指导下，进行短距离精确预报，如地面地质调查和TSP长距离预报，掌子面素描、地质雷达、超前钻探等段距离预报。

【关键词】地质预报、长短、预报结合1.前言麻芝川隧道位于浙江省温州市瓯海区泽雅镇境内, 隧道起讫里程为DK168+673～DK171+515，全长2842m。

在隧道地质预报设计当中采取长短距离结合综合理念，通过采用综合超前地质预报手段以获取开挖面前方不良地质信息，便于及时调整隧道施工方案，指导隧道安全施工，避免发生地质灾害。

2．工程地质概况及预报方案隧道区地层分部较简单，基岩多有出露。

地表出露第四系人工填土层Qml、第四系残坡积层Qel+dl，下伏侏罗系上统西山头组J3x流纹质玻屑凝灰岩，现分述如下：杂色人工填土或自然坡积土含碎石约40%，稍密，厚0.5～2.5m；Qel+dl含砾粉质黏土，褐黄色，硬塑，含砾20～30%，厚0.5～2.5m，主要分布在进出口山坡及山间谷地地表；流纹质玻屑凝灰岩全风化，灰黄色，原风化后呈砂土状，较薄，主要在出口山坡处有揭示；流纹质玻屑凝灰岩强风化区呈灰黄色，节理裂隙很发育，裂隙被泥质充填及铁锰质渲染，岩质较硬，岩体很破碎，岩芯呈碎块-柱状，在隧址区均有分布；流纹质玻屑凝灰岩弱风化区呈灰褐色、青灰色，凝灰结构，块状结构，节理裂隙较发育，岩质坚硬，局部较破碎，岩芯呈块-短柱状，在隧址区广泛分布。

综合进出口岩石试验报告，其饱和抗压强度一般Rc接近60Mpa，属硬质岩，为不易软化岩石。

测区内主要有4条断层分布在隧道附近。

超前探测预报时采用长短距离结合，多种探测方法优势互补。

根据设计单位提供的明月山隧道纵断面图及现场地质踏勘情况综合分析，按照施工设计图文件中不同围岩的工程地质条件划分四个地质风险等级进行确定每种围岩类别的预报等级。

根据划分的等级结合隧道中具体地段地质条件对隧道按施工段里程具体确定每个里程段的预测预报等级，按照划分的等级进行各项预测预报工作。

TGP206隧道地质超前预报系统简介▲用途：TGP206隧道地质预报系统能在中等硬度级别的隧道围岩中对掌子面前方150~200米范围内的岩性变化、断层、破碎带、岩溶发育带以及它们的产状、规模和前方岩层的含水特性作出预测预报，并能计算出上述范围内的纵波、横波速度、波速比，泊松比，相应岩体的动弹模量和剪切模量等岩石力学参数。

▲特点：TGP206 隧道地质预报系统在中等硬度级别的围岩中预报距离为200 m 。

对掌子面前方150~ 200 m 范围内的岩性变化、断层、破碎带、岩溶发育带以及它们的产状、规模和前方岩层的含水特性作出预测预报，并能计算出上述范围内的纵波、横波速度、波速比，泊松比，相应岩体的动弹模量和剪切模量等岩石力学参数。

TGP206 仪器动态范围大，通过改变偏移距离和激发能量即可实现增加预报距离。

其性能提高突出表现在高分辨能力的增强，即对隧道围岩病害地质体的判释能力的提高。

▲技术指标：一技术参数1 三分量输入通道数：2个2 双模数转换（A/D）20＋bit3 采样率：50微秒100微秒150微秒200微秒4 频带宽度；10Hz-5000Hz5 动态范围大，信噪比高6 超长采样记录功能，采样点数：1024 2048 4096 8192 163847 电源：DC12V二处理系统为TGPWIN2.0三现场采集方式：1 激发方式：小药量爆炸震源，激发孔数一般为16-24点2 接收方式：在隧道左右洞壁对称布置两个接收孔点。

▲配置：TGP206隧道地质预报系统由四大部分组成，它们分别是：（一）TGP206隧道地质预报检测仪主机壹台。

全密封TFT液晶强背光显示，存储单元30G，防水、防尘、防震。

（二）高灵敏度三分量速度型检波仪两支，及安装配套的工具和器材。

如专用电缆、起爆触发电缆及线盘架、检波器和耦合剂专用推进杆、其他备品备件、专用防水防震工程塑料箱等（三）地质预报数据处理设备。

（四）TGPWIN隧道地震波处理分析软件包，具备预报病害地质体空间定位的功能，包括：三分量隧道地震波采集模块、定向位置定位模块、均衡增益频谱分析滤波模块、干扰波滤除模块、速度分析模块、地震回波能量提取模块、地震回波相关偏移模块、报告图文编辑模块▲备注：TGP206的优越性体现在下述七个方面：（一）TGP206是集放大、转换、采集、存储、控制为一体的全密封防水防震的物探设备，优于TSP203放大、转换在主机，存储、控制在笔记本电脑的分体组合结构，TGP206更适合在恶劣的外部环境中使用。

隧道超前地质预报及监控量测技术服务项目旳管理细则第一章总则第一条隧道超前地质预报及监控量测技术服务项目是保证隧道施工安全、优化工程设计、实现施工信息化旳重要基础。

通过超前地质预报工作，可以深入查清隐伏旳重大地责问题，及时掌握和反馈隧道地质条件信息；通过监控量测工作，可以及时掌握已开挖隧道段围岩旳变形状况、支护构造旳受力和隧道旳稳定性。

通过隧道超前地质预报及监控量测可为调整隧道设计参数、防护措施，为优化隧道施工组织、制定施工安全应急预案、控制工程变更设计提供根据。

第二条本细则根据福建省高速公路施工原则化管理指南（隧道）和公路隧道监控量测技术规程（DB35）制定，同步，结合福建省项目实际制定。

第二章重要人员责任项目部从接受项目任务、实行到发出超前地质预报、隧道监控量测汇报旳每一环节均有明确旳负责人，实行岗位责任制，保证责任到人。

第一条企业主管领导职责1.检查监督超前地质预报及第三方监测项目部旳工作；2.负责从全局方面协调参建各方旳关系；3.协调企业内资源，保障各项目部工作旳正常开展；4.对重大问题作出决策；5.协调与业主旳关系。

第二条项目技术负责人岗位职责1.现场工作第一负责人，负责主持项目部旳现场所有工作；2.负责项目部内部人员旳分工安排和调配工作；3.审批报表和汇报；4.协调与现场施工队伍、现场技术员和监理旳关系；5.负责质量管理工作，贯彻技术服务工作旳原则化和规范化工作（现场测点、内业资料、成果汇报等）；6.负责项目部人员、设备旳安全工作；7.参与业主等有关方面组织旳技术会议、例会等。

第三条专业工程师岗位职责1.负责监控量测和超前地质预报旳现场工作；2.整顿原始数据、组织和编制监控量测和超前地质预报汇报；3.负责本组仪器设备旳用前用后检查及平常保管、保养工作；4.负责图纸、实行方案、原始记录、汇报等资料旳保管、存档工作。

5.负责本组原始记录资料旳保管工作。

第三章隧道监控量测工作管理措施监测人员在工作过程中必须遵守如下规定：1.原始观测值应在现场用钢笔或铅笔记录在规定格式旳外业手簿中，原始记录必须清晰、完整、精确。

3.1.13 TSP203 超前地质预报1．前言TSP (Tunnel Seismic Prediction)是瑞士安伯格测量公司于20 世纪90 年代初期开发研制的一套超前预报系统，到目前经历了从TSP202、TSP203到TSP203plus三次更新换代。

通过产品换代，该系统更加轻便、操作更加简单、功能更加强大、智能化程度更高。

我国于1996 年首次引进TSP 超前地质预报系统，到现在已有十几年的历史，在这十几年，该系统的应用得到大力推广，被大量应用于公路、铁路隧道，水力、电力输水洞，城市地铁以及其它洞室工程地质预报。

目前，TSP 系统已成为超前地质预报最主要的方法之一。

开展TSP 超前地质预报可以及时了解掘进前方地质情况，为隧道施工和支护参数调整提供科学依据，从而有效控制地质灾害的发生，降低施工风险和成本，提高掘进速度，为施工单位赢得经济和社会效益。

2. TSP203超前地质预报概述2.1 适用范围TSP203 系统适用于对断层及其影响带、破碎带、溶洞、裂隙发育带、软弱夹层，以及地下水的预测预报。

2.2 技术特点TSP203系统具有适用范围广，预报距离长(一般预报长度在100 m〜150m)、预报准确性高，提交结果及时，对掌子面施工干扰小等特点。

2.3基本原理TSP203超前地质预报系统是利用弹性波的反射原理进行地质预报。

预报时，通过爆破产生地震波，地震波在隧洞中的岩体内传播，当遇到波阻抗界面时，如断层、破碎带、溶洞，大的节理面等，一部分地震波被反射回来，反射波经过一段时间后到达传感器被记录仪接收，然后用专门的分析软件进行处理，即可得到清晰的反射波图像。

通过对反射波运动学和动力学特征的分析，如波速、延迟时间、信号强弱、波形等，并结合区域地质资料、设计勘测资料、跟踪观测地质资料就可预测预报隧洞前方及周围地质情况，并确定地质异常的位置和特性。

TSP203系统工作原理示意图2.4仪器设备及主要参数TSP203系统包括硬件和软件两部分。

高速铁路隧道工程规范摘录《高速铁路隧道工程施工技术指南》和《高速铁路隧道工程质量验收标准》摘录一、超前地质预报㈠施工技术指南要求1、超前地质预报内容：地层岩性，地质构造，不良地质，地下水。

2、超前地质预报方法：地质调查法，钻探法，物探法。

⑴地质调查法对地表、洞内底板、边墙、拱顶和掌子面进行地质调查，在洞内超前地质预报前进行，按超前地质预报设计文件要求及时进行。

⑵钻探法：复杂地质地段采用，水平钻探深度不低于30m,前后两循环应重叠5～8m，含煤地层采用长短结合探测。

⑶物探法包括地震波法、声波法、电磁波反射法、电法和红外线探测。

TSP地震波反射法预报距离100～150m，前后重叠10m以上；陆地声纳法预报距离50～100m，前后重叠10m以上；反射地震层析成像法预报距离100～150m，前后重叠10m以上；水平声波剖面法预报距离50～100m，前后重叠10m以上；声波层析成像法和地震CT成像法预报距离取决于探测孔的深度；电磁波反射法预报距离10～20m，前后重叠5m以上；红外探测法预报距离20～30m，前后重叠5m以上；电法预报距离20～50m，前后重叠5m以上。

㈡验收标准要求1、软弱围岩及不良地质隧道应进行专项超前地质预报设计，完善设计方案。

2、开挖前必须进行超前地质预报3、隧道每一次开挖后及时观察、描述开挖面地层的层理、节理、裂隙结构状况、岩体的软硬程度、出水量大小等，核对设计地质情况，判断围岩稳定性，应有文字和数码影像。

4、超前地质预报采用的方法、预报范围、频次应符合设计要求。

5、超前地质预报施作里程、位置、搭接长度应符合设计要求6、超前地质预报施作后，及时收集相关数据，归纳总结预报成果，核对地质情况，判断围岩稳定性。

7、采用物探法时，炮孔、测线布置和数据采集等应符合设计要求采用超前钻探法时，钻机钻深不宜小于25m，成孔倾角和方位角偏差应不大于1°，深度偏差不大于0.5m。

二、洞身开挖㈠施工技术指南要求1、隧道Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩地段、隧道浅埋、下穿建筑物及邻近既有线地段施工开挖应采用控制爆破，或非爆破方法2、岩石隧道钻爆开挖应采用光面爆破技术，控制循环进尺及一次同时起爆药量。

超前预报采取的主要技术路线及主要技术指标依据隧道的地质条件,拟采用全面超前地质预报技术路线，即全面隧道施工地质灾害超前预报技术路线。

（一）隧道所在地区主要洞体不良地质分析与宏观预报1、深入的隧道地面地质调查它是隧道主要洞体不良地质分析的基础，当然，也是宏观预报的基础。

主要包括：深入的地层地质调查、地质构造调查、岩浆岩侵入体调查、岩溶地质调查、煤系地层调查和水文地质调查等等内容。

2、隧道地质条件分析它是隧道所在地区不良地质宏观预报的依据。

因为：大多数隧道隧洞不良地质体本身就是区域地层、地质构造或岩溶地质体的一部分。

主要包括：地层层序和特殊岩层分析，构造体系、构造型式和构造分布规律分析，地应力状态分析，岩浆岩侵入体成因、产状分析，溶洞、暗河、岩溶陷落柱和岩溶淤泥带成生条件、侵蚀基准面和展布规律分析，煤系地层中的煤层、采空区和瓦斯地质分析等等。

3、宏观预报这是在隧道隧洞所在地区地面地质详细、深入调查的基础上，通过隧道地质条件分析，宏观预报隧道隧洞洞体可能出现的主要不良地质的成因、性质、类型、大约位置和规模。

它为洞体不良地质体的长期、短期超前预报打下坚实的、不可或缺的基础。

（二）隧道洞体不良地质体超前预报1、长期超前地质预报在宏观预报的基础上，应用TSP探测和地面地质体投射法等技术手段，对隧道隧洞洞体不良地质体进行的长距离超前地质预报。

预报的距离，一般为掌子面前方100米以上。

（1） TSP探测和解译技术TSP（Tunnel Seismic Prediction，隧道地震波勘探）设备是由瑞士安伯格开发、生产的，是当前国内外最先进的隧道长期超前地质预报设备，也是当前超前地质预报技术中的最重要手段。

它与其它超前地质预报的设备相比，最大优点是：探测距离远（可达隧道掌子面前方300～500米），分辨率高（最高分辨率为1米），抗干扰能力强（基本不受干扰），影响施工很少（钻孔和测试在侧壁进行，洞内探测时间仅用45分钟）。

隧道工程超前地质预报管理办法第一章总则第一条为规范项目分部管段内隧道工程超前地质预报工作，充分发挥超前地质预报对隧道设计和施工的指导作用，确保隧道工程质量安全，依据《铁路隧道超前地质预报技术指南》（铁建设〔2008〕105号）、《关于进一步明确软弱围岩及不良地质隧道设计施工有关技术规定的通知》（铁建设〔2010〕120号）、《关于进一步加强铁路隧道设计施工安全管理工作的通知》（铁技〔2010〕352号）、《关于进一步加强铁路隧道施工超前地质预报工作的通知》（铁建设函〔2006〕340号）、《加强铁路隧道工程安全工作的若干意见》（铁建设〔2007〕102号）、《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》（铁建设〔2007〕200号）、《关于铁路高风险隧道安全管理工作的实施意见》（工管质〔2011〕36号）、《铁路建设工程风险管理技术规范》（铁总建设〔2014〕131号）及项目隧道施工现场实际情况，特制定本办法。

第二条超前地质预报的目的是通过地质调查、物探、超前地质钻探、超前导坑等综合手段，进一步查清隧道开挖工作面前方工程、水文及不良地质等信息，降低地质灾害发生的几率和危害程度，保证隧道工程质量安全。

第三条超前地质预报应按照超前地质预报设计，合理选择预报或监控手段，遵循科学、准确、及时、经济的原则。

第四条隧道超前地质预报是保证隧道施工安全、优化工程设计、实现施工信息化的重要基础。

通过超前地质预报工作，可以进一步查清因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题，及时掌握和反馈隧道地质条件信息，调整和优化隧道设计参数、防护措施，为优化隧道施工组织、制定施工安全应急预案、控制工程变更设计提供依据。

第五条抓好隧道超前地质预报工作，可以预防各类突发性地质灾害，降低地质灾害发生机率，有效规避工程建设风险，实现铁路工程质量、安全、工期、环境和投资控制目标。

第六条本分部隧道地质条件复杂，隧道超前地质预报的重点内容主要有：不良地质、地质构造（特别是断层破碎带、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况）、地层岩性（特别是对软弱夹层、破碎地层及特殊岩土等）和地下水（特别是对岩溶管道水、富水断层、富水褶皱轴及富水地层等）。