TSP探测在超前地质预报中存在的问题及解决方法.docx

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TSP探测在超前地质预报中存在的问题及解决方法

TSP探测在超前地质预报中

存在的问题及解决方法

摘要

准确预报开挖前方的地质条件是隧道建设者们的迫切要求。

近几十年来世界各国都把这类问题列为重点的研究课题。

准确而有效的超前地质预报工作，不仅可为施工单位节约大量成本，加快施工进度，更重要的是提高隧道工程的施工质量，所以隧道施工中超前地质预报应用也越来越广泛。

本论文首先简单介绍了TSP探测技术的基本原理。

其次，简单分析了一下TSP探测在使用过程中存在的问题和对如何提高探测的准确度。

最后，针对TSP探测存在的问题，提出解决方法。

其中重点总结突出TSP探测在隧道、涵洞等施工中的重要性。

超前地质预报能使施工单位准确、全面地掌握隧道开挖山体的地质情况，对超前地质预报一定要准确进行。

超前地质预报能是施工单位确定施工方案，选择施工工艺，确定衬砌类型，开挖方式，爆破方式等。

超前地质预报是施工的指南针，TSP探测是超前地质预报的指路明灯。

关键词：

TSP探测误差雷达地震波隧道超前炮孔地质

ABSTRACT

Accuratelyforecastthegeologicalconditioninfrontoftheexcavationistheurgentrequestoftunnelbuilders.Allcountriesintheworldinrecentdecadestosuchproblemsastheresearchsubject.Accurateandeffectiveadvancegeologicalforecastwork,notonlycansavealotofcostforconstructionunit,tospeeduptheconstructionprogress,moreimportantistoimprovethequalityoftunnelengineeringconstruction,soadvancegeologicalforecastintunnelconstructionisbecomingmoreandmorewidelyapplied.

ThispaperfirstbrieflyintroducesthebasicprincipleofTSPdetectiontechnology.Secondly,asimpleanalysisoftheTSPexplorationontheproblemsexistingintheuseprocessandhowtoimprovetheaccuracyofdetection.Finally,aimingattheexistingproblemoftheTSPexploration,andputforwardsolutions.HighlighttheTSPdetectingwhichemphaticallysummarizedimportanceinconstructionofthetunnel,culvert,etc.

Advancegeologicalforecastcanmaketheconstructionunitaccuratelyandcomprehensivelygraspthegeologicalsituationofmountaintunnelexcavation,toadvancegeologicalforecastmustbeaccurate.Canadvancegeologicalforecastistheconstructionunittodetermineconstructionscheme,constructiontechnology,determinetheliningtype,excavationmethod,blastingmethodsandsoon.

Advancedgeologicalpredictionistheconstructionofthecompass,theTSPdetectingisthebeacontoadvancegeologicalforecast.

KeyWords:

tunnel-seismic-predictionerrorradarseismic-wavetunnellook-aheadholegeology

绪论

一、TSP探测仪工作原理及发展现状

该系统作为物探方法的一种，其基本原理就是利用人造地震波的反射原理，通过仪器接收地震波，通过专业软件对接收到的地震波进行分析、整理、判译等一系列工作，最后得出报告，对隧道开挖施工提供有效、准确的预报方案，在此不再赘述。

该系统由瑞士安伯格公司开发研制，自1994年进入地下工程建筑市场，在意大利、法国等多个国家得到应用。

1996年进入中国市场，在公路、铁路隧道施工中得到较为广泛的应用，其效果得到较高程度的认可。

目前，其型号有1994年的TSP202、2001年的TSP203、2004年的TSPplus（增强型）发展到2006年7月推出的TSP200型。

其软件的处理功能和仪器的便携性有了较大的提高。

且在隧道施工中应用也较为方便、容易。

对我们预报人员来说十分的方便。

二、TSP探测在超前地质预报中的未来前景

TSP探测在现在各种工作中都有体现，已经大范围使用和普及，TSP存在的漏洞和不足也在一点点的完善，越来越人性化，使我们在使用过程中越来越方便，对前方围岩的判译越来越准确。

2.1从TSP的探测经济效益分析：

2.1.1直接经济效益

（1）查明地质情况，使施工单位在正常区段内可以放心大胆地掘进，在异常区段内则要小心谨慎，这样，既可以减少事故，又可以极大地提高掘进速度，保证工期，从而提高经济效益。

（2）有目标地在异常区段内进行超前处理并加强初期支护，能有效地减少和避免地质灾害。

因而，就能减少材料耗损、设备损坏等造成的经济损失。

2.1.2间接经济效益

主要是减少和避免人员伤亡、延误工期造成的巨大经济损失。

据有数据统计，应用TSP探测，创造的直接、间接经济效益一般可达工程总投资的20%。

2.2应用前景

TSP探测已在我国取得了可喜的成果，得到了施工单位的认可和信赖。

应用的范围也由铁路、公路隧道扩展到水电系统的隧洞，直至煤炭系统的井下断层探测。

TSP探测在各种地下工程施工中，可以取得巨大的经济效益。

这种观点将逐步被国内各施工单位所认知，成为大家的共识。

因此，TSP探测在我国的应用前景十分广阔。

三、TSP探测在超前地质预报中的重要性

隧道施工中地质超前预报的重要性已得到越来越广泛的认同，自从TSP探测技术问世以来，在全球数千个隧道工地做过TSP探测，TSP探测技术已成为保证隧道施工安全和工程质量的重要手段，并在许多隧道施工中作为一项施工工序。

采用TSP探测技术能大大减少施工中的盲目性，减少事故发生率，从而降低工程投资，缩短工期。

目前，TSP探测技术已经成为瑞士等国家众多隧道工程施工中的必不可少的地址超前预报手段。

通常情况下每掘进100-200m就做一次TSP探测，与超前探孔法等相比这种探测方法的突出优点是测量结果的信息量大，预报范围广，测量本身成本低。

在使用掘进机施工的隧道标段，TSP超前预报测量还是唯一切实有效的测量手段，因为掘进机施工时的日进尺有事高达20多米，超前预报的范围只有数倍于掘进机的日进尺这种测量才显得有意义。

常规的钻孔测量法因需要较大的设备布置空间、且效率低、时间长和影响掘进机施工不适合掘进机施工条件下的地址超前预报。

中国目前正在进行大规模的铁路、公路和水电工程建设，需要修建大量的隧洞和洞石，而TSP作为一项隧道长距离的探测技术，将在减少和消除隧道施工塌方方面发挥巨大作用。

TSP探测是超前地质预报中的指路明灯，由此可以看出，TSP探测在隧洞施工中的地位是多么重要，我们应该加强对TSP探测的技术学习，熟练掌握TSP探测的各项数据和分析过程，能准确的判译出隧洞前方的地质情况，为隧洞的施工提供可靠地依据。

四、TSP探测在超前地质预报中的优势和不足

4.1TSP探测在超前地质预报中的优势

TSP超前地质预报系统是专门为隧洞和地下工程超前地质预报研制开发的，目前世界上在这个领域较先进的设备，它具有以下特点：

（1）使用范围广：

适用于极软岩和极硬岩的任何地质情况。

它是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掌子面前方及周围邻近区域的地质情况。

（2）预报距离长：

能准确的预报掌子面前方100-250m范围内的地质状况，围岩越完整预报长度越大。

（3）对隧道施工干扰小：

它可在隧道施工间隙进行，即使专门安排此项工作，也不过一个小时左右。

它的接收器和炮眼不是在掌子面上，而是在掌子面附近的边墙上，施工接收器孔和爆破孔是不影响正常隧道掘进，只是在接收信号时为减少噪音干扰做短暂停工。

（4）提交资料及时：

在现场采集数据的24小时内即可提交正式成果报告。

该系统设计了一套专用处理软件，通过分析就可得出前方围岩是否有断层破碎带、软弱夹层、隐藏水体和其他不良地质体相对于隧道的空间位置及围岩的力学特性参数表。

由于上述特点，TSP系统已被广泛使用，以避免隧道施工中的盲目性带来的地质灾害。

在隧洞的超前地质预报中，有很多种方法。

如：

地质雷达、水平钻探、红外探水、及TSP探测等。

在居多方法中，TSP探测显示出了其强大的优势。

具体情况如下对比表所示。

探测方法

TSP探测

地质雷达探测

水平取芯钻探探测

探测范围

100-250m

＜50m

＜100m

工作区域

远离掌子面

掌子面

掌子面

现场探测所需时间

1-1.5小时

1.5小时

120小时

岩石力学性质信息

判译资料显示

不显示

实验得出

参加人数

2-4人

3-4

5-10

技术人员要求

专业人员

专家人员

地质专家

TSP探测、地质雷达、水平钻探现场施工对比表

4.2TSP探测的在超前地质预报中的不足：

（1）比较容易受外界环境的干扰：

TSP探测是靠接受人造地震波数据的，因此在工作范围内一定要保持工作环境的安静，以便于采集的信息比较真实准确。

（2）需要用炸药来制造地震波具有一定的危险性：

在采集数据的过程中不能有人和机械在我们的工作范围内，以便于我们能尽快的采集，避免耽误施工掘进。

（3）不能直观的显示前方的地质情况：

TSP探测是通过地震波等一系列数据对前方围岩进行判译的，通过专业软件对前方一定范围内的围岩进行判译。

（4）需要施工单位的配合：

施工单位需要按照TSP技术交底的要求来布置测线和炮孔，炮眼的倾角是上扬的，方便封堵；接收器的孔是下伏的，保证接收器孔内无水，以便于接收器和围岩紧密耦合。

五、TSP超前地质预报的误差原因及减小误差的方法

5.1预报误差原因分析

5.1.1原始数据

可靠、良好的原始数据是得到正确预报结果的坚实基础，也使后续软件处理变得简单、容易。

这是基本操作的关键之一。

5.1.2信号质量差的原因分析

（1）炸药量过大或过小，导致信号超幅或太弱。

图1为某隧道采集的原始信号，信号太弱，其原因是围岩为全风化基岩，药量太少（50g）。

图1某隧道原始信号

（2）洞内施工机械噪声过大，造成干扰信号太强。

图2某隧道原始数据

（3）隧道本身噪音过大，如：

大量用水时，造成干扰信号太强。

（4）电雷管存放时间太长、受潮或本身制造因素，造成不同炮点爆破延时不一致，图3即为此情况，第1炮未响，记录为洞内涌水或其他噪音干扰信号，第12、13、19炮明显延时。

多数炮不同程度延时。

像这样的信号处理是困难的，预报结果的准确性也是大大折扣的。

图3某隧道原始数据

（5）装药深度过浅或炸药掉入初期支护和围岩中间的空洞，产生大量无用的面波信号，且无法过滤，造成有用信号和无用信号大量混淆。

（6）传感器耦合不好或炮眼封堵不好，能量消耗在产生大量的干扰信号上，且有用信号微弱。

图4为传感器耦合不好时的信号记录。

图4传感器耦合不好时接受到的信号

5.1.3炮孔深度、方位角、角度、高度和间距测量不准确的原因

其原因主要是没有认真测量或没有测量，直接按照交底要求填写。

从理论上讲，一是我们需要确定爆破点真正位置，即装药深度而非炮眼深度，两者在装药到位时是一致的，在装药不到位时是不同的。

二是炮孔参数的准确与否直接影响到软件处理结果推测的每一不良地质界面位置的准确与否。

从测量原理上，后视距离（即炮孔到传感器的距离）本来就短，再加上炮孔参数测量的较大误差，势必造成前视距离（即软件计算的不良地址界面位置）的更大误差。

三是软件处理本来就是24炮数据的回归处理，如果大量炮孔的数据失真，回归结果（即推测的不良地质界面位置）必然是不正确的。

5.1.4软件处理过程的参数选择不恰当

（1）数据长度选取过短或太长。

过短造成数据量不够，太长造成无用、干扰信号也大量进入软件处理，同时造成处理时间延长。

（2）初始噪声信号的消除（零切除）不合理。

如较大数值的零切除，虽然使初始噪声信号全部充零，但会对后续的数据处理造成较大不利影响。

（3）带通滤泼参数设置不恰当，会对后续处理和最终结果造成很大影响。

这一步的目的是根据信号频率将信号加以约束，使有用的信号从噪声中分离出来，消除噪声信号。

这也是比较关键的一步。

（4）初至拾取在信号质量不高时易产生定位困难或错误，从而导致最终结论的不准确或错误（图5）。

图5某隧道信号拾取

（5）道切除的不合理，对最终结果有较大影响（见案例1）。

道切除的目的在于使回归计算的波速更加符合岩石开挖的真实情况。

5.1.5隧道整体和现场地质情况了解、观察不够

此方法本身就是以工作面地质情况为参考面，推断前方地质情况的相对好坏、含水等情况。

当软件处理结果与开挖段地质情况不符时，说明参数选择等数据处理不恰当。

5.1.6地质知识缺乏，造成对处理结果的判译错误

由于操作者非地质专业人员等原因，对地质方面的规律、专业知识掌握不够，对软件处理结果作出了违反地质规律的判译。

5.1.7其他

仪器的设计模型和仪器系统误差不予分析考虑。

5.2避免（减小）误差的对策

针对以上主要影响因素，对应采取以下措施以消除或减小误差，提高预报的准确性。

5.2.1原始数据

（1）提高信号质量根据隧道围岩的坚硬程度等情况，确定合适的炸药量。

一般情况下，围岩坚硬、完整，用量在40-75g；围岩软软、破碎或松散，用量在80-200g；靠近工作面，用量宜稍大；靠近传感器，用量宜稍小。

其用量也与检波器到传感器的距离有着很大的关系。

没有经验时最好试一炮。

（2）开始放炮时，附近施工机械暂时停工。

（3）隧道本身噪声过大时，适当加大药量，以压制其信号。

（4）更换雷管。

（5）采用PVC管护孔等办法，保证装药深度和不掉入初期支护与围岩之间的空洞。

（6）当用水封堵炮眼困难时（如炮眼倾角向上或近水平），可用炮泥或浸泡的锚固剂封堵到底。

（7）认真测量、记录检波器孔、炮孔的空间位置、距离等数据。

5.2.2软件处理

（1）选择合适的数据长度可按以下经验公式计算，得到从接收点算起所需的最大探测范围的数据长度：

数据长度=（探测范围×2×2.5）÷Vp，式中Vp表示纵波的平均速度，2表示往返传播时间，2.5表示考虑速度变化和横波较慢的安全因数。

相对准确的Vp值可以通过以下步骤取得：

先假定一数据长度（如200ms），运行TSPwin软件至第三步：

初至拾取，进行必要的简单处理，即可得到。

有了相对准确的Vp值，自己确定的探测距离，用上式即可计算出合适的数据长度。

然后置换先前的假定数据长度，重新开始软件处理。

（2）适当的零切除选择存在的类似地震信号的尖脉冲值充零即可，剩余的一小部分噪声信号对后续处理影响较小。

（3）合适的带通滤波范围如果原始信号质量好，采用软件自身计算值即可得到较好的滤波效果；如果原始信号质量差，则应调整滤波范围，使信号初至拾取基本正确。

这需要掌握较多的物探知识。

（4）初至拾取信号质量不高时需人工手动拾取。

不好把握时，可多处理几次，选择符合现场实际的最终结果。

5.2.3其他

（1）加强对隧道整体（检波器至工作面的边墙、拱顶）和现场地质情况（地层岩性、产状、完整性、节理、构造、地下水等）的详细了解、观察、记录、找出特征。

最终二维处理结果中已开挖段符合现场实际情况时，其预报地段的推测结果应该是合理、正确的。

（2）加强地质知识的学习与补充，对处理结果是否正确作出判断，并作出合理的解释。

（3）跟踪、验证预报结果，根据实际情况对数据进行重新处理，积累经验，分析原因，提高数据处理能力和预报的准确性

六、个人在工作中对TSP探测的一些不成熟的建议

为此，结合隧道施工的特点，对我国的隧道施工承包商，提出一些不成熟的看法及建议：

（1）加强隧道技术人员基础地质知识的培训，以达到能胜任。

①正确分析地层岩性②准确的推测判断断层、软弱结构面的出露及对施工的影响③熟练使用地质罗盘等工具对岩层层理、构造节理的产状要素进行量测④熟悉地质岩土标本的采集、编号及保管工作⑤熟悉地质资料的填报

（2）除了日常项目的量测工作由各隧道项目自行负责外，承包商应加大这方面的投入，购置先进的量测仪器，成立专门的超前地质预报小组，负责本公司各条隧道的地质工作。

（3）在隧道的设计中，由于工作条件或工作时间等因素，勘察院提交的隧道设计图往往达不到精度要求，有些主要的不良地质体没有被发现，从而给隧道施工带来了极大的困难。

同时在简单的隧道的工程地质情况的基础上，施工单位在施工过程中也很少进行细致的地质力学分析，多数施工单位也缺少专门的地质技术人员，这就给施工造成了极大的难度，事故也就在所难免了。

地质力学虽然是我国土生土长的一门学科，曾经在探矿、采油的多方面做出了卓越的贡献。

地质力学分析和隧道超前地质预报是隧道科学施工的必然产物，是安全、快速施工的要求。

石家庄铁道学院桥隧地质技术所首先将地质力学和隧道施工地质技术相结合并应用于隧道施工超前地质预报，并取得了初步成果，在地质力学应用于宏观超前地质预报基础上的同时，并采用多种预报手段，对隧道进行全面的超前地质预报。

（4）地质力学和构造体系的分析方法。

地质力学不但提出了构造体系感念，而且，经过长期的地质实践总结出了鉴别、确定、分析、优化构造体系的一套系统分析方法。

这一方法就是被称为地质力学基本方法的三个组成部分：

构造体系的鉴定方法、力学分析方法和模拟实验方法，此外还总结出体现这三个组成部分的基本工作的“七个步骤”。

鉴定每一构造形迹、构造要素的力学性质，辨别构造形迹的序次，按序次查明同一断裂面力学性质可转变的过程。

明确构造体系的存在和范围。

划分巨型构造带，鉴定构造形式，分析联合和复合的构造体系，探讨岩石的力学性质和各类型构造体系应力活动方式做相应模拟实验。

（5）要求预报准确、距离长是大家共同的追求，要完全做到这一点是非常困难的，也是不现实的，这与地质条件的复杂性、物探结果的多解性、操作者的经验、仪器的发展以及费用投入的多少等息息相关。

总体来说，按照仪器要求来操作，TSP系统较其他物探设备还是具有相当的优势，其预报结果的准确性还是相当高的，且预报距离较长，能够较好地弥补勘察设计的不足和满足施工的需要。

七、小结

要求预报准确、距离长是大家共同的追求，要完全做到这一点是非常困难的，也是不现实的，这与地质条件的复杂性、物探结果的多解性、操作者的经验、仪器的发展以及费用投入的多少等息息相关。

总体来说，按照仪器要求来操作，TSP系统较其他物探设备还是具有相当的优势，其预报结果的准确性还是相当高的，且预报距离较长（个人经验工作面前方100-150m效果最好），能够较好地弥补勘察设计的不足和满足施工的需要。

随着我国与世界的全面接轨，引进西方发达国家的先进管理与合理作法是必然趋势。

然而，由于没有施工地质超前预报这道工序，大多施工单位只得处于盲目施工状态。

在个别长大隧道隧洞施工过程中，设计院可能会派驻少量人员，但也大多不从事具体的施工地质工作。

由此也就导致了隧道施工的盲目进展，前面地质状况究竟如何，是好是坏，设计的支护强度够不够，会不会出现塌方，施工人员心中无底。

因此，为了使施工者心中有数，减少施工事故，加快施工进度，施工单位必须在施工过程中进行超前地质预报工作。

为了减少隧道开挖过程中的盲目性，提高对隧道掌子面前方的地质情况的认识是很有必要的。

TSP-200系统就是专门为查明隧道掌子面前方的地质情况而研发的一套设备，由于该系统探测距离长、不占用掌子面、对施工干扰小和预报的准确度高的优点，现已被广泛的采用并越来越受到施工方的重视。

虽然TSP有许多优点，但是在解译和实际还是有一定的出入，预报准确率在60％以上，TSP-200探测要与其它长期、短期超前地质预报紧密结合进行综合地质预报。

参考文献

<1>《TSP使用说明书》

<2>厦门大学建筑与土木工程学院中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室《TSP超前地质预报探测技术及其应用现状》

<3>福州铁建工程质量检测有限公司《运用TSP-203plus波速探析围岩类别存在的问题及解决方法》

<4>中冶建筑研究总院有限公司中国京冶工程技术有限公司石家庄铁道大学《TSP系列探测仪器在隧道中的应用》

<5>厦门大学建筑与土木工程学院中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室《TSP超前地质预报探测技术及其应用现状》

<6>湖南省交通规划勘察设计院《TSP探测系统在隧道施工地质超前预报中的应用》