TSP在高地溫—高地 報中的問題及改進

范占鋒，蔡建華，趙偉

(1.成都大學 建筑與土木工程學院，四川 成都 610106;2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731;3.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

0 引言

我國雖已是隧道大國，卻還不是隧道科技強國，在隧道與地下工程建設領域還存在一些亟待解決的問題，機遇和挑戰并存[1]。正在修建的川藏鐵路以及大型水電工程地下硐室沿線，無論如何都避繞不開無數大小斷層破碎帶、高地溫、高地應力、凍融以及敏感生態區域，如何確保這些重大工程建設安全是當前面臨的一大關鍵難點，需要做好安全前置預判等工作。制約長大隧道安全高效建設的主要因素是極端復雜的不良地質條件，這也被公認為隧道建設的難點[2]。如何提高隧道施工期間的超前地質預報的準確度又是隧道建設重點中的難點。當前，隧道超前地質預報的實施效果除了與本身技術水平有關外，還與巖體的溫度及應力狀態關系極大。

從20世紀90年代至今，伴隨著我國大型基礎設施的建設，隧道超前地質預報技術在國內隧道施工中逐漸趨于完善，預報精度不斷提高，預報方法趨于多樣化。其中彈性波反射法應用最多，如TSP(tunnel seismic prediction)隧道地質預報法、HSP(horizontal sonic profiling)水平聲波剖面法、隧道負視速度法、TRT(tunnel reflection tomography)隧道反射層析成像法、陸地聲吶法、TGP(tunnel geology prediction)隧道地質預報法等，其次是電磁波反射法、瞬變電磁法、激發激化法等；這些預報方法對不良地質體的識別各有千秋?？偟膩碇v，工程師們總是希望預報距離越長且精度越高越好，但是從已有的工程實踐中可以看出，這兩者是相互制約的，即預報距離長會使得預報精度降低，所以，很多專家學者提出了綜合超前地質預報方法[3-6]。

隧道超前地質預報技術已經得到了長足發展，也暴露出不少問題，最主要的問題是如何判讀特定環境因素(高地應力、高地溫、高水壓、巖溶地區、地震頻發地區)下的不良地質條件，提高不良地質對象的定位精度。如：徐志緯[7]提出在深埋地下廠房、深埋隧道等地下工程地質問題的超前地質預報中要重點考慮地應力的影響因素，并指出地應力常常與斷層及巖體破碎帶息息相關；劉高等[8]在研究金川礦體的巖體力學參數及時空演化規律時指出，地應力是影響巖體結構的主要因素，最終可通過彈性波波速來綜合反映；田家勇和王恩福[9]基于巖石的聲彈理論研究了不同初始應力條件下沿不同方向的彈性波波速，表明巖石波速和應力之間存在特定的關系；謝和平等[10-11]指出高地應力特征是深部巖體賦存環境的本質屬性之一，探索深地原位節理巖體應力波傳播與衰減規律，是深地巖體動力學的主要課題之一。

川藏鐵路所經地區屬地中?！柴R拉雅地熱帶，熱泉(水)主要沿深大活動斷裂帶出露，存在明顯的高地溫現象[12-13]。在高地溫地區開挖隧道，高溫會引發炸藥、雷管及導爆索等起爆藥包性能穩定性下降，易出現瞎炮、啞炮、早爆和拒爆問題等，嚴重危及施工安全[14]。劉珣[15]依托川藏鐵路一超高地溫隧道，發現隧道環境溫度高于60 ℃時，普通導爆管——雷管出現軟化現象，性能不穩定，現場多次出現拒爆。拉日鐵路淺埋吉沃西嘎隧道最高巖溫達57 ℃，川藏鐵路拉林段桑珠嶺隧道巖溫最高達89.9 ℃，洞內環境溫度最高達56 ℃[16]?！侗瓢踩幊獭稧B 6722-2014中規定[17]，高溫爆破溫度低于80 ℃時，應選用耐高溫爆破器材或隔熱防護措施，溫度超過80 ℃時，必須對爆破器材采取隔熱防護措施。正在規劃建設的川藏鐵路雅林段長大隧道也有類似高溫現象，需提前做好預判工作。因此，高溫環境下依賴炸藥激震產生地震波的預報方法需深入分析。

基于以上認識，本文以常用的TSP法地質預報為例，分析該方法在高地溫—高地應力隧道超前地質預報中可能存在的問題，并提出高地溫—高地應力隧道超前地質預報的改進措施，以期為川藏鐵路存在類似環境的隧道施工提供借鑒。

1 TSP超前地質預報原理

TSP系統自1995年被引進國內，已經被工程檢測單位大量采用，甚至被納入《鐵路隧道超前地質預報技術規程》Q/RC 9217-2015[18]，一些業主也明確要檢測單位必須使用TSP。然而，目前很多學者對TSP的應用仍然頗有爭議、褒貶不一[19]。

TSP探測儀器是由瑞士Amberg測量技術公司在20世紀90年代初開發的專門用于隧道超前地質預報技術，是一種屬多波、多分量、高分辨率地震反射波探測方法，其探測原理如圖1所示。工作時，采用設計上的24個小量炸藥震源點(布置在地層或構造的走向與隧道軸相交成銳角的隧道邊墻上)激發產生地震波；地震波在隧道中的巖體內傳播，當遇到地震界面如斷層、破碎帶、大型溶洞等地質異常體時，一部分信號被反射回來，另一部分信號透射進入前方介質，而反射回來的地震波經巖體傳播后到達接收傳感器，通過接收傳感器記錄下來；經專業軟件分析處理，可以獲得P、SH和SV波的時間剖面、深度偏移剖面、反射層、巖石物理力學參數、各反射層能量大小等成果，以及反射層在探測范圍內的2D或3D空間分布，根據反射波的組合特征及其動力學特征、巖石物理力學參數等資料來解釋和推斷地質體的性質(巖層軟弱帶、斷層帶、節理裂隙帶、含水體等)。

圖1 TSP探測原理示意Fig.1 Schematic diagram of TSP detection principle

TSP系統探測距離一般可達掌子面前方100 m，在堅硬巖石中甚至可以達到150 m。王凱[20]通過正演和反演模擬認為TSP的有效預報距離最好控制在120 m以內。TSP地震波反射法對于隧洞正前方與隧洞軸向近垂直或交角較大的地質構造探測效果較好，已積累了很多成功的經驗，但對地下水、點狀不良地質體的判別，溶洞的探測以及與隧洞軸向近平行或交角較小的地質構造的探測效果較差，與實際需求還有一定的差距。

TSP測試系統已經從TSP200發展到TSP203Plus以及TSP303系統。從采集現場看，TSP303之前的傳感器安裝需要2根長2 m的金屬套管，傳感器由3根桿拼接，不便于攜帶，成本高；最新的TSP303摒棄了使用2根鋼管的保護措施，采集傳感器由軟質材料制成，檢波器保護套可重復使用。然而，最主要的觀測系統依舊是在隧道一側邊墻布設24個1.5 m深的炮孔，孔間距1.5 m，需要施工方配合檢測單位提前鉆孔，采用炸藥作為震源。

2 TSP在高地溫—高地應力隧道預報中存在的問題

2.1 高地溫隧道地質預報中存在的問題

TSP測試需布置24個炮孔，每個炮孔深1.5 m，通常采用乳化炸藥作為震源，在圍巖較差洞段每個炮孔裝填100～150 g乳化炸藥，在圍巖較完整洞段通常裝填50～75 g乳化炸藥，采用電雷管或塑料導爆管引爆，這種激震方式在常溫隧道是可行的。然而，正在建設的川藏鐵路沿線穿越二郎山、折多山、高爾寺山、沙魯里山、芒康山、他念他翁山、伯舒拉嶺、色季拉山等8座高山，隧道埋深從數百米至2 600m，線路所經地區屬地中?！柴R拉雅地熱帶，熱泉(水)主要沿深大活動斷裂帶出露，存在明顯的高地溫現象，已經探明的隧道有69.87 km的巖溫均高于60 ℃，如表1所示。根據《爆破安全規程》GB 6722-2014中規定[17]，在高地溫環境下進行TSP測試需要對炸藥和雷管做特殊處理。與此同時，反復在高溫環境下測試，儀器的穩定性是否能得到保障，這是TSP在高溫環境中測試主要存在的問題之一。

2.2 高地應力隧道地質預報中存在的問題

高地應力是地質學概念，指巖石抗壓強度與地應力的比值。高地應力對隧道工程造成的最典型災害為：對硬脆性巖體的巖爆和對軟巖的洞室大變形。實際工程中巖體不但包含眾多的節理、裂隙，而且都處于一定的地應力環境或外部荷載作用下，這些因素不僅影響巖體的力學特性，還對巖體的聲學特性產生重大影響。川藏鐵路高地應力特征十分明顯。任洋等[21]通過水壓致裂法實測川藏鐵路雅安—新都橋段地應力(圖2)，發現測區最大水平主應力均大于最小水平主應力和垂直應力，埋深1 300 m時實測最大水平主應力值大于51 MPa，最大主應力值隨埋深具有線性關系。川藏鐵路雅林段新建隧道72座，總長851.48 km，沿線隧道最大埋深達2 600 m，深埋長大隧道面臨的高地應力問題不可避免。

表1 川藏鐵路部分隧道高地溫分布特征

圖2 川藏鐵路雅安至新都橋段實測地應力點分布[21]Fig.2 Distribution of in-situ geostress measurement boreholes in Ya’an-Xinduqiao section of Sichuan-Tibet railway[21]

在賦存高地應力隧道的硬脆性巖體中探測，TSP測試所需的24個激震孔易成孔，參考已有文獻資料，在未開挖洞段，高地應力的存在一方面對巖體的波速影響較大，測試時少量炸藥激發產生的地震波沿著已開挖隧道邊墻傳播，也就是從低波速區向高波速區傳播，TSP在數據處理時是否有這方面的考慮值得研究。另一方面，已開展的由多個水泥砂漿試件組成的可模擬節理分布和施加不同地應力水平的組合模型試驗(圖3)中，模型尺寸為長×寬×高=180 cm×80 cm×25 cm，觀察到地應力對巖體中裂紋的擴展有明顯的導向作用，即裂紋主要沿地應力較大的方向擴展，在地應力較小的方向影響較小。一些學者也認為，地應力對炸藥爆破后產生的地震波具有導向作用[22-23]，在地應力較大的方向地震波傳播較快，換言之，地震波的傳播方向受地應力影響較大。而在隧道高地應力段，巖爆預測最關注的是地質災害，TSP測試掌子面前方的波速對已開挖段波速依賴性很大，難以將TSP所獲得的波速反演出地應力。所以，TSP在發育巖爆地段的隧道應用還有待深入探討。

在高地應力軟巖地區，TSP測試布孔一般由施工單位提前1～2 d打孔，在圍巖級別較差的洞段，如V級圍巖，由于測試銜接不夠緊湊，存在易塌孔、水封效果差等問題，直接影響數據采集精度，理論上可以補孔，而在工程建設工期緊的條件下，會影響到后續的放炮、采集等工作，一般難以滿足重新打孔要求。其次，在地質條件較差的隧道工程中，施工方案往往采用兩臺階或者多臺階的開挖方式，上臺階的隧道軸向距離一般僅十幾米，二襯和初支距離非常近，尤其在軟巖大變形隧道，大偏移距的地震勘探技術不適應于隧洞工程邊墻，難以滿足TSP要求的56 m測線長度。

圖3 不同地應力條件節理巖體爆破裂紋傳播試驗Fig.3 Crack propagation experiment of jointed rock mass under different in situ stress

3 改進措施

針對TSP在高地溫—高地應力隧道超前地質預報中存在的上述問題，筆者結合大量的現場測試，提出以下幾點改進措施。

3.1 研制絕熱保溫袋起爆藥包

針對高地溫隧道，首先分析高地溫隧道巖溫分布規律，總結高溫環境下起爆藥包拒爆、啞炮及爆速衰減影響關鍵因素。參考露天煤礦高溫爆破技術標準及室內阻水隔熱材料試驗，研制絕熱保溫袋起爆藥包，研制產品需符合經濟環保要求，同時需滿足快速裝藥以及高溫爆破的安全技術要求，在安全準爆條件下研究并確定準確可控的裝藥爆破技術參數、作業工藝、時間和流程，制定涉及高地溫爆破操作規程和安全技術措施，確保高地溫隧道超前地質預報的快速實施。課題組在西南地區某爆炸與沖擊實驗室進行了高溫環境下起爆藥包的試驗研究(圖4)。

圖4 絕熱保溫袋起爆藥包材料試驗Fig.4 Test of initiating charge pack material for thermal insulation bag

3.2 改變震源激發方式

炸藥爆破一方面存在安全隱患，已經發生過TSP作業造成接線人員傷亡的工程案例；另一方面，進入21世紀以來，世界上各類恐怖活動呈多發態勢，在一些地區，爆炸襲擊愈演愈烈，在此背景下，勢必造成雷管、炸藥等火工用品的監管更加嚴格，審批程序需進一步規范，審批難度將增加。因此，應摒棄炸藥激震，采用錘擊或電火花激震的方式。如：中鐵西南科學研究院有限公司自主研發的隧道超前地質預報儀——HSP(horizontal sonic profiling)水平聲波剖面法采用錘擊震源，該公司研發的新型的ZDF-3(ZhiliuDian Fire-3)型電火花也可作為震源；石家莊鐵道大學的婁國充團隊[24]構建的高性能定向三維超前地質預報技術，也是采用易操作的錘擊震源。

3.3 建立基于多元地質信息的智能工程評價體系

通過電腦鑿巖臺車鉆孔作業時監測的鉆進參數、數碼成像技術、TSP、探地雷達等超前地質預報技術，對掌子面地質情況進行智能化采集；研發隧道施工期圍巖快速分級設備信息系統，實現隧道掌子面前方0～3 m范圍的巖體完整性系數、單軸抗壓強度等圍巖分級參數的快速獲取，達到施工期圍巖快速分級目的；采用數量化理論，建立現場多信息綜合評價模型，運用專家知識系統比較分析現場多信息綜合評價模型，實現圍巖信息的智能判識和超前地質預報；采用雙目相機成像及3D掃描技術實現隧道變形自動化監測系統，結合圍巖和結構的變形控制標準，對圍巖穩定性進行智能識別；基于圍巖信息、穩定性智能采集與判識數據，建立基于多元地質信息的智能工程評價體系。

3.4 新方法新技術的推廣應用

隧道作為系統工程，開挖巖體與周圍環境間存在著能量交換，在隧道實際施工中往往易忽略已開挖段所揭露巖體的自然屬性與現場監控量測信息之間的內在關聯，而這恰恰對后續未開挖段施工、設計變更與否等有重要指導意義[25]。采用機器學習，數據挖掘、神經網絡，與預報結果相結合，全方位、多角度對預報結果進行實時更新。同時，也應推廣多種預報方法，如：多源地震干涉法[26-27]、具有聚焦特性和連續掃描探測方式的新型雷達[28]，以及TGP、TRT、TST等，不能盲從一種方法。

3.5 適用于TBM的超前地質預報

超長深埋隧道建議不設或少設斜井或豎井，采取以TBM(tunnel boring machine)法為主的“TBM+鉆爆法”修建模式[1]。未來，TBM法在隧道建設中將會得到大力推廣，開發適應于TBM的超前地質預報設備及研究方法，尚未見到TSP在這方面的報道。劉斌等[28]提出利用三維地震超前預報技術、三維激發極化法及機器學習手段的綜合方法來預測巖體主要參數，該方法適用于TBM施工，研發的HSP型隧道地質預報儀可安裝在TBM刀盤上，通過掘進機刀盤切割巖體產生的振動信號進行數據分析，目前已在引漢濟渭工程及樂山至西昌高速大涼山1號特長隧道進行了應用。

3.6 預報工作組織管理

TSP技術交底不明確。按照目前的TSP前次測試與下次測試搭接10 m的要求，TSP探測要求的24個炮孔和至少2個接收器孔大多由作業公司提前完成，實際上，作業公司的管理者并不清楚TSP的測試關鍵細節，往往出現24個炮孔部分布設在上臺階，部分布設在下臺階，仰拱被挖之后，接收孔要么太高要么太低。換言之，炮孔和接收孔不在同一高度的現象在實際工作中不在少數。其原因在于檢測公司與甲方的技術交底難以通知到作業公司，加之施工方本身的人員流動性大，作業配合人員不固定，增加了數據采集的難度，降低了采集精度。

建議將高風險鐵路隧道的超前地質預報費用從安全生產專項費中剝離，并將超前地質預報引起隧道建造成本增加的費用納入工程造價標準體系管理。

4 結論

TSP在高地溫—高地應力隧道超前地質預報中主要存在兩方面的問題，高巖溫易造成炸藥拒爆、啞炮和瞎炮，在高地應力區，地應力對地震波傳播影響較大；這兩方面的問題對TSP數據采集精度及判釋影響較大。針對這些問題，提出了6點改進措施，最終目標是使超前地質預報方法數據可靠、精度高、造價低、易掌握，同時提升施工中的地勘技術和裝備水平，將未知變為可知，將不確定變為可控。