地震波反射法（TSP）在楊家峪隧道超前預報中的應用

王麗仙

摘 要：隧道施工超前地質預報應是以地質分析法為基礎，對預報目的和復雜地段地質情況，應當從技術和經濟層面進行分析比較以便選出符合現場實際情況的方法或是多種方法的合理組合，以實現準確、高效、經濟性的目標。本文結合張唐鐵路楊家峪隧道的現場實際情況，甄選了采用地震波反射法的施工方法來達到超前預報目的施工方法。

關鍵詞：地震波反射法；超前地質預報；隧道

中圖分類號：U456 文獻標識碼：A

0.引言

隧道超前地質預報是指隧道開挖掌子面前方圍巖的地質情況、不良地質體的位置、工程性狀、水文地質狀況等進行信息采集，并加以分析，為隧道支護參數的調整和安全預案的準備提供可靠的依據，確保隧道施工及結構安全、優化設計、實現信息化施工。地震波反射法：通過人工激發的地震波在不均勻地質體中的傳播特性以此來對隧道前方的地質情況進行判別的方法。該法屬多波多分量探測技術，適用于劃分不同地層的界線、查找預期地質構造、探測預報不良的地質體的厚度和范圍。

1.工程概況

楊家峪隧道：位于河北省唐山市境內，地處剝蝕丘陵區，地形起伏較大，丘間溝谷多呈“V”型.隧道范圍內地表基巖裸露，為薊縣系霧迷山組（JXW）白云巖，局部地表覆蓋第四系上更新統坡洪積薄層粗角礫土。粗角礫土，黃褐色、稍濕、中密、顆粒成分由白云巖、石英巖組成，其中充填物由黏性土及砂粒組成。白云巖，強風化～弱風化，隱晶質結構，層狀構造，礦物成分以白云巖為主，節理較發育。隧道內地下水類型為基巖裂隙水，補給主要為大氣降水，洞內賦存少量的基巖裂隙水。

2.預報內容

結合本隧道的工程、水文地質條件以及工程特點，開展的預測預報內容工作如下：

（1）不同巖性接觸帶的位置情況，巖層風化程度、接觸帶巖體破碎程度、地下水發育及賦存情況；

（2）隧道的圍巖級別變化發展趨勢；

（3）巖溶發育程度、分布范圍、形態及隧道的相互關系；

（4）煤系地層瓦斯突出情況。

3.地震波反射法（TSP）預報原理、方法、特點及步驟

3.1 TSP原理、方法

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。在應用地震波時地震波由分布在隧道左右墻邊位置的約24個爆破點進行激發。地震波在穿透非均勻地質體如（巖性變化、斷層、破碎帶等）時一部分的地震波會由于介質密度的變化而產生反射（如圖1所示），余下的地震波將會繼續前進進入到前方介質中。通過對反射回來的地震波信號使用高靈敏度地震檢波器進行接收并記錄。對記錄的地震波數據使用相應的軟件進行處理，從而構建起前方的地層情況，使用地震波技術還能夠對隧道前方的地質體性質（如軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等）和位置進行預報，通過預報可以與前期所勘測的數據進行對比以判斷掌子面前方圍巖級別與設計圍巖級別是否相符，從而實現對于圍巖的進一步分級優化，對于隧道施工所容易產生的（如坍塌、突泥、突水等）的地質災害進行預報。

3.2 儀器

采用TSP 203超前地質預報系統設備。

系統設備等主要組成：

（1）記錄單元

12道，24位A/D轉換，采樣間隔為62.5μs、125μs，最大的記錄長度1808.5ms，記錄帶寬為8000Hz和4000Hz，動態范圍為120dB。

（2）接收器（檢波器）

三分量加速度地震檢波器，頻率范圍0.5Hz～5000Hz，靈敏度1000mV/g±5%，共振頻率9000Hz，橫向靈敏度>1%，操作溫度在0℃～65℃之間。

（3）TSPwin軟件

數據的采集和處理一體化，具備高度的智能性。

3.3 觀測系統設計

掌子面的里程為隧道DK403+090處，沿隧道側壁均勻密布約24個爆炸點，采用一臺高精密接收器接收地震波。TSP探測觀測系統的設計理論和示意圖分別如下表1和圖2所示。某工程爆炸點分布見表2。

3.3.1 觀測系統布置示意圖（如圖2所示）

3.3.2 儀器采集參數

對于采集到的地震波采用X-Y-Z三分量，采樣周期為62.5μs，采樣持續時間451.125ms（7218采樣數）。對于爆炸點需要采用防水乳化炸藥，設置無延遲時的瞬發電雷管，裝藥量大約為100g。

3.3.3 附圖（圖3～圖8）

4.資料數據分析

4.1 數據分析的原則

主要根據以下的原則對處理成果的解釋與評估：

①激發的地震波的振幅越強則反射系數和波阻抗之間的差別也越明顯。

②正的反射振幅（紅色）表明正的反射系數，其表示的是所測巖層的剛性；負的反射振幅（藍色）則代表著剛性較差的巖層。

③若S波反射強于P波，則意味著所測巖層中的含水率較高。

④Vp/Vs有較大的增加或泊松比δ突然增大，則意味著巖層中含有流體土質。

⑤若Vp下降，則表明土層的裂隙密度或孔隙度有所升高。

4.2 資料的處理流程（圖9）

處理流程如圖9所示。

4.3 誤差的分析

在采用地震波測試方法時，地震波并不是指向性的波，其是向四面擴散的，從而導致地震波的離散性較大，在使用地震波處理軟件對收集到的地震波進行處理時其處理的是地震波波速的平均值；對于間距小于1m的反射面軟件在數據處理時將其合并為一個界面，從而導致數據處理時軟、硬巖石互存的薄層，軟件由于分辨精度的影響可能會考慮合并成均質巖石從而導致預報誤差的存在，一般來說這一誤差率多在5%的范圍內。

5.預報成果分析

在對原始數據的軟件處理中，24炮數據參與分析。

通過對二維結果圖（圖8）的分析，主要存在問題的區段如下：（以目前掌子面（DK403+090）巖石情況為參照物），見表3。

6.預報推斷結論及建議

（1）DK403+090～DK403+070（20m）該段圍巖強度與掌子面圍巖強度基本一致，巖體結構破碎呈散狀、節理裂隙發育、弱風化、基巖裂隙水不發育。圍巖級別推斷為Ⅳ級。

（2）DK403+070～DK403+046（24m）該段圍巖強度相比較前方圍巖強度略微降低，巖體破碎，節理裂隙發育，局部有夾土，基巖裂隙水不發育、圍巖級別判斷為Ⅴ級。

（3）DK403+046～DK403+011（35m）該段圍巖強度相比較前方圍巖強度有所提高，巖體較破碎，節理裂隙較發育，基巖裂隙水不發育。圍巖級別判斷為Ⅳ級。

（4）DK403+011～DK402+981（30）該段圍巖強度較前方圍巖強度有所下降，巖體破碎，軟弱互層局部有夾土，節理裂隙發育，裂隙水不發育，圍巖級別判斷為Ⅴ級。

（5）DK402+981～DK402+950（31m）該段圍巖強度相比較前方圍巖強度有所提高，巖體破碎，節理裂隙發育，裂隙水不發育，圍巖級別判斷為Ⅳ～Ⅴ級。

綜合以上所述：根據二維視圖的分析以及工程地質資料判斷，掌子面（DK409+090）前方DK403+090～950段巖體存在頻繁的強度變化，巖體破碎，風化嚴重，軟弱互層，節理裂隙發育，在DK403+070～DK403+046、DK403+011～DK402+981巖體破碎，節理裂隙發育，局部有夾土，基巖裂隙水不發育、施工時注意施工安全防掉塊，坍塌，減少不必要的損失。

結語

為確保高風險隧道施工安全，如塌方、突水等安全事故的發生，采用超前預報避免地質災害發生，保障隧道中不良地質段的安全施工顯得尤為重要。結合張唐鐵路楊家峪隧道工程，綜合掌子面地質編錄資料和TSP超前地質預報系統探測資料，成功地預報了掌子面前方的巖體破碎、圍巖級別和地下水情況。通過預測結論和實際開挖情況相對比，分析了該方法的適應性及其特點，為隧道施工期超前預報中類似工程預報方法的選用具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]李永鴻，徐光黎，楊銀湖，等.地震反射波法技術及其在隧道超前地質預報中的應用研究[J].巖土工程學報，2005，27（10）：1180-1184.

[2]王少光.隧道綜合地質超前預報在某高風險隧道中的應用[J].鐵道勘察，2016，42（6）：42-46.

[3]劉志剛，劉秀峰. TSP（隧道地震勘探）在隧道隧洞超前預報中的應用與發展[J].巖石力學與工程學報，2005，22（8）：1399-1402.

[4]周運祥. TSP203超前預報系統在烏鞘嶺特長隧道不良地質中的應用[J].鐵道建設技術，2004（1）：45-47.

[5]王夢恕.對巖溶地區隧道施工水文地質超前預報的意見[J].鐵道勘察，2004（1）：7-18.