TSP探測精度分析及其在過江隧洞超前預報中的應用

李俊杰，張紅綱，何建設，榮 鑫，李劍強，郭佳豪

TSP探測精度分析及其在過江隧洞超前預報中的應用

李俊杰，張紅綱，何建設，榮 鑫，李劍強，郭佳豪

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

針對TSP預報工作耗時長、經驗依賴性強等問題，以提高TSP探測精度與效率為目標，分析了影響TSP數據采集與處理精度的關鍵因素，總結了提高TSP探測效率的經驗。結合千島湖配水工程某過江隧洞段地質超前預報工程，在TSP探測分辨率下降的區域開展TSP跟蹤預報或地質雷達探測工作，對物探異常區輔以鉆探驗證。結果表明：巖體完整性差地段的TSP縱波波速、密度及各力學模量值偏低，TSP對破碎帶探測較敏感，對基巖裂隙水識別能力相對較弱，縱、橫波波速均偏低的區域巖體富水的概率更大；巖體破碎含水區段雷達電磁異常特征表現為反射波振幅強，同相軸錯斷，主頻偏低。綜合預報成果發揮了各種預報方法優勢互補的作用，為隧洞支護及超前注漿方案的優化提供了重要參考。

TSP；地質雷達；超前鉆探；過江隧洞；綜合預報

常用隧洞超前預報技術主要有TSP[1](Tunnel Seismic Prediction)、TGP[2](Tunnel Geological Prediction)、TST[3](Tunnel Seismic Tomography)、TRT[4](Tunnel Reflection Tomography)等彈性波法，和GPR[5-6](Ground Penetrating Radar)、TEM[7-8](Transient Electromagnetic Method)等電磁法兩類。彈性波法有效探測距離多大于100 m，對斷層破碎帶反映較靈敏，抗干擾能力強，但工作效率偏低，它們在激發方式、觀測系統布置或數據處理流程上存在一定差異，其中TSP數據處理與解釋技術相對更成熟，在基巖裂隙水[9-10]、斷層破碎帶[1,11]、大型溶洞探測[12-13]、巖爆預測[14]及巖體質量等級分類[15]等方面均取得了一定的效果；電磁法探測效率較高，但易受到鄰近障礙物(如水泵、臺車、挖掘機、鏟車)或交流電纜線的干擾，其中TEM對含水體較敏感，其探測距離多小于80 m[16]，而GPR可準確圈定完整性差的圍巖(如節理裂隙發育、巖體破碎)分布區域，且對空洞的探測效果好，是隧洞短距離預報(小于30 m)的主流方法。

千島湖配水工程通過輸水隧洞將優質湖水引至杭州閑林水庫，途中兼顧建德、桐廬及富陽等縣市的供水。輸水線路總長約112 km，設計流量38.8 m3/s，為浙江省重點大型水利工程。分水江江底隧洞位于桐廬縣橫村鎮附近，前期地質鉆探資料表明：過江隧洞段處于侏羅系亞構造層南側邊緣附近，輸水隧洞要穿越分水江河床部位近200 m長度范圍內的上覆巖體其厚度薄、斷裂構造發育、巖石破碎，左岸坡及坡腳受斷層影響，地下水補給豐富，隧洞存在開挖洞段大面積滲水、突泥及因滲水造成掌子面坍塌的安全隱患。開展隧洞超前預報工作，可提前了解掌子面前方不良地質情況，為隧洞安全施工提供保障。

本文以千島湖配水工程沿線不同地質條件TSP預報經驗為依托，討論了提高TSP預報精度與探測效率的方法，統計了不同質量級別下熔結凝灰巖的TSP常見速度區間。將研究成果用于分水江江底隧洞段的TSP數據采集與分析，剖析了江底斷層破碎帶對應的TSP異常特征，并制定相應的超前鉆探方案，研究成果可為隧洞工程TSP高效精細化探測提供參考。

1 TSP方法

TSP屬于縱、橫波三分量地震反射技術，在設計于洞壁的炮孔內用少量炸藥(如100 g)激發地震波，地震波遭遇巖體波阻抗差異界面時(如斷層、節理密集帶、破碎帶)將發生反射，部分反射信息被高靈敏度檢波器接收，將采集數據用TSPwin軟件處理，便可分析掌子面前方地質體的規模與性質。TSP的4個接收器需要在隧洞兩側對稱布設，R2、R4接收器距S24號炮孔分別為15 m與20 m(圖1)，其鉆孔直徑大于50 mm，呈10°向上傾斜，孔深2 m；爆破時為便于灌水，減小聲波干擾，炮孔宜向下20°傾斜，孔深與孔間距均為1.5 m，28個鉆孔盡量保持在同一平面，約高出隧洞底部1.0~1.5 m。TSP直接成果為巖體視波速值及其變化特征，密度、泊松比及各種力學模量均由視波速換算而來。縱波波速、密度及楊氏模量值越低對應巖體完整性越差，橫波速度低、泊松比高的巖體多含水。

圖1 TSP303觀測系統

2 影響TSP探測精度因素

高信噪比數據與適宜的計算參數為TSP預報質量的基礎，依據千島湖配水工程預報經驗，從數據采集與處理兩方面討論影響TSP探測精度的因素。

2.1 數據采集影響因素

a.觀測系統布設偏離標準。如炮孔呈水平狀或接收孔下傾，孔深過淺或過深，孔間距或孔高差異較大。水平或角度微上傾的炮孔無法灌水，炸藥在空氣中激發將產生強烈聲波干擾；接收孔下傾易導致孔內積水積泥，降低錨固劑與檢波器的耦合效果；孔深不足(如炮孔深度小于1.0 m或接收孔深度小于1.5 m)易導致掌子面附近反射波缺失。此外，由于套管長度固定為2.13 m，接收孔深度超標多采用錨固劑填堵，檢波器前方易存在較大間隙，降低耦合效果；炮孔與接收孔不在同一高度，TSP計算將產生近似誤差。

b.炮孔布設洞段含避車洞或空腔，易導致反射波缺失，若空腔超過一定規模，對炮孔一側檢波器TSPwin軟件將無法計算偏移距。

c.掌子面向后56 m范圍內圍巖類別顯著變化或存在巖性分界(如Ⅱ類灰巖過渡為Ⅳ類泥質粉砂巖)，此時炮孔不應只布設于單一巖性上。因掌子面前方巖體波速以炮孔布置洞段的初至波波速為參考，巖體質量好壞對應的縱波波速與參考值差異一般小于1 000 m/s，間接導致TSP成果各參數顯著偏高或偏低，不利于異常區巖體完整性的定量分析。

筆者統計了千島湖配水工程不同質量級別巖性對應的TSP指標常見區間(表1)。近掌子面23 m范圍為鋼拱架支護的Ⅲ2或Ⅳ類泥質粉砂巖，為造孔便利，鉆孔實際置于素噴混凝土的灰巖段。S1號炮孔距掌子面約25 m，實際開挖證實200 m預報范圍內90%為完整性或穩定性差的Ⅳ–Ⅲ2類圍巖。如表1所示，TSP波速與各力學模量值顯著偏高，遠超Ⅳ–Ⅲ2類泥質粉砂巖，甚至優于Ⅲ1–Ⅱ類灰巖。

表1 千島湖配水工程不同圍巖類別相關巖性對應的TSP指標

d.隧洞巖體破碎區段易超挖，由于施工成本、進度等原因，超挖部分有時未回填而直接立鋼拱架噴混凝土，裝藥時炸藥易掉入鋼拱架與巖體間的空隙，可采用細鋼筋插入乳化炸藥旁送入炮孔底部。此外，因孔壁粗糙，裝藥不宜用力過猛以致將炸藥捅散，有效爆破能量將顯著降低，同時產生強烈聲波干擾。

e.初至波延時出錯。常見于采用延時電雷管或斷路導線未固定于雷管前端，爆破過程產生的電火花可能先將斷路導線炸斷，造成延時出錯。

f.合理分配炸藥量。炮孔布設位置巖體條件若不同，炸藥量應相應調整，以免信號過載。對硬質巖50~100 g炸藥即可獲得較好的激發效果，軟巖中藥量宜適當增加(如75~150 g)。因乳化炸藥一支固定為200 g，為兼顧爆破效率，可將24個炮孔分為3組，近掌子面組藥量設為2/3支，近接收器組為1/3支，其余炮孔半支。

2.2 數據處理影響因素

TSPwin處理參數多采用默認值，其中帶通濾波、初至波拾取、反射波提取等需手動調節參數，對預報成果有重要影響。

帶通濾波應保證截取的頻帶有足夠的信噪比，完整性好的硬質巖(如Ⅱ類熔結凝灰巖)中TSP數據主頻偏高，頻帶較寬；相反，完整性差的軟質沉積巖(如Ⅳ類泥巖、泥質粉砂巖)高頻截點不宜超過2 000 Hz[18-19]，低頻截點一般在默認值50 Hz及TSPwin軟件計算值中取極小值，若數據存在頻率小于333 Hz的低頻強聲波干擾，宜采用軟件計算值。

初至波拾取可獲得直達波波速，處理時截距應盡量歸零且要保留足夠多的地震反射數據，每次爆破激發檢波器將接收至一個單道反射波形(建議保留道數大于實際激發總數的1/3)。此外，兩檢波器拾取的直達波波速應相近，對觀測系統布設嚴重超標的TSP數據截距偏大且難以調零。

反射波提取要求輸入最大增益(振幅增益限制)及值(巖石的質量因子)，此步驟旨在恢復地震波在巖體傳播過程中損失的部分高頻信號，以達到提高探測分辨率的目的，較高的振幅增益限制(如最大增益為20 dB)可在提升有效信號的同時避免背景噪聲的放大。

TSP數據處理參數的設置原則在于兼顧波形的平滑度與分辨率(反射層數量的識別)，圖2為最大增益與值組合值為(20，20)時的反射波提取結果，類似標注1、2、3形態的反射層能清晰識別，對采集質量差的數據TSPwin提供的默認值多無法采用，經驗表明兩參數在15~25范圍取值預報效果較好。

圖2 最大增益與值均取20時的反射波提取結果

Fig.2 The result of reflected wave extraction when Max.gain and-factor are both twenty

3 提高TSP探測效率方法

TSP在鐵路系統應用廣泛，但水利工程隧洞施工單位對TSP預報必要性認識不足，實施過程常見觀測系統布設隨意、鉆孔規格不達標、爆破不順利等問題。以千島湖引水工程預報經驗為依據，總結出提高TSP探測效率的建議。

a.排查TSP工作開展的不利因素(如隧洞大角度向上、向下或轉彎掘進，觀測系統布置洞段存在大型避車洞等)。TSP預報方向為炮孔連線的延伸，非直線水平開挖時應根據洞軸線修正炮孔與接收孔的位置及深度；空腔易造成TSP反射信號缺失，炮孔應避免布設于避車洞一側。若隧洞積水積泥嚴重，拱頂或邊墻大量涌滲水，可提前準備防水油布，必要時搭建簡易平臺擺放儀器。

b. TSP前期造孔規范化。鉆孔位置確定后用紅漆標記，近掌子面炮孔與兩側接收孔邊注明孔徑、傾斜方向及角度，標記位置若存在鋼拱架，孔位可向四周微調，跨度小于0.1 m，完工后檢查孔深是否達標，有無堵孔現象，并沖洗兩側接收孔，對于巖體完整性差的隧洞宜盡快開展TSP工作，避免掌子面爆破過程將孔內碎石振落二次堵孔。

c. TSP實施過程優化。建議配置爆破員3名，TSP操作員及民工各2名，進洞前檢查起爆裝置(起爆針、起爆器電池、起爆線)的有效性，洞內TSP操作員分工協作，前者負責炮孔規格復測及與爆破人員銜接，后者進行檢波器安置及儀器的連接，當孔深嚴重超標(炮孔深小于1.0 m或接收孔孔徑小于1.5 m)時應補打或疏通。爆破過程由2人負責接線與孔內灌水，起爆器置于TSP主機附近。此外，隧洞底板多含碎石墊層，爆破過程來回接線易使炮線表皮磨損，隧洞積水時炮線將處于短路狀態，儀器無法接收數據，故炮線盡量沿邊墻布設或掛于邊墻上。接線完畢后可先預觸發(將觸發線一端與觸發單元斷開)，檢驗儀器有無異常。

4 工程實例

分水江江底隧洞位于桐廬縣橫村鎮附近，河床寬度約220 m，輸水線路與分水江近乎垂直，設計分水江1號主洞下游及分水江2號主洞上游2個掌子面向江底掘進。前期地質鉆探成果表明：過江段基巖以灰色晶屑或熔結凝灰巖為主，分水江1號主洞下游巖體較完整，未見明顯斷裂構造跡象，僅發育少量中陡傾角節理；分水江2號主洞上游段巖體完整性總體較差，節理發育，以中陡傾角為主，節理面一般鐵錳質渲染或方解石脈充填。其中，樁號K55+930~K56+130區段(字母K代表公里標記，K與+號之間的數字對應掌子面公里數，+號之后的數字為米數，即K55+930表示掌子面與隧洞進口相距55 930 m)為江底斷層影響帶，主要為Ⅳ–Ⅲ類圍巖，施工風險大，是全線的重點，故在樁號K56+129位置首先實施了TSP預報，每次預報TSP觀測系統均采用如圖1所示的方式布置。

4.1 TSP成果與解釋(K56+129~K55+999)

圖3為分水江2號主洞樁號K56+129~K55+999區段TSP探測結果，對比表1可知，圍巖以Ⅲ類為主。其中樁號K56+089~K56+045區段縱波波速、密度及各力學模量值多呈現極小值(圖3)，推測此區段巖體完整性差，局部較破碎–破碎，地下水不發育，圍巖以Ⅲ2類為主。

圖3 分水江2號主洞樁號K56+129~K55+999區段TSP探測結果

根據TSP探測結果，在分水江2號主洞樁號K56+100.2~K56+059.93區段開展超前鉆孔取心工作，鉆探結果表明：全孔巖心均為灰—青灰色英安玢巖，微風化，巖心以破碎—較破碎為主，且存在蝕變現象。其中K56+093~K56+061區段巖體呈圖4所示的破碎狀，全孔未見地下水出露，8段壓水試驗成果顯示巖石透水率為0.3~0.7 Lu，為微透水巖體。TSP異常區與超前鉆探成果吻合，準確反映了巖體破碎區域的分布。

圖4 樁號K56+069~K56+065區段超前鉆孔巖心

Fig.4 Cores of advance drilling at stakes K56+069~K56+065

4.2 TSP成果與解釋(K56+062~K55+950)

江底斷層影響帶首次TSP探測時K56+129~ K56+107區段為緩傾角下坡段，且自樁號K56+045起各參數指標不再變化(圖3)，為提高預報精度，在掌子面K56+062位置開展TSP補充預報工作。圖5為分水江2號主洞樁號K56+062~K55+950區段TSP探測結果，對比表1可知，各物理力學指標普遍較差，推測圍巖以Ⅲ2類為主，局部Ⅳ類。如圖5所示，樁號K56+024~K56+010區段橫波波速偏低，泊松比局部偏高，推測巖體含裂隙水。其中，K56+020.2~K56+017區段波速、密度及各力學模量值多呈現極小值，推測此區段巖體破碎，地下水發育，推測圍巖為Ⅳ類；K56+010~K56+006區段縱波波速相對偏低，橫波波速未見顯著偏低，推測巖體破碎，含裂隙水。依據TSP成果，在樁號K56+062~K56+024.4及K56+037~ K56+004.85區段實施超前鉆探工作，鉆孔編號分別為ZKF2-3、ZKF2-4。

超前鉆探成果表明K56+062~K56+046.4區段為英安玢巖(圖6a)，巖體破碎；K56+45.5~K56+004.9區段為熔結凝灰巖(圖6b)，巖體節理裂隙發育；K56+ 046.4~K56+045.5區段為巖性接觸帶，巖心擠壓呈碎塊狀。其中，ZKF2-3號超前鉆孔在樁號K56+025.5揭露地下水，初始流量50 L/min，至K56+024.4時穩定流量為65 L/min。ZKF2-4號超前孔在K56+020.3~K56+ 018.8區段出水，水量約53 L/min；鉆進至K56+012.9時孔內出水量加大，水量約65 L/min，隨后進行了水泥灌漿處理，后恢復鉆進至K56+008.3~K56+006.9區段孔內出水，水量約15 L/min。

前文分析表明，TSP異常解釋與超前鉆探成果基本吻合，K56+062~K56+040區段橫波波速偏低，泊松比偏高，但縱波波速未見顯著偏低且變化相對均勻(圖5)，超前鉆探成果表明此區段巖體不含裂隙水，TSP對基巖裂隙水探測精度相對較低，易出現誤報。

圖5 分水江2號主洞樁號K56+062~K55+950區段TSP探測結果

Fig.5 Detection results of TSP detection at stakes K56+062~K55+950 in Fenshuijiang No.2 main tunnel

圖6 樁號K56+062~K56+004.9區段超前鉆探部分巖心

分水江2號主洞掘進至樁號K56+004巖體完整性變好，圍巖介于Ⅲ1–Ⅱ類之間，掌子面附近局部僅有少量滴滲水，同時分水江1號主洞下游掘進至樁號K55+957，K56+062~K55+950區段TSP探測成果顯示自樁號K55+996起反射層面顯著減少(圖5)，分辨率降低，為此在掌子面K56+004位置開展地質雷達預報工作。

4.3 雷達探測成果與解釋(K56+004~K55+974)

地質雷達超前預報多采用100 MHz屏蔽天線，考慮隧洞不良作業環境影響(如粉塵、洞壁滲水、底板積水積泥)，為減小儀器損耗，雷達系統各部件間的連接口應盡量少。千島湖配水工程選用僅含天線–電纜、電纜–主機兩個連接口的SIR-4000雷達探測系統。此外，水工隧洞洞徑偏小且掌子面平整度較差，為保證一定的數據采集量，同時提高信噪比，采用點測模式，道間距控制在0.1~0.2 m，采集道數大于60。

圖7為分水江2號主洞樁號K56+004~K55+974區段地質雷達剖面及典型單道時間–頻率譜。如圖7a所示，雷達異常區域集中于樁號K55+974~ K55+ 986區段，其反射波振幅強、波形雜亂、同相軸局部錯斷，圖7a橢圓框標注異常區主頻為50~160 MHz，局部偏低，推測巖體節理裂隙發育或較破碎，多含裂隙水。此外，K55+994~K55+987區段掌子面左側反射信號稍強，頻率以中高頻為主，推測巖體完整性較差。

圖7 分水江2號主洞地質雷達剖面及典型單道時間–頻率譜

依據雷達預報結果，超前鉆探置于樁號K55+ 957.3~K55+994.7區段，鉆探成果表明：巖心為灰–灰黑色熔結凝灰巖，微風化–新鮮為主，K55+957.3~ 972.5區段巖體完整，地下水不發育；K55+972.5~ 985.6區段巖體完整性差—破碎，地下水較發育，其中K55+978.7~980.2處揭露一寬約1.5 m的節理密集帶(圖8)，張開為主，傾角大于45°；K55+ 985.6~994.7區段巖體較破碎，地下水不發育。雷達預報成果準確反映了巖體含水破碎區域的分布。

分水江過江隧洞段預報成果表明以TSP預報為先導，在TSP探測分辨率下降的樁號附近開展TSP二次預報工作并輔以超前鉆探驗證的綜合預報體系可有效揭露出隧洞前方不良地質體的性質及分布規律，當隧洞剩余長度較小時，亦可采用基于頻譜分析技術的地質雷達探測方法來圈定掌子面前方含水破碎巖體的范圍。

圖8 樁號K55+980.3~K55+975.4區段超前鉆探部分巖心

Fig.8 Some cores of advanced drilling at stakes K55+980.3~K55+975.4

5 結論

a.為獲得高質量的地震反射數據，TSP觀測系統應規范布置，炮孔布設區段不宜有大型空腔，注意斷路導線與雷管的連接、固定，提高裝藥水平，保證炮孔內灌水效果。

b. TSP反射波提取宜多次調試獲得相對優化的計算參數，最大增益與值建議在15~25區間取值。

c. TSP對破碎帶的探測靈敏度較基巖裂隙水高，巖體含水破碎區域對應TSP成果表現為波速、密度及力學模量值偏低，在雷達電磁異常中表現為反射波振幅強，同相軸局部錯斷，主頻偏低。

d.綜合超前預報技術可有效探測出掌子面前方不良地質體的分布與性質，提高了預報精度，彌補了單一預報方法的不足，為隧洞超前支護方案的優化提供了重要參考。

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Detection accuracy analysis of TSP and its application in a river-crossing tunnel construction

LI Junjie, ZHANG Honggang, HE Jianshe, RONG Xin, LI Jianqiang, GUO Jiahao

(Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Hangzhou 310002, China)

Aiming at the problems of TSP such as long detection time and strong experience-depending, in order to improve the accuracy and the efficiency of TSP detection, we analyzed the key factors which affect data acquisition and processing accuracy of TSP and summarized the experiences of improving the detection efficiency of TSP. In combination with the TSP advanced geological prediction work in a river-crossing tunnel for water distribution project in Qiandaohu lake, the TSP tracing prediction or GPR detection in the area where the TSP resolution decreases were carried out and the geophysical abnormal area was verified by drilling. The results show that in the section with poor integrity of rock mass the values of longitudinal wave velocity, density and various mechanics modulus were low, TSP was sensitive to the detection of fracture zone but its identification ability of bedrock fracture water was relatively weak, the rock mass in the area where both longitudinal wave and shear wave velocities were lower had higher water-bearing probability, the GPR anomaly in the section of fractured water-bearing rock mass was characterized by strong reflection amplitude, event dislocation and lower dominant frequency. In the comprehensive prediction results, the advantages of various detection methods were complementary to each other, which provides important reference for the optimization of tunnel support and advance grouting scheme.

TSP; ground penetrating radar; advance drilling; river-crossing tunnel; comprehensive prediction

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.029

1001-1986(2019)04-0193-08

2018-07-03

國家自然科學基金項目(41641040)；浙江省水利廳科技基金項目(RC1729)

National Natural Science Foundation of China(41641040)；Technology Project of Water Resources Department of Zhejiang Province(RC1729)

李俊杰，1989年生，男，江西上饒人，工程師，碩士，從事地球物理電磁法正演及工程物探方法研究. E-mail：lijunjiecsu@163.com

李俊杰，張紅綱，何建設，等. TSP探測精度分析及其在過江隧洞超前預報中的應用[J]. 煤田地質與勘探，2019，47(4)：193–200.

LI Junjie，ZHANG Honggang，HE Jianshe，et al. Detection accuracy analysis of TSP and its application in a river-crossing tunnel construction[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：193–200.

(責任編輯 聶愛蘭)