TSP技術在隧道超前地質預報中的應用

詹龍飛

(中鐵隧道勘測設計院有限公司,天津 300133)

TSP超前地質預報系統是瑞士Amberg工程技術公司最新研制并擁有專利的隧道地質超前預報探測系統。該系統從數據采集、處理和成果評估高度智能化,相對于其他地質超前預報手段具有適用范圍廣、預報距離長、對施工干擾小、提交資料及時、預報費用更經濟等優點。目前,TSP探測技術在我國的隧道建設中被廣泛引進和使用,但在探測過程中數據采集的質量及對數據分析處理成果的判釋往往成為影響預報精確度的關鍵,有必要對TSP超前預報現場數據采集時存在的一些問題以及對成果進行地質判釋的準則作進一步的探討。

1 TSP超前地質預報系統工作原理

TSP超前地質預報系統是利用地震波在不均勻地質體中產生的反射波特性來預報隧道掘進面前方及周圍臨近區域的地質狀況,屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在設計的震源點(設計為24個炮點,通常布置在隧道的左或右邊墻)由少量炸藥激發產生,當地震波遇到巖石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性變化等)時,一部分地震信號反射回來,一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號被高靈敏度的地震檢波器接收,數據通過TSPwin軟件處理,通過地質解譯,就可以了解隧道工作面前方不良地質體的性質(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)、發育位置及規模。

2 現場數據采集時影響數據質量的情況

2.1 爆破孔未采用水封或水封效果不好

現場數據采集時對爆破孔采用水封能大幅度提高有效地震波的振幅,同時能夠大大提升信噪比,有效減小聲波、面波、多次波等干擾波的影響。較低的信噪比會給后續數據的處理帶來諸多不利因素,導致結果的錯誤；同時，振幅太低地震波探測距離非常有限。

圖1為爆破孔水封效果不好與較好情況下的原始記錄對比。

圖1 爆破孔水封效果對比

圖2為現場數據采集的24炮中前9炮未采用水封、后15炮采用水封的X、Y分量地震波信號對比。

圖2 水封及未水封信號對比

2.2 接收器套管耦合不好

一個地震波原始數據好壞的判別依據就是地震波的振幅包絡線呈指數衰減趨勢,波形無變異情況,初至直達波明顯(見圖3(a))；而接收器套管未耦合好所接收到的數據,大部分為聲波、面波的干擾波(見圖3(b))。

圖3 耦合情況對比

2.3 爆破炸藥用量過大

在探測過程中,炸藥用量過大,會導致檢波器震動超幅,波形出現嚴重變異(如圖4),此時應減少藥量。

圖4 藥量過大時的波形

2.4 未采用瞬發電雷管

使用瞬發電雷管才能準確地記錄直達波的到達時間,這樣探測到各炮孔的直達波到達時間會呈線性增加趨勢。在探測過程中如果雷管不合格有延時的話,會導致直達波時間出現變異,此種情況下采集的數據為不合格數據。

3 數據分析處理成果的判釋準則

(1)反射波振幅越高,反射系數和波阻抗的差別越大,說明圍巖在此處的變化越大。

這是一個相對的概念。譬如在完整巖體與破碎巖體、硬質巖石與土狀巖體、干燥圍巖與飽水圍巖等的交界處,圍巖情況差異性較大,反映在此處的反射波振幅也就越高；波阻抗相差不大的地層、巖性分界處,反射波振幅往往較低；如果不同巖體的波阻抗相等,雖然地質情況發生了變化,但地震波并不會反射,也就探測不到此變化界面。

(2)正反射振幅(紅色)表明正的反射系數,也就是剛性巖層；負反射振幅(藍色)指向軟弱巖層。

圖5為TSP探測結果二維圖的一部分,+771處有一條藍色反射界面(負反射振幅),判定此處有一軟弱夾層；在其前后有多條紅色反射界面(正反射振幅),判定巖質較硬。實際開挖情況：探測段巖性為石英砂巖,其中在+769～+754(對應+771藍色反射界面)段為千枚巖,巖體相對較軟弱。

圖5 TSP探測二維圖局部

需要注意的是,有時正(負)反射振幅僅能代表反射界面這一點的地質情況,并不能代表此反射界面到下一反射界面的地質情況。

(3)若橫波S反射比縱波P強,則表明巖層飽含地下水。比較任何反射振幅必須小心,因為反射振幅易受隨機噪音和數據處理的影響。

圖6 幾種反射界面

(4)Vp/Vs有較大的增加或泊松比突然增大,常常是因有流體的存在而引起的。

通常情況下,Vp/Vs和泊松比的變化趨勢是一致的。Vp/Vs較大的增加或泊松比突然增大,常常是因流體的存在而引起的。由于Vs在流體中不傳播,所以當Vs下降時,通常是由于地下水存在的原因,與之相對應,Vp/Vs和泊松比增大。

(5)若Vp下降,則表明裂隙密度或孔隙度增加。

Vp與巖體完整程度的關系：

巖體裂隙密度增加,也就代表巖體破碎,Vp就相應下降；相反裂隙密度減小,巖體完整時,Vp就上升。如圖7所示，在+253～+214段,有多組反射界面存在,節理裂隙發育,巖體破碎,Vp下降；在+214～+185段有極少反射界面存在,巖體完整,Vp上升。由此可以得知：巖體越完整,Vp越高。

圖7 Vp與巖體完整程度關系

Vp與孔隙度的關系：

在同等條件下,當孔隙度增加時,巖體密度下降；當孔隙度降低時,巖體密度上升。從圖8陰影部分可以很清晰地看到：探測段巖性沒有任何的變化,當巖體密度上升時(孔隙度降低),Vp隨之上升；當巖體密度下降時(孔隙度增加),Vp隨之下降。由此可以得知：相同巖石孔隙度越低,密度越高,Vp也越高；孔隙度越高,密度越低,Vp也越低。

圖8 Vp與孔隙度關系

(6)楊氏模量下降,表明巖體變軟弱。

圖9中+750～+790段楊氏模量下降明顯,說明巖體抗形變能力變弱,巖體軟弱,同時Vp、Vs在此段也下降,綜合判定此段為一軟弱破碎帶。實際揭露此段圍巖處于一斷層破碎帶內,巖體呈泥夾碎石狀。

圖9 楊氏模量下降

4 結束語

從大量的工程實踐來看,采用TSP系統進行超前地質預報,為了保證現場采集的數據質量,接收器套管的耦合、炮孔內的水封、瞬發電雷管的使用及炸藥量的選擇是過程當中必需做好的環節,否則,采集到的數據會直接影響到預報的精度；在對數據處理分析成果的地質解譯方面,本文中提出了一些成果對應地質情況的判釋準則,但在實際預報過程中,由于地質情況的千變萬化,并不是就這些準則能解決所有的判釋問題,需要我們進行更進一步的研究和探討,確保把物探成果解譯成準確的地質語言,更很好地指導隧道安全施工。

[1]姚 姚.地震波場與地震勘探[M].北京：地質出版社,2006

[2]詹正彬,姚 姚.多波及橫波地震勘探[M].北京：地質出版社,1994