复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术.pdf

第 1 卷 第 2期 2 0 0 4年 4月 工程 球物理号 旅 CHI NES E J URNAL F ENGI NE ERI NG GE OPHYS I C S Vo I ． 1 ． NO ． 2 Apr ．．20 0 4 文章 编号 1 6 7 2 7 9 4 O 2 0 0 4 O 2 O 1 5 9 0 7 复杂地质条件下的隧道地质 超前探测技术 肖书安 ，吴 瑞士安伯格测 量技 术公 司． 瑞士 世 林 内 根 斯 多 夫 CH 8 1 0 5 摘 要 近年来， 隧道超前地质探测工作在我国越来越受到重视． 许多隧道工程中都采用了相应的超前探 测技术 ． 积累了有益的经验 。实 践表 明． 采用 以 T S P Tu n n e l S e i s mi c P r e d i c t i o n 隧道 地质超 前预报 系统 为 主， 并结合其它探 测手段的综合 超前 预报方 案能较好 地兼 顾隧道 工程施 工 的特 点 和探测成 本等 方面 的要 求 。本 文以德国楚格 山排污隧洞和 中国某高速公路隧道为例 ． 介绍 了 TS P在复杂的岩溶地质条件下的应用 情况 ， 初步探讨 T S P在溶洞体探测 方面的局 限性 ． 并提出解决 这些 问题 的基本设想 。 关键 词 TS P隧道；超前探测；岩溶； 应用 中 图分类号 P 6 4 2 ． 2 5 文 献标识 码 A 收稿 日期 2 ] 4 一o 2 1 1 GEOLOGI CAL P REDI CTI ON TECHNI QUE F OR TUNNEL CoNS TRUCTI oN UNDER CoM PLEX GEOLoGI CAL CoNDI TI oNS XI Ao S hu a n。W U S hi l i n Amb e r g Me a s u r i n g Te c h n i q u e Lt d． ，CH- 8 1 0 5 Re g e n s d o r f，Swi t z e r l a n d Ab s t r a c t I n r e c e nt ye a r s ，t h e r e i s i n c r e a s i ng a wa r e ne s s o n t h e i mp or t a n c e of g e o l og i c a l pr e d i c t i o n wh i l e t u n n e l i n g i n Ch i n a ，a n d ma n y t u n n e l p r o j e c t s h a v e b e e n c o n s t r u c t e d u n d e r a s s i s t a n c e o f s e l e c t e d g e ol og i c a l p r e d i c t i o n t e c hn i qu e s wh i c h c on t r i bu t e g r e a t l y t O t h e e x p e r i e nc e r e c or d i n g． The p r a c t i c e s h o w s t ha t t he c o m b i ne d a p pr o a c h of TSP Tunn e l Se i s mi c Pr e d i c t i o nwi t h o t h e r p r e d i c t i o n t e c hni q ue s c a n b e s t me e t t h e r e qu i r e me n t s o f t u nn e l c on s t r u c t i o n p r o c e d ur e s a nd t h e pr e di c t i on i mpl e me n t a t i o n C OS T S e t c ． Thi s pa p e r pr e s e nt s t he TSP a p pl i c a t i o n u nd e r c o mpl e x ka r s t i c r o c k f o r m a t i o ns t a ki ng t h e Zuc ke r b e r g s e we r t un ne l i n Ge r ma n y a n d a hi ghwa y t u nn e l i n Chi n a a s e x a mpl e s ． Add i t i on a l l y，t h e l i mi t a t i o ns of TSP p r e di c t i on t e c hni qu e f or k a r s t d e t e c t i o n a r e d i s c us s e d，a n d t he b a s i c i de a s t O s o l v e s u c h pr ob l e ms a r e p r e s e nt e d ． Ke y wo r ds TSP t unn e l ；p r e d i c t i o n a h e a d t u nn e l f a c e；k a r t s；a p pl i c a t i on 第一作者简介 肖书安， 男． 1 9 6 2年出生 ， 湖北省武汉市人 ． 德国克劳斯技术大学工学博士。现任瑞 士安伯格测量技术公 司市场 部经 理 ， 兼任安伯格工程咨询公司远东区经理 。E ma i l s x i a o a a mb e r g ． c h 维普资讯 1 6 0 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o p h y s i c s 第 1 卷 1 引 言 目前 ， 国 内外在 隧道 建设 中使用 较 广 泛 的地 质 超前 预报 技 术 主 要 有 两 大类 钻孔 探 测 直 接 法 和地 球 物 理 探 测 法 间接 法 。另 外 ， 还 有 超 前导坑法等其它方法。由于超前导坑法探测费 用 极其 巨大 ， 因此 ， 这 种 方 法 只 有 在 极 个 别 情 况 下 才单 独采 用 。更 多 的情 况 下 是 将 超 前 导 坑 与 工 程 的其 它需 求结 合起来 ， 在 综 合 比较 工 程地 质 勘 探 、 施 工风 险 、 施 工 进 度 要 求 以及 隧 道 施 工 通 风 、 排水 和隧 道 运 营 安 全等 因素 的基 础 上 ， 确 定 是 否采用 超前 导坑 的施工 方案 。 钻孔 探测 是隧道 地质探 测 中最 常用 的方法 ， 但作 为隧 道 施 工 中 的超 前 探 测 手 段 有许 多 不 足 的地方 ， 其 主 要 缺 点 是该 方 法 成 本 高 ， 横 向探 测 范 围小 ， 在 隧道 工作 面实施 水 平超 前 钻探 对 隧道 施 工有较 大 的影 响 。上 述 缺点 大 大 限制 了钻 孑 L 探测在隧道超前地质预报 中的使用。与钻孔探 测法 相 比 ， 地 球 物 理探 测 技 术 具 有 探 测 成 本 低 ， 探测 范 围广 可 达 1 0 0 ～ 1 5 0 m 的优 点 ， 越来 越受 到广 大工 程技术人 员 的欢迎 ， 地 球物 理 探 测技 术 在土 木工 程中 的应 用领 域 越来 越广 泛 。 目前 ， 地 质超前 预报 工作 中使 用 的 地球 物 理 探 测 技 术 主 要包括 地震 反 射 波 法 和 电 磁 波 法 地 质 雷 达 。 地震 反 射 波 探 测 法 中 最 有 代 表 性 的 是 T S P T u n n e l S e i s mi c P r e d i c t i o n 反 射 地 震 超 前 预 报 方法， 该方法是专门针对隧道施工 的特殊要求而 研 制 的 ， 具有 预 报 距 离 长 ， 不 需要 占用 隧道 工 作 面 ， 对隧 道施 工影 响小 的优 点 。地 质 雷达 法 属 于 浅层 探测 技术 ， 在路 基检测 、 公 路 路面 检 测 、 考古 和 隧道衬 砌 结构 检 测 等 方 面 获 得 非 常成 功 的应 用 ， 在隧道超前地质探测方面也有许多探索 。由 于该 方法 预报距 离较 短 最 多 2 0 ～ 3 0 m ， 且 探测 工作 需要 在隧道 工作 面上 进行 ， 危及 探 测 人 员 的 人身 和设 备 的安 全 ， 对 隧 道 施 工 影 响 较 大 。 因 此 ， 该 方法 不宜作 为隧道 施 工 中主要 的超 前地 质 探测手 段 。 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 中超 前 地 质 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 。 T S P是瑞 士安 伯格测 量技 术公 司 于 2 0世 纪 9 0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 1 5 0 m。2 0世 纪 9 0年代 初 ． 瑞 士 的特长铁 路 隧道 2 0 k m 长 的费 尔艾 那隧 道 采 用 T B M T u n n e l B u r e r Me t h o d 施 工技 术 ． 为 了配合 TB M 施 工 ， T S P探 测 技 术首 次 投入 费 尔 艾 那隧道 施工 中 ， 对 保 证 T B M 施 工安 全 起 到 了 积极 的作用 。随后 ， T S P测量 技 术 被世 界 各地 的 隧道 工程界普遍接受 并得 到广 泛 的应 用 。到 目前 为止 ， T S P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 ， T S P技 术 也得 到 中国的工 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。 本文通 过 T S P在 德 国楚 格 山排 污隧 洞 和 中 国某 高速 公 路 隧 道 的应 用 实 例 ， 介 绍 TS P在 复 杂地 质条 件 下 的 应 用 情 况 ， 并 初 步 探 讨 TS P对 于溶 洞等复 杂地 质体探 测 的局 限性 ， 进 而 提 出 了 解决这 些 问题 的基本设 想 。 2 TS P原理与方法 T S P属多波多分量高分辨率地震反射波探 测技 术 。与常 规反射 波探 测 技术 不 同之 处 ， 在 于 该技 术是 专 门 为 长距 离 隧 道 施 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 弹性 波 ， 地震波 在 岩石 中 以球 面波 形 式 传 播 ， 地 震波 遇到 岩石界 面 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 高灵 敏度 的三 分量 加 速度 地 震 检波 器 所 接 收 并 记 录 下 来 ， 图 1为 TS P隧 道地震 探测 原理 图 。 采 集 的地震 数据 ， 利 用 TS P wi n软 件 进行 处 理 。TS P wi n软件中数据处理流程包括 1 1个主 要 步骤 。处 理 结果 可 以提 供 地 震 反 射 层 在 探 测 范围 内 的 2 D或 3 D 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 。 通过分析岩层的反射波传播速度， 可以将反 射信号的传播时间转换为距离 深度 ， 用与隧道 轴 的交角及 隧道 工作 面 的距 离 来 确 定 反 射层 所 对应 的地质 界 面的空 间位 置 和规模 ， 并 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 维普资讯 第 2 期 肖书安等 复杂地质 条件 下的隧道地质超前探测技术 1 6 1 S南 图 1 TS P探 测 原 理 Fi g．1 TSP me a s ur i ng p r i n c i p l e N北 2． 7 5k m 2． 6 2 4 2． 2 TBM _ q第 u a 四 r t纪e r n覆 a r 盖y层 k e 轨 upe T t白r i g 云 on岩 o d u s d 。 l 0 m le 囹 u上p p贼 e r m 石u s炭c h 统e lk a lk 囹 c粘 la土y l层a y e r 图 2 楚格 山排污隧洞 的地质剖面 Fi g． 2 Ge ol og i c a l l o ngi t ud i n a l p r o f i l e o f t he Zu c ke r be r g s e we r t un ne 带、 断层带 、 节理裂隙带 、 含水层等 。 3 德国楚格 山排污隧洞 中的应 用实例 楚 格 山排 污隧 洞 是德 国斯 图 加特 市 污 水 管 道 升级 改造 计 划 的重 要 组 成部 分 。该 隧 洞 用 于 输 送 混 合 水 ， 从 楚 格 山 下 穿 过 ， 隧 洞 长 度 为 2 7 4 7 m， 直径 为 3 ． 4 m， 该 隧洞穿 过的地 层 主要 为 三叠 系灰 岩 ， 灰 岩 产 状 水 平 ， 厚 度 约 8 0 m。前 期 地 质 勘 查 显 示 仅 有 2条 断 层 分 别 在 隧 洞 里 程 TMg 0 0 m 和 T M2 6 8 0 m 处 与 隧 洞 垂 直 相 交 ， 灰 岩地层中没有发现岩溶存在的迹象 ， 仅有少量小 规模 裂 隙构造 图 2 。 由于该隧洞的地质条件较为简单 ， 承包商决 定采用隧道掘进 机施工方案 ， 从北 洞 口向南施 工 。当掘进机 施工 到隧洞 里程 TM2 1 2 0 m 处 时 ， 突然遇到岩溶发育带 和由地质构造引起的破碎 带 ， 导致 掘进 困难 。在 掘进 机 刀盘 转 动 的 同 时 ， 大块 岩石 从隧洞 顶部 冒落 ， 导 致 大量 超 挖 。在 隧 洞 里程 T M2 1 3 4 m 处 ， 承 包商决 定采 取取 芯水平 钻对 隧洞 前方 的地 质进 行 超前 探 测 ， 以期 获 得破 碎带范围等方面的信息。但长达 3 8 m 的超前钻 和随后从地 表向下施工的 2个垂直钻孔都没能 给出有价值的关于破碎带 范围的信息。当掘进 机继续 向前掘进 到隧洞 里程 TM2 1 5 4 m 处 时 ， 其 刀盘被 从 隧洞顶部 冒落的 大块 岩石 彻 底 卡住 ， 无 法转动 。于是 ， 承 包 商决 定 采 用 T S P探 测 ， 以预 瑚 瑚 维普资讯 1 6 2 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Ge o p h y s i c s 第 1卷 报所遇到的岩溶影响带宽度 。图 3显示在工作 面 TM2 1 5 4 m 处 TS P探 测 结果 。因 为原来 施 工 方案 中没有 考 虑 T S P探 测 ， 故 在 掘 进 机 配 套 系 统 中没有 预 留 布 置 TS P探 测 的空 间 ， T S P接 收 器 只好安装 在 隧洞里 程 TM2 0 3 7 m 处 ， 该位 置较 理想 的位 置后 退 了 6 0 m。尽 管 接 收 器 位 置 距 离 隧洞 工作面 1 1 7 m， TS P预报 范 围仍 然超 过 7 0 m。 T S P首 先证实 了 隧洞 里程 T M2 1 3 4 m 为 岩溶 带 的起 点 ， 其终 点 在 里 程 TM2 1 6 5 m 处 。此 外 ， 该 测量 还 预报 里 程 TM2 1 8 8 m 处 有一 个 次级 软 弱 地 质 带 。由于 岩石 中存 在 空 洞 ， 且 强度 较 低 ， 从 而导致 信号 衰减很 快 ， 故 该 次探 测没 能 获得 更 多 的地震 信号供 分析评 估 。 因为 T S P 预报 的 岩溶 带 范 围较 窄 ， 故 承包 商决定缓慢地继续 掘进 ， 通过该 岩溶 带， 放弃原 先 拟采用 的迂 回导 洞方 案 。掘进 机 重新 开 工后 ， 在 隧洞里 程 TM2 1 6 6 m 处通过 岩溶 带 ， 在 隧洞 里 程 T M2 1 9 0 m 处再 次遇 到一软 弱地 层 ， 上 述里 程 与 T S P预报 结果 非 常吻 合 。承 包 商 由于 提 前获 得岩溶 带前 方还存 在另 一个 不 良地 质 带 的信 息 ， 因此提前 做 好 准 备 ， 加 强 支 护 ， 从 而 节 省 数 天 的 掘 进机 可能停 工 的时间 和其 它相关 费用 。 4 中国某 高速公路 隧道 的应用 实例 中国某高速 公路 隧道 位 于喀斯 特 地 貌 区 ， 地 层 主要是 二叠 系灰岩 ， 岩溶 比较 发育 。在 隧道 施 Ch ai na g e ／ TM 2 0 4 0 2 0 6 0 2 0 8 0 21 0 0 21 2 O 21 4 0 2I 6 0 2 1 8 0 2 2 0 0 I 5 20 0 -_ 一J’ ■__ r。 ‘ ‘ ‘ 。。1 1 三 2 60 0 2 7 0 l r一0 ⋯ 凸 2 5 0 6 O 雪 詈 ] ⋯ 4 5 2 O 4 O ． ． 一 。岩 f 石r o c强 k 度s t r持e n 续g t h 降 低 ◆ R o d c e k c s r t e r a e s n e g t h 2 0 t ’ - y Be g “ “ “g 0 f ． Pr e d i c t e d e nd 0f ’ ’ I ⋯⋯ 一 s t发 z o 育 n e 区 -◆ R 0 d c ks ecr 【 r e e a s ng l e h TS P p r og n o s i s J mo s t l i k e l y 电 一 ，o ck S t 。 ⋯⋯ 2 0 D r e a s i n g ～ ， 丫 7『 二， 一 一 f ‘ In cr ea sin g一 ／ ● i ； ； ； i 。 i i i i i ／ 麓 圜 l im e s 。 图 3 TS P在 工 作 面 TM2 1 5 4 m 里 程 处 的探 测结 果 Fi g ．3 TSP p r e di c t i o n r e s u l t a t t he TM 21 5 4m 维普资讯 第 2期 肖书安等 复杂地质条件下 的隧道地质超前探测技术 l 6 3 工过 程 中 ， 由于遇 到 岩溶 地 层 ， 为确 保 隧 道施 工 的质 量和安 全 ， 采用 了 TS P 2 0 3仪器 对 隧 道进 行 超 前地 质 预报工 作 。 在 T S P数 据 采 集 时 ， 部 分 炮 孔 就 遇 到 岩 溶 地 层 ， 激 发 的地 震 波 衰 减 很 快 ， 采 集 的 数 据 质 量 很 一般 。 图 4是 TS P在 岩 溶 段 探 测 的结 果 显 示 ， 其 中包括 深度偏 移 剖 面 上 和提 取 的 反 射 层 中 及 2 D 显 示 下 。TMO O O m 处 为 接 收 器 位 置 ， TM0 6 0 m 处 为 工 作 面位 置 ， 预 报 了 T M0 6 5 1 T I ～ TM0 7 2 m 段和 TM0 8 6 r n T MO 9 7 m 段 为溶 洞 分 布 区域 。在 隧道 施 工 中证 实 了这 两 个溶 洞 的存 在 ， 里程位 置基 本吻 合 。 。 - 甲 ’Q ’ ， ， ， 图 4 中国某高速公 路隧道岩溶段 TS P探测结果 Fi g． 4 TSP pr e d i ct i o n r e s ul t i n t he k a r s t i c s e c t i on of a Chi ne s e hi gh wa y t unn e l 5 TS P在岩溶地 质探测 中应注 意 的问题 当前 中 国有 多 个 即将 和 正 在 兴建 的铁 路 和 公路项 目处于喀斯特溶洞发育地层 中， 其中全长 3 7 8 k m 的宜 昌至万州 铁路 需要 修建 1 l 5座 隧道 ， 总 长达 2 1 0 k m 延 米 ， 多 座 长 隧 道 要 通 过 岩 溶 地 层 ， 岩溶洞穴、 暗河 、 断层等强烈发育 ， 施工 风险 极 大 ， 存在 突 泥 涌水 、 地 面 塌 陷 、 地 下 水 流 失 、 地 表水枯竭等工程 地质灾害和环境 问题。由于岩 溶发 育复杂 多变 、 大小 不定 、 形 态各 异 ， 要 想 在设 计 阶段完全 搞清 隧道所 在 位置 的 工程 地 质 、 水文 地质条件以及不 良地质体的状态特征等是非常 困难 的 。因此 ， 做好 施工 过 程 中的超 前 探 测工 作 极 为关键 。TS P作 为 一项 成 熟 的长 距 离 超 前 预 报技 术 ， 在预 报 软 弱 地 层 的 分 布 、 断 层 及 其 影 响 带 和裂 隙发 育 带 等 方 面 有许 多 成 功 的 案例 。 由 于 TS P方 法 的 限 制 ， 在 进 行 岩 溶 地 质 探 测 时 应 注 意下 面几个 问题 。 5 ． 1 岩 溶探 测的复 杂性 岩溶 预报 的 可靠 性 主 要 取 决 于 以下 两 个 因 素 一 是地 震 波 在 不连 续 界 面 处 的反 射 系 数 ， 主 要 取 决于 界面两侧 的波 阻抗 差 异 ； 二是 反 射 波 同 相轴连 续性 ， 主要取 决 于界 面的几 何形态 。 通 常情 况下 ， 地 震 波在灰 岩 地层 中的 传播 速 度 比较 高 。当遇到 喀斯 特溶 洞 、 落水 洞或 其 它 洞 穴 时 ， 会 有 比较强 的信号 反射 。当溶 洞被 水 或 淤 泥 或岩 屑充填 时 ， 地 震波 在溶 洞处 的反射 系 数 通 常可达 0 ． 5 即 1 0 0 的入射信号中有 5 o 信号 被反射 ， 如果溶洞没有充填物 空气 ， 反射系数 更 高 。由此可 见 ， 溶 洞探测 的主要 困难不 是 地震 波 在溶洞处 有无 反射 信号 的 问题 ， 而 是反 射 信号 能 否被检波 器充 分地接 收 ， 并 在不 同 的记 录道 上 有 明显反 映 。 如果隧 道前 方 遇 到 的不 连 续 体 界 面 呈 平 面 形态 ， 比如断层， 那么 ， TS P预报的结果将是相当 准确可 靠 的 。如果 不 连 续 体 的界 面 形 状 很 不 规 则 ， 即使 界 面两 侧 岩 石 波 阻抗 差 异 很 大 ， 预 报 的 难 度也很 大 。在这 种情况 下 ， 预报 准 确 度 主要 受 测线 剖 面长度 的限制 ， 而 测线 剖 面长 度 又受 隧道 施 工环境 的 限制 ， 激 发点 炮 点 只能 沿 隧道 轴线 方 向布 置 在 开 挖 过 的 长 度 有 限 的 隧道 边 墙 上 。 为 了改 善 TS P在岩 溶地 层 中探 测 不规 则 目标体 一 ～ 。“ 一f 一 一 一 _ ～ _- 一 0 ～ 一 一 盯 Ⅲ ～ 吾 一 。 一 维普资讯 l 6 4 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Ge o p h y s i c s 第 l卷 的可靠 度 ， 可 以增 加激 发点 炮 点 的数 量 和减 小 激发点 的 间距 。当然 ， 这样 一 来 ， T S P探 测 的工 作量也 增 大 了 需要 钻 更 多 的钻 孔 ， 数 据 采 集 和 处理 的时 间也有所 增加 。 5 ． 2 T S P探 测范 围 通 常情 况 下 ， TS P探 测 范 围 在 工 作 面 前 方 1 ] ～ 1 5 0 m。在 坚 硬 岩 石 中 如 完 整 的 灰 岩 地 层 ， TS P可 以探测 到 距 离 很 远 的呈 平 面状 的 反 射界面。但是， 在这个范围内偶然存在的不规则 喀斯特溶 洞却 有 可 能 探 测 不 到 。造 成 上 述 困难 的原 因是喀 斯 特 溶 洞 大小 不 定 、 形 态各 异 、 几何 形 状变 化 大 。采用 TS P进 行溶 洞 探 测 时 ， 通 常 可根据溶 洞 的几 何形 态 和其 与 隧 道 轴线 的 相对 关 系 ， 对 溶洞 的可探 测性分 成 以下三 种类 型 。 5 ． 2 ． 1 可 以准确探 测 类 图 5 1 溶洞 的边 界 有 一 定 的横 向 延 伸性 ， 其 法 线 方 向与隧道 轴线 几乎平 行 ； 2 溶洞界面呈非常明显的单一平面特征， 其法 线方向与隧道轴线以较小的角度相交 0 。 ～4 5 。 。 图 5可以准确探测 的溶洞其形状与隧道轴的关系 Fi g ．5 Goo d d e t e c t a bl e k a r s t s h a pe s VS t u nn e l ax i s 5 ． 2 ． 2 有 可能探 测类 图 6 1 溶洞 的 边界 相 对 与 T S P测 量 布线 来 说 ， 有一定 的横 向延 伸 性 。边 界 面 不 一 定是 完 全 平 滑的表 面 ； 2 溶洞边界有一定 的横 向延伸性， 但其法 线 方 向与隧道 轴线不 完全垂 直 大角度 相交 。 5 ． 2 ． 3 难 以探 测 类 图 7 1 溶洞 的几何形 状 为圆锥 体或 圆柱体 ； 2 溶洞边界尽管为一平 面， 但其横 向延伸 面 与隧道 轴线平 行 法 线方 向垂直 于隧道 轴线 。 5 ． 3改善溶洞 探测精 度 的措施 和建议 TS P探测 技术 在 喀 斯 特 岩 溶地 层 中 的探 测 可 能探 测 的溶 洞 MO d e r a t e l o c a l i s a t i o n 图 6 有可能探测的溶洞其形状与 隧道 的关 系 Fi g．6 Pos s i bl e d e t e c t a bl e k ar s t s h a pe s VS t u nn e l a x i s 难 以探 测 的溶 涮 No l oc al i s a t i on t搿 ‘ 、 ～ 喀 斯 特 溶 j1可 Ka r s t h ole s ／ 。 ， 蕊 f ， ● ， - ， -l l ， ， ； 1 ， ， ； l 图 7 难以探测的溶洞其形状与隧道轴的关系 Fi g ．7 Di f f i c u l t d e t e c t a bl e k ar s t s h a pe s V S t un ne l a xi s 效果 主要 受 溶 洞体 的几 何 形 状 及 其 空 间延 伸 方 向的控制 。如果 溶洞 体 的几何 尺 寸很 小 ， 且 呈 圆 锥状 ， 则很 难探 测到 ； 如果溶 洞 体 的尺 寸 较 大 ， 且 呈 近平面状 ， 则探 测 到 的可 能 性 较 大 ； 如果 呈 平 面状 的溶洞 体 的法 线 方 向与 隧道 轴线 近似 平 行 的话 ， 则溶 洞体可 以非 常准 确 地探 测 。上 述结 论 仅仅是 依据理 论分 析作 出 的 ， T S P在 岩溶 地层 中 的探测 效果 还需要 实 际探测 的检验 ， 最 好 的检 验 办法是首先选择某地质条件和岩溶分布 已知的 隧 道 区段进 行 T S P探 测 。为 了保 证 探 测结 果 的 可靠性 ， 应进 行 多 次 重 复 探 测 次 数 至 少 在 两 次 以上 ， 并 通 过 增 加炮 孔 数量 和调 整 炮 孔 间 距 来 改 善探测 精度 和积 累岩 溶探 测 经验 。此 外 ， 在 岩 溶 地 层 中进 行 T S P探 测 ， 还 应 尽 量 缩 短 两 次 TS P探测的距离间隔， 以提高探测精度。 虽然 TS P具 有技 术 先进 、 功能 强 大 、 预 报距 离 长 、 精确 度 高 等 优 点 ， 但 在 岩 溶地 质 的探 测方 维普资讯 第 2 期 肖书安等 复杂地质条件下的隧道地 质超前探测技术 1 6 5 面有一定的局限性 。 这种局限性可通过调整观测 系统 和改进 其 数 据 处 理 软 件功 能 得 到 部 分 的 弥 补 。但 是 ， 需 要 特 别指 出 的是 ， TS P解 释 成 果 的 准 确性 还与 操 作 人 员 的实 际经 验 和 数 据 采 集 质 量 和数据 分 析 水 平 有 很 大 的关 系 。在 实 际 操 作 过程 中 ， 如果 不 能 正确 地 对 TS P处 理 成 果 进 行 解 释 ， 常常会 降低预 报的 准确性 。 对 于 自然 地 理 和地 质 条 件 异 常 复 杂 的探 测 问题 ， 仅 仅依赖 某一项 技 术手段 来 查 明所 有 的地 质情 况 ， 存 在 一 定 的 盲 目性 ， 比较 可 取 的做 法 是 有针 对性 地采 用综合 配套 的技 术 系列 ， 实 现 不 同 技术 手段 之间 的优 势互 补 ， 取长 补短 ， 相互 印证 。 岩溶 探测 问 题 是地 质勘 查 中难 度 最 大 的 一 类 问题 ， 尤其 需 要 采 用综 合 的探 测 手 段 和 方 法 。 岩溶 探测 的 首要 工作 是 综 合 分 析 岩溶 地 质 条 件 下 的工程地 质 和水文地 质 以及地 形 地 貌特 征 ， 在 此基 础上 ， 采用 物探 和钻 探 相 结 合 、 长 期 预 报 和 短期 预报 相结 合的综 合探 测手段 和方 法 ， 进 一步 细化 和圈定 岩溶 等异常 地 质体 的空 间 展布 形 态 。 T S P是最 为成熟 的长 距离 的探测技 术 ， 可作 为岩 溶 探测 的基 本手段 纳入 隧道施 工工 序 。 6 结 语 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 复杂的岩溶地层中， 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 中的超 前 地 质预 报 工作极 为 重要 。TS P探 测技 术 作 为 一 项 长 距 离 的超前 探 测技 术 已经 在 中 国 的许 多 隧 道 工 程 中得到了应用 ， 为提高隧道施工安全和减少隧道 施工地 质 灾害作 出 了应有 的贡献 。 参考 文献 [ 1 ]赵勇 ，肖书安 ， 刘 志刚．T S P超前 地质 预报 系统在 隧 道工程中的应用．铁道建筑技术 ， 2 0 0 3 5 ． E 2 ]温树林 ， 吴世林．TS P 2 0 3 在 云南元磨 高速公路 隧道 超前地质 预报 中的应用．地球 物理学进 展， 2 0 0 3 ，1 8 3 ． E 3 ]刘志刚， 赵勇．隧 道隧 洞施工地 质技术 ．北 京 中国 铁道出版社 ，2 0 0 1 ． r l Th o ma s Di c k ma n n ， Ra t a Awa s t h i ．Th e Tu n n e l S e i s mi c Pr e d i c t ion M e t h od a nd i t s I mp a c t o n Lo gi s t i c pt i mi s a t i on i n Tunn e l l i ng ． Pr o c e e d i n gs o f t he I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Ro c k En g i n e e r i n g Te c h ni q ue s f o r Si t e Cha r a c t e r i s a t i o n， Ban ga l o r e， I n di a． De c ．19 9 9，6～ 8 ． [ 5 ]X i a o S h u a n ， S a t t e l G．Ad v a n c e s e i s mi c p r e d i c t i o n i n t un ne l c on s t r u c t i on - a ne w TS P s u r v e y i n g s y s t e m i n u s e i n t h e Ve r e i n a Tun ne l ， Swi t z e r l a nd ． Pr e s e nt e d b y I nt e r n at i on al Sy mpo s i um o n Ne w De v e l opme nt i n Ro c k M e c h a n i c s a n d En g i n e e r i n g，S h e ny a n g，P ．R． Ch i na，Oc t】 99 4． 维普资讯