TSP技術對隧道隱伏斷層預報效果研究
——以滬昆客運專線鐵路隧道為例

馬振華

(中鐵第一勘察設計院集團試驗檢測中心，陜西西安 710043)

1 TSP研究現狀

TSP為20世紀90年代中期由鐵路系統最早引入我國的一種專門應用于隧道和地下工程超前地質預報的地震勘探儀器。我國先后從瑞士Amberg測量公司引進了TSP202、TSP203和TSP203 plus等型號的產品,分別應用于鐵路、公路、水電站、煤礦等領域,通過近年來的工程實踐,得到了較好的預報效果。

經過多年實踐經驗的總結,普遍認為TSP能預測出軟弱層，斷層破碎帶，巖溶等不良地質體的性質、位置和規模。TSP預報原理和計算模型是基于異常結構面為一平面,在預報過程中消減了隧道洞壁面波和正前方反射信號的干擾,主要利用隧道周圍反射信號來計算隧道前方異常結構面的位置[5]。因此,TSP對于前方截面遠大于隧道工作面如斷層一類地質體的探測結果比較可靠,而對溶腔、暗河等不良地質體,只能判定其位置,而不能判定其規模,更不能判定溶腔的充填物特性[7],對小溶洞及順層溶洞還會出現漏判的情況[8]。 基于這種事實,以滬昆客運專線隧道超前地質預報為例,進行隧道隱伏斷層預報效果的研究就具有一定的理論價值。

2 TSP超前地質預報技術

2.1 TSP超前地質預報原理

圖1 TSP工作原理示意

TSP超前地質預報技術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地質狀況的一種方法,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(通常在隧道的左或右邊墻,大約24個炮點)用小炮激發產生(見圖1),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繼續傳播。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收并被轉化為電子信號,該信號被數據記錄器記錄下來,再通過TSPwin軟件處理,就可以了解隧道工作面前方不良地質體(軟弱帶、破碎帶、斷層等)的性質、位置及規模。

當巖層界面兩側介質波阻抗有差異,即ρ1ν1≠ρ2ν2時,即可產生反射波,這是反射波法研究地質構造的物質基礎。地震波由震源點出發向外傳播,直接到達接收點的波叫直達波,直達波由炮點沿最快的有效途徑傳播到接受器。測得直達波的行進時間(T1),即可求出彈性波的速度(VP),其數學表達式為

其中,X1為現場測得的激發孔與接收孔之間的距離/m。

已知地震波的傳播速度，就可以通過測得的反射波傳播時間推導出地質構造體的位置(如圖2),其與接收器之間的距離由下式給出

式中X3——接收點與地質構造體之間的距離/m；

Vp——通過直達波計算得到的彈性波速度/(m/s)；

T3——反射波傳播時間/ms。

圖2 地質構造體位置計算示意

2.2 工作方法

TSP超前地質預報工作方法主要包括野外數據采集和室內資料處理與解譯兩部分。

(1)野外數據采集

野外數據采集一般包括以下幾個重要步驟：①采集前的準備工作;②激發孔與接收孔的實地測量;③隧道軸線參考點位置的確定；④乳化炸藥和接收器的安裝；⑤開始試驗。

數據采集前首先應對現場進行布置，通過地質分析確定出測線位置，布置激發孔和接收孔，并準備好瞬發電雷管和乳化炸藥。其中激發孔及接收孔布置參數、方位可參考表1和圖3進行。

受現場條件的限制，可能布置的激發孔和接收均與要求有較大出入，所以要對激發孔和接收孔的深度、傾角、高度等參數進行測量，并做好記錄，以便于后續的數據校正。測量完畢后，將乳化炸藥(取100～200 g，根據實際情況可增加和減小藥量)慢慢送入激發孔底部，將接收器套管緩緩送入接收孔并用環氧樹脂固定，然后把接收器送入套管，接收電纜線。安裝完成后啟動記錄單元，進行噪聲檢測和引爆試驗。

圖3 TSP接受孔、激發孔現場布置示意

表1TSP激發孔及接收孔現場布置參數

類型激發孔接收孔數量24個(不應少于18個)2個(可選擇1個)直徑20～45mm43～45mm深度1.5m(0.8～2.0m)2m傾角向下傾斜10°～20°向上傾斜5°～10°間距第1個激發孔距接收孔約20m,其余均為1.5m距第一個激發孔約20m,最小不能低于15m與工作面距離末炮與工作面的距離一般2～4m距工作面距離約55m

進行試驗時應注意：到達現場前應對儀器進行檢查以保證設備能正常工作；確定計算模型參考點位置時，為了簡化計算，通常情況將參考點與接收器的位置選在一起；為了保證激發能量不至于損失太大，需要用清水將激發孔封堵。

(2)數據處理

將采集到的數據經過校正后,利用TSPwin軟件按以下步驟進行處理：初至波拾取→選擇視窗長度→帶通濾波→道能量均衡→Q因子計算→反射波提取→P-S波分離→速度分析→深度偏移→反射界面提取。

通過縱波初至波拾取,可得到縱波直達波速度(如圖4),再通過經驗系數1.73或手調的方式，可得到較好的X、Y、Z方向上的橫波初至。

圖4 TSP縱波初至波拾取

Q因子是地層對彈性波吸收特性的一種表達方式,其定義為：在一個周期內,振動所消耗的能量ΔE與總能量E之比的倒數,用公式表示為

一般認為，TSP系統中對Q值的求取采用的是頻率譜比法,齊甦[6]認為地震波振幅的自然對數為頻率的線性函數,其斜率為

δt為地震波在地層中的雙程旅行時,求出斜率m,即可求出Q。

深度偏移是指在時間偏移過程中同時考慮波的繞射和折射且偏移輸出剖面為深度剖面的一種偏移方法。Kirchhoff疊前深度偏移和波動方程深度偏移是目前主要應用的偏移成像方法,而這兩類方法都是基于以下的全程波動方程,其數學表達式為

實際應用中也可使用單程波動方程,即將全程波動方程中的二階偏導數降為一階

Kirchhoff疊前深度偏移建立在全程波動方程積分解基礎之上,是目前生產上主要的應用方法,它有以下優點：①處理地震勘探資料的歸位問題時不受地層傾角的影響；②具有對高頻成分的補償作用；③有較好的保振幅特征。因此，Kirchhoff疊前深度偏移是較適合超前地質預報的偏移方法[6]。

3 工程實例

3.1 某隧道斜井隱伏斷層的預報

(1)工程地質概況

研究區位于某隧道斜井,斜井設計長355 m,最大埋深62 m,穿越緩坡山體,自然坡度10°～40°,局部陡峻,兩端為較狹窄槽谷。斜井穿越元古界板溪群清水江組凝灰質板巖夾變余砂巖、變余凝灰巖。凝灰質板巖為中細粒結構,板狀構造。進口受隱伏斷層影響,巖層產狀較為紊亂,總體為N75°～85°E/20°～26°N,發育兩組優勢節理N36°～55°E/90°,N35°～45°W/65°～90°N。

(2)典型探測結果與隱伏斷層的預報

本次預報段里程為XDK0+169～069,通過對測試資料的分析和圖像的解譯,典型探測結果主要集中在XDK0+117～XDK0+093段。該段長度24 m,物理力學參數顯示：縱波速度2 960～2 740 m/s,橫波速度1 710～1 660 m/s；泊松比為0.29～0.33,動態楊氏模量為29～31 GPa。圍巖波速值較其他段明顯降低,泊松比值較高,物探圖譜出現明顯異常(表2、圖4中-117～-93段),預報具有較強破碎帶的特征,應特別注意施工安全,并加強支護。

表2 預報段XDK0+169～069圍巖參數統計

(3)開挖驗證

通過TSP超前預報,施工單位在隧道掘進里程XDK0+118處開始加強支護,采用短進尺掘進的方法,小心施工。當隧道掘進至里程XDK0+097處,隧道拱頂出現坍塌,斷層泥夾碎石涌入隧道,由于安全措施采取及時,未造成人員傷亡及重大經濟損失。

3.2 某隧道隱伏斷層帶的預報

(1)工程概況

研究區位于滬昆客運專線鐵路某隧道,隧道最大埋深50 m。地面高程745～800 m,相對高差約50 m,自然坡度30°～40°,局部陡峻。隧道經過區為震旦系下統南沱組頁巖,灰褐色,中厚層狀,強—弱風化,節理較發育,屬Ⅳ級軟石。隧道發育格東斷裂支斷裂,為正斷層,斷層走向為N30～35°W,傾向SW,與線路交于DKX42+990附近,交角65°～70°。該斷層上盤為寒武系中統高臺組白云巖,巖層產狀為S-N/40°W,下盤為震旦系下統南沱組頁巖,巖層產狀為N50°W/75°S。斷層兩盤巖層受斷層影響較嚴重,節理、裂隙發育,巖體破碎。

(2)探測結果分析

本次預報段里程為DKX43+049～DKX42+970,預報長度79 m。按設計文件,隧道軸線與格東斷裂支斷裂交與DKX42+990附近。經過TSP預報,結果顯示在DKX43+049～DKX42+998段,長度51 m內,縱橫波速度下降明顯,泊松比值較高(0.30～0.33),動態楊氏模量較低(31～35 GPa),物性參數有明顯波動；提取的反射界面或繞射面異常集中(如圖5),因此判斷從里程DKX43+049始已處于斷層破碎帶內。

圖5 某斷層破碎帶TSP反射界面提取

根據后期工作面地質編錄,該段可見斷層角礫巖,呈碎裂結構。角礫粒徑3～10 cm,灰綠色,尖棱角狀,少量成透鏡狀、橢圓狀。泥鈣質膠結,膠結物呈紅褐色,巖體較破碎,圍巖穩定性差,巖層產狀不可辨識。根據地質編錄并結合TSP探測結果確定該段確實已處于斷層破碎帶內。

(3)后期開挖情況

通過隧道后期開挖驗證,TSP預報結果跟實際情況吻合較好,基本預報出了該隧道格東斷裂支斷裂帶的具體位置。后期開挖工作面情況為：節理發育,巖體破碎,圍巖穩定性變差,洞身及工作面出現嚴重的掉塊、坍塌等圍巖失穩的現象。

4 結論

(1)TSP技術對于前方截面遠大于隧道工作面的一類地質體如斷層破碎帶的預報結果比較可靠,其對隱伏斷層的預報是一種極為有效的手段,滬昆客運專線隧道的工程實例也證明了這一點。

(2)在TSP超前地質預報中,由于物探成果的多解性及解譯水平的差異,應將TSP技術與地質調查法相結合,利用工作面地質素描、斷層參數推算、地質體透射法[4]等方法開展綜合超前地質預報,以提高預報精度。

(3)為了提高計算模型和圖像解譯的精度,進行試驗前應盡量按照試驗要求進行現場布置,并做好現場量測、觀察及記錄,為室內數據處理及模型的校正做好準備,在資料解譯時應進行反復多次的分析,進行比較,選用比較合理的處理數據。

(4)TSP數據處理及圖像解譯受分析人員物探及地質知識、對儀器熟練程度、工作經驗等的綜合影響較大,因此在超前地質預報中要不斷積累經驗,各種方法相互參照，才能使預報結果更加接近事實,從而指導施工。

(5)進行超前地質預報能有效的避免隧道前方塌方、突泥、突水等地質災害對施工帶來的危害,因此建議施工單位應加強重視,合理安排施工工藝,并積極配合超前地質預報人員進行檢測預報。

(6)以TSP計算模型為出發點，多次選擇邊界條件能更好的反應隧道實際地質情況，加強數學推導進行基礎方面的研究，在理論上對TSP預報隱伏斷層給予支持是今后研究的一個方向。

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