TSP作隧道掌子面前方地质预报几例失误

【揭秘】TSP作隧道掌子面前方地质预报几例失误(原因分析)

摘要： 隧道地质预报是人们关心的技术，但近年来使用TSP-202系统对几个隧道作掌子面前方地质预报出现了大的失误。究其原因是由于：对探测对象的地质特征及地球物理特征认识不清；不了解地球物理资料有多解性；面对复杂的地质对象和地球物理资料的解释，用一种模式编制全自动的地质解释软件；TSP不适合查找如溶洞、溶管等有限大小物体。因此，应遵循经60a以上工作经验总结的正确地应用地球物理技术的规律和方法。

关键词：隧道工程，地质预报，地球物理，TSP

Prat1 前言

TSP 是瑞士Amberg公司于1992~1993年推出的隧道地质预报仪器与技术，与我国铁道部第一勘测设计院比它略早提出的地震反射负视速度法（又称隧道VSP）及稍后日本推出的HSP原理相同，采集方法略异。它们与通过铁道部鉴定，1991年推出的陆地声纳法，并列为铁道部定为推广的主力方法（探底雷达作辅助方法）。2000以后，TSP推出了资料可视化程度高的号称智能仪器的TSP-202，它通过其处理软件直接显示探测成果的高可视化程度吸引了许多人。铁道部第一勘测设计院采用的隧道VSP、日本建设省土木研究所和 トソネル HSP 共同研究会采用的HSP的成功实例也吸引了许多人。近2a来，许多工程局购买了TSP-202仪器。

但是，TSP-202在用于隧道地质预报方面却连续失误，有些失误造成了大的损失，人们对地质预报提出了置疑。因此，本文拟通过对TSP及失误实例的分析，对隧道预报应当遵循的途径提出看法。

Prat2 TSP-202 的3例大失误

2.1 桃花铺隧道
隧道穿过石英片岩夹大理岩地层，岩质坚硬，节理较发育。用TSP-202在400余米段作掌子面前方不良地质预报，预报报告了10余条以前”未发现的断层“和含水带，特别指出了4处不良的地质段，并对某”富水带“提出应做预放水工作。
但开挖后未发现有这些危险段，而原勘探资料（包括地面物探工作结论）是正确的（表1）。

2.2 歌乐山隧道
歌乐山隧道全长4050m,近垂直穿过由观音峡背斜所形成的中梁山脉，最大埋深280m。背斜核部为泥岩、灰岩及白云岩，灰岩地段有岩溶发育，且岩溶水连通性好，地面发布有侵蚀洼地、落水洞等。为此，采用TSP-202地震仪及HY-303红外探测仪等作为掌子面前方不良地质预报，预报结果未发现前方有岩溶及可能出水的断裂。




2002 年3月15日隧道掘进到DK2+619.6时，1个周边眼钻到2m时涌水，水量达14400? /d ，水压1.6MPa,涌水含砂泥量达20%~30%,一段时间后山顶地面水塘流干。该泥水来自岩溶洞穴淤泥带，淤泥带在地表宽度大于10m，到达隧道上方1.2m左右，缩减为1~2m，但仍因与地面连通而造成隧道施工时的涌水涌泥灾害。

2.3 圆梁山隧道
圆梁山隧道为埋深特长隧道，全长11068m，是渝怀线的控制性工程，地质情况复杂，潜在地质危害严重。在毛坝向斜及桐麻领背斜区域内的灰岩中，岩溶发育，局部地段岩溶及构造裂隙相当复杂，并可能有地下暗河。在全隧道6960m石灰岩段都有出现溶洞、溶管的可能。开挖勘测中一直用TSP-202和HY-303红外探测仪监测，未发现在掌子面前方有岩溶危害。


隧道开工1a后，2002年9月中，突然掘到岩溶，出现大涌水，导致伤亡事故。

Prat3 3 例失误的原因分析
TSP 方法是：在隧道掌子面后方边墙远方打1个1.5~2m深钻孔，在其中灌水并放置1个3分量检波器；向掌子面方向，均匀布置钻深约1.5m的钻孔，灌水后放入高能炸药，然后，依次爆破，由检波器接受爆破产生的弹性波。弹性波向检波器一方直接传播由检波器接收，向另一方传播后穿过掌子面向前方，遇到岩体中不同波阻抗而形成反射，反射波先后返回到各检波器被接收，经数据处理、制图，然后，经对图像的判释，得出地质结论。从原理上来讲，这种方法对掌子面前方的反射面是有效的。但正如所有的地球物理方法一样，资料都需要进行地质解释这一道复杂的阶段，而资料解释的能力与水平，直接影响结论的正确与否。

前述3例失误，作者认为原因如下：
（1）不了解被探测对象的地质特征，不了解地球物理资料的多解性。
要对被探测对象作正确的地质解释，必须了解和掌握被探测对象的地质地球物理特性，例如，岩体中出现的大断层、小断层、破碎带、大节理，断层中的张性断层、压性断层、压扭性断层、已被充填胶结的断层破碎带等，都有不同的地球物理特性，有不同的结构。

而TSP-202的资料解释软件编制者对此基本不了解或一知半解，编制出的地质解释软件自然导致错误的结果。作者在用陆地声纳法作隧道地质预报时，首先强调的是各种断裂、岩脉、破碎带、溶洞及岩溶等的形态和结构分析以及它们的地球物理特征。这正是主要差距所在。地球物理学家们认为，掌握被探测物理的地球物理场（图像）的特征（即“正演”问题），是工作的基础，而TSP的研制者并不了解，也缺少对此的研究。
同时，各种地球物理探测技术，所得到的是被探物体所反映的它们的物理场的数据。这些资料是有多解性的，例如：一个反射面，可能是大节理，也可能是小岩脉；含水层与其周围岩相比，波速可能高，也可能低。在我国，地球物理探测专业的大学生在学习时就一直被告知、提醒要注意物理场的多解性。而欧洲大学没有地球物理探测专业，TSP的研制者也缺少这方面的知识，这就导致他们以一个模式概括全部对象，在这些知识不全的情况下编制全智能化的地质解释软件，误导了使用者。

（2）忽视了地区物理探测资料的处理及地质解释的复杂性。因此，对物探资料的处理及地质解释必须十分小心谨慎。
我国的工程地球物理探测从初创至今，已有近50a历史，所做过的工点上万，积累了丰富的经验(其中也不乏失败的教训），开过几百次经验交流会，从业人数几乎占全世界从业人数的1/3，在探测技术、地质资料解释水平等方面居世界之首。多年来总结的1条重要经验就是地质资料解释应慎重，注意资料的多解性。例如，用反射法发现1个反射面，这个面是一个大节理还是一个小断层？它是已被胶结了的，还是2个裂面间粘结性很差的？裂面两边岩体是较完整的，还是破碎的？这些都要经过反复研究。对复杂地质对象，即使是有经验的专家都可能会发生争论，更何况是用地球物理技术作隧道掌子面前方探测，而这是物探探测中难度最大的工作之一。TSP-202研制者，相对来说缺乏这些知识和经验，因此，冒失地编制出可应付各种情况的地质解释软件，自然导致失败。日本人采用HSP和我国采用的速调VSP，与TSP原理相同，但是地质解释上十分慎重。“陆地声纳法”、隧道VSP、HSP都可以得到几百米外的反射，但大家知道预报工作的复杂，也知道距离越远，穿过的断裂面越多，越易出错，精度也就越低。所以，一般都预报百米左右，宁愿多作几次花点时间，也比出一次大错造成大损失好。

地球物理资料的处理，主要是突出有信号，压制干扰，需要有一定的地球物理知识和经验的人员来做。石油地震勘探已有80余年历史，技术也较成熟，石油地震资料的处理，是由专门的处理工程师来做的。企图由地球物理知识不多的人员来作TSP资料处理和地质解释，就孕育着失败的危险。TSP制造商企图做成全智能、傻瓜型的处理和解释软件是十分危险的。

（3）TSP方法探测岩溶、洞穴是其短处。
TSP(HSP 、隧道VSP）方法是由常规地震勘探的基本方法VSP(垂直地震剖面法）变化而来。其特征是一点接收，多点激振（或一点激振，多点接收，它们附合互换原理），因此，对面状的物体反应好，而对有限大小物体（如溶洞、洞穴等）的反映不好。因此，铁道部在对“隧道掌子面前方不良地质预报”课题成果的多次评审和最后鉴定时，明确指出隧道VSP主要探测断层、岩脉、层面：“陆地声纳”主要探测断层、岩脉、岩溶、洞穴等。在南-昆铁路施工过程中配合施工作地质预报时，主要不良地质条件为断层的工程（如康牛隧道、米花岭隧道的预报）交给以铁道部第一设计院为首的隧道VSP组；主要不良地质条件为断层和溶洞、溶蚀的工程，交给“陆地声纳”和雷达组。两组均收到了好的效果，被授予南-昆铁路一等奖。

（4）忽略了地质工作的渐进性。
人对事物的认识需经历实践-认识-再实践-再认识……的反复过程，对复杂的地质情况更是如此。“陆地声呐”、隧道VSP等使用单位，也是隧道勘测的行家，遵循此规律，工作前反复研究既有地质勘测和地面物探资料，工作中注意常规的施工地质工作及施工地质调查资料。在作了第1次预报后，注意近距离地再作第2次，以便2次资料对比，并吸收已开挖段的反馈资料，每次预报，与上次要有一定的重叠，并不断修正已有结果。这样就可尽量不犯或少犯错误，至少不犯大错误。TSP的地质解释软件是一次性给出成果，没有反馈的余地，自然凶多吉少。

（5）目前，用地球物理技术在隧道中探测掌子面前方地下水尚是个待攻克的问题。

TSP-202 号称它能根据分析相邻介质间波速的高低而表现的反射波的特性，分析出地下水的情况，这是对地下水无知的表现。例如，在致密的石灰岩中有一充水的断裂，此断裂的波速必比围岩低，而在破碎的岩体中有一充水层，其波速则比围岩高；再如，断层两旁的糜棱岩中充水和充填粘土物质，其波速差不多，难以区分。我国的地下水地球物理勘测已开展了50a，包括前苏联和我国在内，用地震勘探方法作地下水勘测，均未能突破直接找地下水的技术，国内外石油勘探部门，均组织强大力量攻关，试图区分油、水分界面及含油与非含油地层。目前，用弹性波方法探测地下水，包括隧道地质预报探水，仍是一个待突破的课题。在地面物探中，直接找地下水有多种方法，但直接引用到隧道中仍有许多困难。作者跟踪探讨这个问题已有10a，目前已有大进展，但研制仪器、理论研究、现场试验、模型试验尚需投入资金和精力，作者希望在有一定支持下1a内研究成果能投入使用。

Prat4 隧道地质预报的正确步骤
隧道地质预报是一项复杂、困难的工程。在复杂的地质情况下，即使隧道开挖揭露后，对地质情况也不一定能搞清楚。但是，不求完全搞清，只求能预报重要的不良地质情况，经过努力还是可以达到的。前面作者在分析TSP 3例失误原因是，已经作了隧道地质预报步骤的阐述，这里归纳如下：

（1）用地球物理技术作隧道地质预报，应纳入隧道地质工作中并成为其有机的一部分。
隧道地质包括地质勘测、隧道施工地质两大部分，隧道施工地质包括研究原勘测资料，开挖一部分隧道后校核、校正和更正原地质勘测资料，而掌子面后方的地质测绘、掌子面附近不稳定结构体的判定，这是作掌子面前方地质预报必须掌握的，在作地质预报过程中也要不断温习、校正已有资料，并与隧道地质调查密切结合。

（2）对要预报的对象必须建立清晰的正演图像概念，对图像要有清晰的地质概念。
如前所述，地球物理探测的基本技术是掌握探测对象可能产生的曲线或图像的正演概念。只有掌握正演问题，才能对取得的资料做出判释（或称为“反演”）。同时，搞清每种探测方法的原理和正演问题，可避免受商业宣传的不实之言影响。因此，必须由具有一定地球物理知识和经验的工作人员来主持这项工作。

（3）要牢记每种地球物理方法的探测资料的解释有多解性，多分析资料反映的几种可能性，并逐一排除。
物理探测强调通过多种方法联合使用排除多解性。有时候仅用一种方法，通过细致分析地质规律的情况下，可以得出一个唯一可能的结论。在无法排除多解性的情况下，应当提出不能排除的几种可能性。

（4）在作物理探测资料的地质解释时，要对解释的结果与现有的地质资料验证对比，要与地质概念相核对，不能出现与地质概念相悖的结论，也不能与本地区的地质格局有原则的矛盾。 若发现与有原地质结论和资料不一致的情况（因原地质资料从地面向隧道的研究不可能很深，工作也可能粗糙，出错是可能的）。应更细致地分析物理探测资料，确定解释的可靠性。

（5）要搞清每种探测方法的特长与它目前尚不能解决的问题。
没有万能的地球物理技术，每种物理探测方法都有所能、有所不能。地质解释需要一定扎实的基本知识和一定的实践基础（即经验）。目前，在复杂地质情况下，对一切智能化自动作出最终地质结果的软件，都应抱有疑问。希望不通过工作者的辛勤工作，不通过地质和物理探测知识的掌握，而只靠一种像傻瓜相机一样的仪器，到现场一测，在显示屏上就能显示出前方的复杂地质情况，这是不可能的。

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