TSP在隧洞含水破碎帶超前 短預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

張紅綱，李俊杰，朱紅雷，何建設(shè)，趙國(guó)軍

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江杭州310002)

0 引 言

隧洞短距離預(yù)報(bào)多采用地質(zhì)雷達(dá)法[1- 4]，其精度與探測(cè)效率最高，對(duì)溶洞的探測(cè)效果較好，有效探測(cè)距離在不同性質(zhì)與類別的巖體中差異較大，完整性較好的Ⅰ、Ⅱ類圍巖多達(dá)30 m，含水量大的破碎巖體因電磁波在水中的高衰減特性，探測(cè)距離有時(shí)不足15 m。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)天線需貼牢掌子面，掌子面平整度較差時(shí)，電磁波在空氣與掌子面間多次振蕩，傳入巖體中的有效能量大大減小，雷達(dá)剖面易出現(xiàn)由淺至深的低頻振蕩信號(hào)。此外，為實(shí)現(xiàn)3D立體成像，雷達(dá)測(cè)線往往呈“井”字形或網(wǎng)格形布設(shè)，在類似“瀑布”的掌子面探測(cè)時(shí)，雷達(dá)天線與儀器接口處極易進(jìn)水。

隧道地震波預(yù)報(bào)(TSP)作為另一種常用的隧洞長(zhǎng)距離(100～200 m)預(yù)報(bào)技術(shù)，其數(shù)據(jù)采集與處理均較復(fù)雜，但此方法抗干擾能力強(qiáng)，能提供多種物理力學(xué)參數(shù)評(píng)估巖體質(zhì)量，在斷層[5- 6]、基巖裂隙水[7]、溶洞探測(cè)[8-9]、巖爆預(yù)測(cè)[10]、巖體質(zhì)量等級(jí)分類[11]等方面均有成功案例。本文分析了影響TSP探測(cè)精度的因素，總結(jié)了提高TSP探測(cè)效率的經(jīng)驗(yàn)，并將其用于隧洞短距離預(yù)報(bào)，在鋼襯支護(hù)的邊墻上布置炮孔與檢波器接收孔，炮孔中注滿水壓制聲波，取得了良好的探測(cè)效果。

1 工程概況

杭州市第二水源千島湖配水工程從千島湖淳安縣境內(nèi)取水，通過(guò)輸水隧洞將水引至杭州市余杭區(qū)閑林水庫(kù)，途中向建德、桐廬及富陽(yáng)等縣市供水。千島湖～閑林水庫(kù)輸水線路總長(zhǎng)約112 km，設(shè)計(jì)流量38.8 m3/s，為浙江省重點(diǎn)大(1)型水利工程。貝山寺支洞位于富陽(yáng)市新登鎮(zhèn)，總長(zhǎng)約956 m，隧洞進(jìn)口覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化帶巖體較厚，支洞前1/3段圍巖多為Ⅳ類，局部為Ⅴ類，工程地質(zhì)條件較差。支洞在樁號(hào)0+700揭露含水破碎帶，掌子面上鉆孔不斷有股狀水涌出，掘進(jìn)至0+698時(shí)，掌子面及左右邊墻仍涌水不止。為及時(shí)了解掌子面前方地質(zhì)情況，為隧洞爆破及支護(hù)方案提供依據(jù)，確保施工安全，在樁號(hào)0+698開(kāi)展超前預(yù)報(bào)工作。

炮孔布置洞段巖性為奧陶系上統(tǒng)文昌組泥質(zhì)粉砂巖，節(jié)理較發(fā)育，以中～陡傾角為主，多方解石充填或鐵錳質(zhì)渲染，節(jié)理面多與層面相交，洞頂局部滴水～線狀流水，掌子面附近“瀑布”狀涌水(圖1)。

圖1 掌子面涌水

2 TSP探測(cè)

2.1 探測(cè)設(shè)計(jì)

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法，地震波在設(shè)計(jì)的震源點(diǎn)用小量炸藥激發(fā)，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面時(shí)(如斷層、破碎帶和巖性變化等)，一部分地震信號(hào)反射回來(lái)被高靈敏度的地震檢波器接收，一部分透射進(jìn)入前方介質(zhì)，數(shù)據(jù)通過(guò)TSPwin軟件處理，便可了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)、位置及規(guī)模。TSP探測(cè)設(shè)計(jì)炮孔24個(gè)，檢波器2個(gè)。炮孔位于隧道右邊墻，φ32～38，深1.5 m，垂直隧道軸向，下傾10°～20°，離隧底高1.3 m，第1個(gè)炮點(diǎn)距掌子面1.5 m，炮間距1.5 m。接收孔隧道左右邊墻各1個(gè)，φ42～45，深2 m，垂直隧道軸向，上傾5°～10°，離隧底高1.3 m，距離掌子面>56 m。觀測(cè)系統(tǒng)見(jiàn)圖2，設(shè)置采樣頻率24 kHz，記錄長(zhǎng)度500 ms，炸藥量每孔100 g。

圖2 TSP觀測(cè)系統(tǒng)(單位：m)

2.2 數(shù)據(jù)能譜及濾波效果

圖3為貝山寺隧洞檢波器接收的地震波原始頻譜。從圖3可知，1號(hào)檢波器頻譜集中在25～1 000 Hz，2號(hào)檢波器在25～1 500 Hz，主頻偏低，表明炮孔布設(shè)區(qū)段隧洞巖體較破碎，對(duì)地震波高頻成分吸收明顯。

圖3 檢波器原始頻譜

圖4為地震波X、Y、Z分量的能量譜，色標(biāo)的深淺對(duì)應(yīng)地震波能量的大小，低頻濾波曲線左側(cè)隨時(shí)間增大地震波能量逐漸減小，高頻信號(hào)衰減較低頻快，為有效信號(hào)；曲線右側(cè)隨時(shí)間增大，地震波能量局部反而增大，為聲波干擾；與炮孔同側(cè)2號(hào)檢波器聲波干擾較對(duì)面1號(hào)檢波器小。圖中指數(shù)曲線為一濾波函數(shù)，曲線兩端可手動(dòng)調(diào)節(jié)高截頻率，其變化范圍為333～5 400 Hz，曲線右側(cè)的地震波能量將被濾除。本文中最小、最大高截頻率分別設(shè)為333 Hz及5 400 Hz，可最大程度去除聲波干擾。

降低聲波干擾是TSP數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵，此次探測(cè)因炮孔內(nèi)灌水效果好，爆破聲為水中擊發(fā)的悶聲，數(shù)據(jù)質(zhì)量高，經(jīng)時(shí)變高截處理后，濾波曲線右側(cè)聲波干擾已經(jīng)被完全清除。時(shí)變高截處理后TSP數(shù)據(jù)能譜見(jiàn)圖5。

若炮孔內(nèi)未灌水或灌水質(zhì)量差，爆破產(chǎn)生的強(qiáng)聲波干擾因部分頻段位于有效波頻帶內(nèi)，經(jīng)時(shí)變高截處理后仍有殘留。此外，時(shí)變高截最小截頻為333 Hz，故低頻聲波干擾較高頻難去除。圖6為不同圍巖類別下強(qiáng)聲波干擾數(shù)據(jù)能譜。從圖6可知，Ⅳ類圍巖干擾頻率集中于150～1 100 Hz；Ⅱ類圍巖干擾波頻率較高，主頻帶約1 700～4 000 Hz。圖7為經(jīng)時(shí)變高截處理后數(shù)據(jù)能譜。從圖7可知，濾波曲線附近強(qiáng)聲波干擾無(wú)法完全清除，殘留聲波能譜呈水

圖6 不同圍巖類別強(qiáng)聲波干擾數(shù)據(jù)能譜

圖7 不同圍巖類別經(jīng)時(shí)變高截處理后能譜

平拉絲狀，且聲波主頻帶越低，拉絲現(xiàn)象越明顯。

2.3 數(shù)據(jù)處理與解釋

貝山寺隧洞TSP探測(cè)成果見(jiàn)圖8。從圖8可知，掌子面前方127 m范圍內(nèi)(樁號(hào)0+698～0+571)，圍巖縱波速度Vp為3 728～4 747 m/s，橫波速度VS為2 254～2 739 m/s，泊松比為0.15～0.32，密度為2.32～2.57 g/cm3，靜態(tài)楊氏模量為14～31 GPa，動(dòng)態(tài)楊氏模量為29～47 GPa，剪切模量為12～19 GPa。各物理力學(xué)指標(biāo)較差，巖體總體較破碎。主要異常區(qū)域分析及地質(zhì)推斷見(jiàn)表1。

值得強(qiáng)調(diào)的是，TSP波速值為地震波的視速度，大于巖體的真實(shí)波速，視速度偏低的區(qū)域巖體質(zhì)量較差。隧洞實(shí)際開(kāi)挖證實(shí)，樁號(hào)0+698～0+659區(qū)段圍巖為Ⅳ類，其中0+698～0+692洞段涌水，樁號(hào)0+692～0+680洞段大部滲水，樁號(hào)0+675左側(cè)側(cè)墻下部涌水(見(jiàn)圖9)；樁號(hào)0+659～0+571區(qū)段圍巖為Ⅲ2類，隧道掘進(jìn)局部存在線狀滲水。與預(yù)報(bào)結(jié)果基本吻合。

除物理力學(xué)參數(shù)成果外，圖10所示的深度偏移剖面也是反映掌子面前方地質(zhì)情況的重要參考，圖中Z與Y分別代表隧洞垂向及橫向平距，其以地震波在介質(zhì)界面上的反射系數(shù)為評(píng)判指標(biāo)，顏色越深代表反射能量越強(qiáng)，正反射振幅表示剛性巖層，負(fù)反射振幅表示軟弱巖層。樁號(hào)0+698～0+675洞段

圖8 TSP物理力學(xué)參數(shù)成果

樁號(hào)長(zhǎng)度/m異常分析與地質(zhì)推斷0+698～0+68415 縱橫波波速、密度、各力學(xué)模量值小,泊松比局部較高,表明巖體破碎、力學(xué)性質(zhì)差,多含裂隙水0+678～0+666、0+635～0+62720 橫波波速偏低,泊松比偏高,局部力學(xué)模量指標(biāo)偏小,巖體較破碎或節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體中裂隙水含量相對(duì)較高0+660～0+6528 縱波波速偏低,巖體較破碎或節(jié)理裂隙發(fā)育

圖9 樁號(hào)0+675左側(cè)邊墻下部涌水

正負(fù)反射高頻率交替出現(xiàn)，且反射振幅強(qiáng)，表明此區(qū)段巖體較破碎且含水。

圖10 TSP縱波深度偏移剖面

3 結(jié) 語(yǔ)

TSP適用于隧道含水破碎帶探測(cè)，當(dāng)炮孔內(nèi)未注水或注水效果較差時(shí)，TSP探測(cè)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈聲波干擾，聲波頻率與炮孔布設(shè)洞段巖體質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量較差巖體中采集數(shù)據(jù)易產(chǎn)生低頻聲波，較高質(zhì)量巖體更應(yīng)注重灌水效果。

含水破碎帶在TSP成果中表現(xiàn)為波速、密度及各力學(xué)模量偏低，局部泊松比偏高，在縱波偏移剖面上表現(xiàn)為強(qiáng)反射振幅高頻率交替出現(xiàn)。本次TSP探測(cè)與實(shí)際開(kāi)挖基本一致，在小于5 m的含水破碎區(qū)預(yù)報(bào)效果尤佳，可為掌子面大量涌水時(shí)的超前短預(yù)報(bào)提供新的思路。