1  工程概况

腾冲至陇川高速公路是云南省高速公路S47腾冲至瑞丽高速公路的重要组成部分，是建设“沿边特区、开放前沿、美丽德宏”的需要，是德宏芒市-瑞丽-陇川-盈江-梁河-芒市高等公路环线中的一段，是连接保山至腾冲高速与瑞丽至陇川高速公路的快速通道。

XX隧道为分离式隧道，隧道右幅进口里程K0+150，出口里程为K5+015，隧道长4865m，埋深415.4m；隧道左幅进口里程为ZK0+135，出口里程为ZK5+100，隧道长4965m，埋深420.3m。右幅进出口设计高程1227.232m～1319.222m，轴线方位约111^o；左幅进出口设计高程1227.232～1318.873m，轴线方位约111^o。

2018年12月10日，我公司对XX隧道进口左幅运用TSP 305Plus法进行三维超前预报，本次预报起讫里程段为ZK1+154～ZK1+274，预报距离为120m，并提交成果报告。

2  检测目的

通过三维超前地质预报,预测工作面前方工程地质、水文地质情况,为隧道动态设计与施工提供可靠有效的地质资料,以进一步修正、完善设计,优化原设计方案。通过超前地质预报、预测，预报可能引发隧道地质灾害的不良地质体的位置、规模和性质,并据此提出相应的技术措施与可行性建议,降低地质灾害发生的几率,确保隧道工程施工人员和设备的安全,进而提高经济效益。

3  探测依据

（1） 《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）；

（2） 《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）；

（3） 《公路隧道施工技术规范》（JTG F60-2009）；

（4） 《公路工程物探规程》（JTG/T C22-2009）；

（5） 《工程岩体分级标准》（GB 50218-2014）；

（6） 《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011)；

（7） 《公路隧道施工技术细则》(JTG/T F60-2009)；

（8）  云南腾陇高速公路XX隧道设计资料、合同文件。

4  工程地质概况

ZK1+154掌子面岩体为灰色片麻岩，弱风化，为较坚硬岩，岩体呈中厚层状构造，节理裂隙较发育，结构面间结合力一般，岩体较破碎，含基岩裂隙水，呈点滴状出水，围岩自稳能力较差。掌子面地质素描见图1，掌子面围岩照片见图2。

图1  ZK1+154掌子面素描图 

图2  ZK1+154掌子面照片

5  TSP 305Plus法设备仪器及工作原理简介

5.1 设备仪器（TSP 305Plus）

TSP 305Plus仪器主要由三分量检波器、记录单元及起爆装置组成。三分量检波器用来接收地震波信号；记录单元将接收到的地震波信号进行放大、模数转换和数据记录，同时还进行测量过程控制；起爆装置则用于引爆电雷管和人工激发地震波。见表1。

表1  主要仪器设备一览表

5.2 TSP 305Plus工作原理

TSP（Tunnel Seismic Prediction ahead）305 Plus法，即隧道前方地震预报或超前地质预报，它的基本原理如下：

如图3所示，在隧道掌子面附近边墙一定范围内布置激发孔，通过在孔中人工激发地震波，所产生的地震波以球面波的形式在隧道围岩中传播，当围岩波阻抗发生变化时（例如遇岩溶、断层或岩层的分界面），一部分地震波将会被反射回来，另一部分地震波将会继续向前传播。反射的地震波由高精度的接收器所接收并传递到主机形成地震波记录见图4。

图3  TSP 305Plus法工作原理示意图 

图4  TSP 305Plus法波形记录

对TSP 305Plus仪器采集的数据利用TSP 305plus处理软件进行处理，可以获得隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的时间剖面、深度偏移剖面、岩石的反射层位、物理力学参数、各反射层能量大小等中间成果资料，同时还可得到反射层的二维和三维空间分布，根据上述资料预报隧道掌子面前方的地质情况，如溶洞、软弱岩层、断层、裂隙及富水情况等不良地质体。

5.3 资料处理与解释

（1）资料处理

将现场采集的资料传输至计算机，利用TSP 305plus处理软件对其进行处理，TSP 305plus软件主要由数据库、处理、计算反射界面三部分组成。

1）数据库

编辑现场采集的数据和定义观测系统。

2）处理

对原始数据进行放大、能量均衡、滤波等流程的处理。

3）计算反射界面

在波形处理后，从地震波形记录中拾取纵波至和横波至，根据爆破点与检波器的距离可分别计算各段围岩的纵波速度v_p和横波速度v_s。

v_p和v_s值的大小综合反映了围岩的物理力学性质，根据v_p和v_s值可直接计算动力学参数，即计算动弹性模量E_Z、动剪切模量G_Z和泊松比μ_Z，计算式如下：

E_Z=ρv_s²（3v_p²-4v_s²）/（v_p²-v_s²）  G_Z=ρv_s² μ_Z=（v_p²-2v_s²）/2（v_p²-v_s²）其中，ρ为围岩的密度。

根据绕射重叠法原理（与常规地震反射资料处理中偏移流程的原理类似）计算反射界面与隧道的相对位置，即与隧道轴线的交角或至掌子面的距离。

（2）资料解释

根据TSP法的原理和工作经验，把距离隧道轴线近、能量大的反射波组判释为围岩异常区，并综合频谱分析资料、地震波速、反射波相位、泊松比和杨氏模量等参数对围岩异常区的类别进行划分。

6  工作布置

在隧道ZK1+100的右边墙位置布置一个地震波信息接收孔，孔径约50mm，孔深1.9m。在隧道右边墙位置，按约1.5m的间距布置24个激发孔，激发地震波，激发孔孔深约1.5m，孔径约45mm，孔向下倾斜约10º，每个激发孔装填的药量为100g，图5为TSP 305Plus系统模拟隧道3D模型。

图5 TSP 305Plus系统模拟隧道3D模型

7  检测成果

7.1 TSP 305Plus法反射层位、物理力学参数成果图、速度分析及深度偏移图

图6   TSP 305Plus法反射层位及物理力学参数成果图 

图7 TSP 305Plus反射层3D模型 

图8 TSP 305Plus系统速度分析3D及2D图 

图9 TSP 305Plus系统深度偏移3D及2D图

7.2 围岩参数

通过数据分析得出围岩的物理力学参数成果，如下图所示。

图10 围岩的物理力学参数 

图11 围岩的物理力学参数

7.3 设计与预报围岩分级对照

表2为围岩分级对照表，综合TSP 305Plus法探测和地质调查结果，对隧道里程为ZK1+154～ZK1+274段，分段进行解释，并与设计资料相对比。

8  结论及建议

本次预报时掌子面里程为：ZK1+154，预报里程范围为ZK1+154～ZK1+274段(即预报隧道掌子面前方120m)。

（1）ZK1+154～ZK1+193段：长约39m，围岩为片麻岩，弱风化，为较坚硬岩，中厚层状构造，节理、裂隙较发育，结构面间结合力一般，岩体较破碎；地下水较发育，预测开挖后呈点滴状～淋雨状出水，围岩自稳能力较差。提请本段施工时须及时施作初期支护，尽早成环，以保证隧道围岩和支护结构的整体稳定，并做好防排水措施。围岩级别推测为Ⅳ级。

（2）ZK1+193～ZK1+230段：长约37m，围岩为片麻岩，弱风化，为较坚硬岩，岩体呈块石、碎石状结构，层间结合力较差，岩体较破碎～破碎；地下水较发育～发育，预测开挖后呈淋雨状～小股状出水，围岩自稳能力较差。其中ZK1+210～ZK1+230段，反射波速相对较低，存在多处反射界面，为物探异常区段，推测该段岩体破碎，地下水发育，呈小股状，围岩自稳能力差。提请本段施工时须及时施作初期支护，尽早成环，以保证隧道围岩和支护结构的整体稳定，并做好防排水措施。围岩级别推测为Ⅳ级。

（3）ZK1+230～ZK1+274段：长约44m，围岩为片麻岩，弱风化，为较坚硬岩，中厚层状构造，节理、裂隙较发育，结构面间结合力一般，岩体较破碎；地下水较发育，预测开挖后呈点滴状～淋雨状出水，围岩自稳能力较差。提请本段施工时须及时施作初期支护，尽早成环，以保证隧道围岩和支护结构的整体稳定，并做好防排水措施。围岩级别推测为Ⅳ级。

施工建议：

（1）建议采取与隧道围岩级别一致的开挖方式，严格执行设计文件和现行相关标准、规范、规程的相关规定，短进尺、弱爆破、早封闭，确保施工安全，同时做好洞内防排水工作。

（2）其中ZK1+210～ZK1+230物探异常区段，该段岩体破碎，地下水发育，呈小股状，围岩自稳能力差。建议临近异常区段加强地质跟踪及现场地质资料的收集，重点关注构造痕迹、风化程度及地下水的变化，及时反馈分析。