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引言
本文结合广州市轨道交通二十一号线12标段长平站～金坑站区间二号隧道YDK25+520～YDK25+638段运用TSP超前预报实例，就TSP203超前探测系统的应用原理进行了详细的阐述，以及地质雷达检测和水平超前探孔在隧道超前预报中的应用进行了说明。
1.工程概况
广州市轨道交通二十一号线12标段长平站～金坑站区间山岭隧道地处广东省广州市萝岗区长平社区境内，隧道里程为YDK25+070.000～YDK27+609.699，全长2539.699m。区间所经区域为低山丘陵地貌，沿线为剥蚀残丘和山间冲洪积小盆地或小沟谷，地面起伏较大，局部隧道存在偏压。根据设计地质勘察资料，该隧道局部水头压力较大，进出口段围岩类别为Ⅳ级，洞身部分为Ⅲ级，局部Ⅴ级，隧道节理裂隙、溶沟及溶槽较发育。
2.超前地质预报技术
2.1超前地质预报管理模式
成立以项目经理为组长，总工程师为副组长的地质超前预报领导小组，现场设地预测预报办公室，配足超前预报设备及仪器，并严格将长、中、短期综合超前地质预报及地质灾害临近报警纳入工序管理，贯穿于整个开挖工作面，根据“定人、定职责、定标准、定考核办法、定奖罚措施”的原则，制定了切实可行的《综合超前地质预测预报实施细则》，严格实行定期考核及奖罚兑现制度。
2.1.1地质超前预报技术实施方案
超前地质预测预报技术是超前预判、及时决策突发性地质灾害的重要技术支撑，是高风险岩溶长大隧道施工成败的关键。根据《广州市轨道交通工程施工地质超前预报实施细则》及实际施工地质要求，我们采用了以TSP203长距离物探测试为主线，其他多种长、中、短期预报手段综合探测，相互验证，成功规避化解了多处已遇不良地质，为工程正常进展提供了可靠的安全保障。
根据不同地质风险级别划分，地质超前预报主要采用了以下方法：
⑴A+级：可靠发生大、特大型突水突泥及重大物探异常段落。
⑵A级：可能存在较大地质灾害的地段，如可能遭遇大型暗河系统，发育重大软弱、富水、导水性良好的断层;可能诱发环境地质灾害的地段以及高地应力、瓦斯灾害严重的地段。
⑶B级：可能发生中、小型突水突泥、存在较大物探异常、断层带等地段。
2.2 TSP203隧道超前探测系统的应用
2.2.1工作原理
TSP203隧道超前探测系统是瑞士安伯格公司应用地震波反射原理研发的地质探测系统，其工作原理：通过人工制造一系列有规则排列的轻微震源，由三维地震接受器在计算机的监控下采集这些震源所发生地震波沿隧道前方及四周区域传播而遭遇不良地质（如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等）被反射返回的地震波数据。这些波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向是与相应的不良地质的性质和分布状況相关的通过分析可以得到前方地层的地质力学参数。
TSP203是一种专门为隧道超前预报而设计的检测系统而被普遍采用，但在应用中，要充分考虑其边界条件，即：被探测物有足以使地震波反射的界面，而且这个界面的法线与隧道轴线的夹角越小效果越好;探测岩溶时，岩溶应有一定延伸，形成界面，否则探测效果不好;另外探测效果还与溶槽洞穴的发育状态有关;探测的分辨率与探测深度成反比，与探测目的的物的体积成正比，物探称之为洞径比，即探测深度与被探测物的直径之比，一般洞径比大于20时分辨率严重降低。
2.2.2测线布置及钻孔要求
⑴记录进行TSP测量时隧道掌子面所在的位置
⑵确定接受器的位置离掌子面的距离大约为77米，在YDK25+597里程处布置预报接受孔。
⑶测线尽量布置于可能存在地质构造体的一侧，测线布置要考虑炮点炸药爆炸时，不对探测场地的机械设备及线缆产生危害。
⑷确定炮眼的位置，在隧道右边墙的同一水平线上从外向里布置一个传感器和24个炮孔，传感器钻孔距第一个炮孔17m，炮孔间距1.5m，炮孔距地面高度1m，最后一个炮孔距掌子面11。
2.2.3 TSP系统数据采集步骤。
⑴根据岩层产状与隧道轴线的关系，在隧道边墙布置炮点的位置;
⑵对探测孔参数进行复测，然后将接受器套管放入探测孔中，套管与围岩必须耦合良好;
⑶采用乳化炸药，瞬发电雷管制成炸药包;
⑷用木制炮棍将炸药包安放到位，炮孔充水或炮泥填充炮孔;
⑸安装测试套管，将接受器放入测试套管内，放置时对好方向，连接整套测试系统;
⑹依次单个激发震源炮点，进行地震波信号数据采集，在采集过程中记录并设置每一炮的几何参数，如装药量、深度及倾角等。
2.2.4资料分析
1分析原则
在成果解释中，以P波剖面资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释，并遵循以下原则：a，正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层;b，若S波反射较P波强，表明岩层饱含水;c，VP/VS增加或δ突然增大，通常是由于流体的存在而引起;d，若VP下降，则表明裂隙或孔隙度增加。
2资料处理流程
原始数据→软件计算→得到时间、深度剖面→提取参数→地质解释
3.综合探测预报成果
通过对二维结果图分析，隧道掌子面前方预报范围内存在问题的区段如下：
序号 里程 长度（m） 推断结果
1 YDK25+520～+597 77 有多组P波负相位，纵横波速度均降低，纵横波速度比变大，泊松比也变大，推断为岩体破碎夹泥。
2 YDK25+601～+616 15 有多组P波负相位，纵横波速度比变大，泊松比也变大，推断为岩体破碎夹泥。
3 YDK25+622～+638 16 纵横波速度均降低，推断为岩体整体性较差。
4.地质雷达探测
必要时，为进一步验证TSP探测结果，采用了边开挖边中距离的地质雷达探测验证。为了确保地质雷达所采集的数据全面可靠，测线采用两横两竖的布线方式，为了避免掌子面不平顺而造成采集数据偏差，测线应确保在同一条直线上，且采用键盘触发信号方式。
5.水平超前探孔验证
经以上物探成果，为了更进一步探明前方地质及水量、水压情况，为下一步施工及结构安全提供直接依据，在掌子面进行水平探孔，并绘制相应的地质柱状图为施工提供依据。
3.总结
在隧道施工中，有效应用隧道综合超前地质预测预报技术，不但规避化解了地质灾害的发生，而且超前预报及临近报警为前提制定合理施工预案提供了可靠依据，为隧道实现安全、快速、高效施工提供了可靠保障。
综合超前预报技术的各种手段也存在其各自的局限性，各种手段其探测的侧重点也不尽相同，更不能依赖单种预报方法，需要采取多种手段，综合探测、相互验证，相互补充。
综合超前预报技术的应用需要大量工程实践，需在施工中不断积累经验，总结规律。
参考文献：
[1]骆宪龙[1]，刘志刚[2].TSP-202超前地质预报系统在新倮纳隧道施工中的应用[J].国防交通工程与技术，2003，1（4）：54-57.
[2]孙维清[1]，胡新兆[1]，蔡成国[2].地质超前预报在鲁竹坝隧道勘查中的应用[J].西部探矿工程，2008，20（2）：142-145.
[3]阮百尧[1]，邓小康[1]，刘海飞[2，3]，周丽[1]，张力[2].坑道直流电阻率超前聚焦探测新方法研究[J].地球物理学报，2009，52（1）：289-296.
本文结合广州市轨道交通二十一号线12标段长平站～金坑站区间二号隧道YDK25+520～YDK25+638段运用TSP超前预报实例，就TSP203超前探测系统的应用原理进行了详细的阐述，以及地质雷达检测和水平超前探孔在隧道超前预报中的应用进行了说明。
1.工程概况
广州市轨道交通二十一号线12标段长平站～金坑站区间山岭隧道地处广东省广州市萝岗区长平社区境内，隧道里程为YDK25+070.000～YDK27+609.699，全长2539.699m。区间所经区域为低山丘陵地貌，沿线为剥蚀残丘和山间冲洪积小盆地或小沟谷，地面起伏较大，局部隧道存在偏压。根据设计地质勘察资料，该隧道局部水头压力较大，进出口段围岩类别为Ⅳ级，洞身部分为Ⅲ级，局部Ⅴ级，隧道节理裂隙、溶沟及溶槽较发育。
2.超前地质预报技术
2.1超前地质预报管理模式
成立以项目经理为组长，总工程师为副组长的地质超前预报领导小组，现场设地预测预报办公室，配足超前预报设备及仪器，并严格将长、中、短期综合超前地质预报及地质灾害临近报警纳入工序管理，贯穿于整个开挖工作面，根据“定人、定职责、定标准、定考核办法、定奖罚措施”的原则，制定了切实可行的《综合超前地质预测预报实施细则》，严格实行定期考核及奖罚兑现制度。
2.1.1地质超前预报技术实施方案
超前地质预测预报技术是超前预判、及时决策突发性地质灾害的重要技术支撑，是高风险岩溶长大隧道施工成败的关键。根据《广州市轨道交通工程施工地质超前预报实施细则》及实际施工地质要求，我们采用了以TSP203长距离物探测试为主线，其他多种长、中、短期预报手段综合探测，相互验证，成功规避化解了多处已遇不良地质，为工程正常进展提供了可靠的安全保障。
根据不同地质风险级别划分，地质超前预报主要采用了以下方法：
⑴A+级：可靠发生大、特大型突水突泥及重大物探异常段落。
⑵A级：可能存在较大地质灾害的地段，如可能遭遇大型暗河系统，发育重大软弱、富水、导水性良好的断层;可能诱发环境地质灾害的地段以及高地应力、瓦斯灾害严重的地段。
⑶B级：可能发生中、小型突水突泥、存在较大物探异常、断层带等地段。
2.2 TSP203隧道超前探测系统的应用
2.2.1工作原理
TSP203隧道超前探测系统是瑞士安伯格公司应用地震波反射原理研发的地质探测系统，其工作原理：通过人工制造一系列有规则排列的轻微震源，由三维地震接受器在计算机的监控下采集这些震源所发生地震波沿隧道前方及四周区域传播而遭遇不良地质（如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等）被反射返回的地震波数据。这些波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向是与相应的不良地质的性质和分布状況相关的通过分析可以得到前方地层的地质力学参数。
TSP203是一种专门为隧道超前预报而设计的检测系统而被普遍采用，但在应用中，要充分考虑其边界条件，即：被探测物有足以使地震波反射的界面，而且这个界面的法线与隧道轴线的夹角越小效果越好;探测岩溶时，岩溶应有一定延伸，形成界面，否则探测效果不好;另外探测效果还与溶槽洞穴的发育状态有关;探测的分辨率与探测深度成反比，与探测目的的物的体积成正比，物探称之为洞径比，即探测深度与被探测物的直径之比，一般洞径比大于20时分辨率严重降低。
2.2.2测线布置及钻孔要求
⑴记录进行TSP测量时隧道掌子面所在的位置
⑵确定接受器的位置离掌子面的距离大约为77米，在YDK25+597里程处布置预报接受孔。
⑶测线尽量布置于可能存在地质构造体的一侧，测线布置要考虑炮点炸药爆炸时，不对探测场地的机械设备及线缆产生危害。
⑷确定炮眼的位置，在隧道右边墙的同一水平线上从外向里布置一个传感器和24个炮孔，传感器钻孔距第一个炮孔17m，炮孔间距1.5m，炮孔距地面高度1m，最后一个炮孔距掌子面11。
2.2.3 TSP系统数据采集步骤。
⑴根据岩层产状与隧道轴线的关系，在隧道边墙布置炮点的位置;
⑵对探测孔参数进行复测，然后将接受器套管放入探测孔中，套管与围岩必须耦合良好;
⑶采用乳化炸药，瞬发电雷管制成炸药包;
⑷用木制炮棍将炸药包安放到位，炮孔充水或炮泥填充炮孔;
⑸安装测试套管，将接受器放入测试套管内，放置时对好方向，连接整套测试系统;
⑹依次单个激发震源炮点，进行地震波信号数据采集，在采集过程中记录并设置每一炮的几何参数，如装药量、深度及倾角等。
2.2.4资料分析
1分析原则
在成果解释中，以P波剖面资料为主对岩层进行划分，结合横波资料对地质现象进行解释，并遵循以下原则：a，正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层;b，若S波反射较P波强，表明岩层饱含水;c，VP/VS增加或δ突然增大，通常是由于流体的存在而引起;d，若VP下降，则表明裂隙或孔隙度增加。
2资料处理流程
原始数据→软件计算→得到时间、深度剖面→提取参数→地质解释
3.综合探测预报成果
通过对二维结果图分析，隧道掌子面前方预报范围内存在问题的区段如下：
序号 里程 长度（m） 推断结果
1 YDK25+520～+597 77 有多组P波负相位，纵横波速度均降低，纵横波速度比变大，泊松比也变大，推断为岩体破碎夹泥。
2 YDK25+601～+616 15 有多组P波负相位，纵横波速度比变大，泊松比也变大，推断为岩体破碎夹泥。
3 YDK25+622～+638 16 纵横波速度均降低，推断为岩体整体性较差。
4.地质雷达探测
必要时，为进一步验证TSP探测结果，采用了边开挖边中距离的地质雷达探测验证。为了确保地质雷达所采集的数据全面可靠，测线采用两横两竖的布线方式，为了避免掌子面不平顺而造成采集数据偏差，测线应确保在同一条直线上，且采用键盘触发信号方式。
5.水平超前探孔验证
经以上物探成果，为了更进一步探明前方地质及水量、水压情况，为下一步施工及结构安全提供直接依据，在掌子面进行水平探孔，并绘制相应的地质柱状图为施工提供依据。
3.总结
在隧道施工中，有效应用隧道综合超前地质预测预报技术，不但规避化解了地质灾害的发生，而且超前预报及临近报警为前提制定合理施工预案提供了可靠依据，为隧道实现安全、快速、高效施工提供了可靠保障。
综合超前预报技术的各种手段也存在其各自的局限性，各种手段其探测的侧重点也不尽相同，更不能依赖单种预报方法，需要采取多种手段，综合探测、相互验证，相互补充。
综合超前预报技术的应用需要大量工程实践，需在施工中不断积累经验，总结规律。
参考文献：
[1]骆宪龙[1]，刘志刚[2].TSP-202超前地质预报系统在新倮纳隧道施工中的应用[J].国防交通工程与技术，2003，1（4）：54-57.
[2]孙维清[1]，胡新兆[1]，蔡成国[2].地质超前预报在鲁竹坝隧道勘查中的应用[J].西部探矿工程，2008，20（2）：142-145.
[3]阮百尧[1]，邓小康[1]，刘海飞[2，3]，周丽[1]，张力[2].坑道直流电阻率超前聚焦探测新方法研究[J].地球物理学报，2009，52（1）：289-296.