TSP超前地質預報技術在隧道探測中的應用

李永輝，浦少云，尚本峰

(1.貴州大學 國土資源部喀斯特環境與地質災害防治重點實驗室，貴陽 550025；2.貴州大學 土木工程學院,貴陽 550025)

在隧道建設過程中，由于地質條件復雜，突發事故頻發，給隧道施工帶來很多困難。采用科學的、先進的隧道超前地質預報方法，有效準確地預測預報隧道開挖工作面前方巖體及其狀態，提前預測預報出施工階段可能遇到的不良或者特殊的地質問題，為前方施工提供相應建議，已經成為當前隧道建設中有待解決的關鍵技術之一[1]。當前，常見的長距離超前預報技術主要有：以地震波反射為理論基礎的 TSP、TPT 法，以電法為理論基礎的高密度電法，以地質雷達法以及紅外探水法為代表的短距離方法[2]。

TSP超前地質預報技術自20世紀90年代引入我國以來，得到廣泛的應用。如孫廣忠主持的軍都山隧道超前地質預報[3]，李天斌主持預報的鷓鴣山公路隧道[4]等均取得較好的預報效果。本文通過對TSP系統對隧道地質探測的實例分析，驗證TSP超前預報系統在隧道施工探測中的實用性和準確性，為隧道安全施工提供保證。

1 TSP地質預報原理及設備系統組成

1.1 基本原理和方法

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法[5]。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。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收(圖1)。數據通過TSP-win軟件處理，便可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)和位置及規模。

圖1 TSP工作原理圖Fig.1 TSP working principle diagram

采集的TSP數據，通過TSP-win軟件進行處理。TSP-win軟件處理流程包括11個主要步驟，即：數據設置→帶通濾波→初值拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q估計→反射波提取→P-S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層[6]。通過速度分析，可以將反射信號的傳播時間轉換為距離(深度)。處理結果可以用與隧道軸的交角及隧道工作面的距離來確定反射層所對應的地質界面的空間位置，并根據反射波的組合特征及其動力學特征解釋地質體的性質。

通過TSPwin軟件處理，可以獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層、巖石物理力學參數、各反射層能量大小等成果，以及反射層在探測范圍內的2D或3D空間分布[7]。

1.2 設備系統組成

采用TSP 203超前地質預報系統。系統主要組成：

1) 記錄單元：12道，24位A/D轉換，采樣間隔62.5和125 μs，最大記錄長度為1 808.5 ms，動態范圍120 dB。

2) 接收器(檢波器)：三分量加速度地震檢波器，靈敏度為1 000 mV/g±5%，頻率范圍為0.5～5 000 Hz，共振頻率9 000 Hz，橫向靈敏度>1%，操作溫度0℃～65℃。

3) TSP-win軟件：數據采集和處理集于一體。

2 工程實例

2.1 工程地質條件

區域構造線方向與地層總體走向一致，均為北北東向，地層傾向北西，傾角平緩，一般5°～15°。隧道區構造主要受印支運動、燕山運動的影響，形成近東西向的背向斜、斷層和北北東向的斷層和褶曲構造。

由于隧道施工區域的地質復雜性,查明隧道掌子面前方巖層的裂隙、巖溶、斷層等不良地質因素,對隧道進行超前地質預報則顯得尤為必要。本次探測接收器位置在DK246+747.5，掌子面位置為DK246+800.4，設計為24炮，2個接收器接收。通過試驗，確定單孔采用藥量為100～200 g乳化炸藥。數據采集時采用X-Y-Z三分量接收，采樣間隔62.5 μs，記錄長度451.125 ms(7218采樣數)。實際激發22炮，數據采集記錄均合格，可用于數據處理和解釋。

2.2 測線布置

2.2.1 接收器孔

位置：在隧道邊墻(面對掌子面)，距離掌子面51.0 m。

數量：1個，隧道右邊墻。

直徑：φ50 mm/孔深：2.0 m

布置：沿軸徑向，用錨固劑固結，向上傾斜5°～10°左右。

高度：離地面1.4 m。

2.2.2 炮 孔

位置：在隧道的右邊墻。第一個炮孔離接收器16.0 m。

數量：24個

直徑：38 mm/孔深：1.5 m

布置：沿軸徑向，向下傾斜10°～20°左右(激發時水封填炮孔)。

高度：離地面約1.4 m。

2.3 測試結果及其分析

TSP探測系統對原始數據采用的處理流程為:原始數據合并，建立觀測系統，地震波初至拾取，炮能量平衡，擴散補償，頻率濾波，自動增益控制，波場分離，PS 波分離，速度掃描，偏移成像[8]。處理的最終成果包括 P 波、SH 波、SV 波的時間剖面、深度偏移剖面、提取的反射層(圖2)、巖石物理力學參數、各反射層能量大小等，以及反射層在探測范圍內的 2D(圖3)和 3D 空間分布。

對處理成果的分析，根據以下原則進行：

1) 反射振幅越高，反射系數和波阻抗的差別越大。

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。

3) 若S波反射比P波強，則表明巖層飽含水。

4)Vp/Vs較大的增加或泊松比δ突然增大，常常因流體的存在而引起。

5) 若Vp下降，則表明裂隙密度或孔隙度增加。

初步分析結果見表1。

圖2 提取的反射層圖Fig.2 Reflection layer map

圖3 巖石屬性圖Fig.3 rock property map

序號里 程長度/m探測結果推斷1DK246+800.4～DK246+848.047.6該段波速和密度等巖體力學指標基本無變化,推測圍巖與掌子面基本一致,節理裂隙較發育,巖體較破碎,其中DK246+817.0～+835段波速與密度略有降低,推測圍巖完整性有所變差,強度有所降低,地下水不發育2DK246+848.0～DK246+904.056.0該段反射面較多,波速與密度整體有所降低,推測節理裂隙發育,為裂隙密集帶,巖體較破碎～破碎;DK246+862～+872段泊松比變化較大,推測發育裂隙水3DK246+904.0～DK246+924.020.0該段波速、密度整體上升,推測該段圍巖節理裂隙較發育,巖體較完整～較破碎,泊松比變化幅度較小,推測地下水不發育4DK246+924～DK246+950.426.4該段波速、密度整體下降,推測該段圍巖節理裂隙發育,巖體較破碎～破碎,巖體強度降低,DK246+924附近泊松比變化較大,推測發育裂隙水

2.4 結論與建議

在探測段DK246+800.4～DK246+950.4段范圍內，掌子面已開挖揭示圍巖為：石灰巖，弱風化，節理裂隙較發育，巖體較破碎，地下水不發育。通過探測，推測DK246+800.4～DK246+848.5段判斷圍巖級別為Ⅳ級。DK246+848.5～DK246+904段判斷圍巖級別為Ⅳ～Ⅴ級。DK246+904～DK246+924段判斷圍巖級別為Ⅲ～Ⅳ級。DK246+924～DK246+950.4段判斷圍巖級別為Ⅳ級。

施工方案建議：開挖工程中密切關注圍巖及地下水情況，每開挖循環應施做加深炮孔探測，結合超前地質預報資料，進一步確定前方圍巖及地下水發育情況，確保施工安全。

3 結 語

利用TSP技術在依托隧道工程進行地質超前預測，對安全施工是非常有指導意義的。通過實際開挖情況對比證明TSP超前地質預報技術是比較準確的。TSP技術能較好地對地質情況做定性的判斷。從現場施作情況來看，TSP超前地質預報技術具有對施工干擾小，現場要求低，探測距離遠，精度高等優點。但目前的TSP探測技術是一門正在發展中的預測方法，它受技術人員的技術水平及現場施作環境影響較大，仍需要在實踐中不斷改進、提高，以有效地為現場施工及安全提供可靠的依據和保證。