TSP技術在隧道超前地質預報中的應用

樊一平

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

物探法有操作簡便、準確性高、探測距離較遠等優點，在隧道超前地質預報檢測方法中占有非常高的使用比例，是超前地質預報的一個最重要手段，因此得到了廣泛的推廣應用［1-2］。目前隧道超前地質預報中最先進的物探法，為隧道地震反射波法即Tunnel Seismic Prediction（TSP）。在隧道施工期間，利用TPS技術對隧道掌子面前方的地質條件進行及時有效的預測，是提前準備預防措施、避免災害發生或在一定程度上減小因地質災害造成的損失并保證隧道安全施工的需要，同時也是當今生態環境保護對隧道工程建設提出的重要研究課題［3］。

1 隧道地震波反射法（TSP）檢測原理

炮孔布置在掌子面后方一定范圍內，因此在檢測前要在掌子面后方開挖一段隧道。地震波由少量炸藥卷發生爆炸時發出，且以球形形式在隧道巖體中傳播，當地震波遇到阻抗較差的含水層、斷裂帶、軟基層等介質層，一部分地震波會被反射回來，而另一部分地震波會沿著巖體介質繼續傳播，隨著傳播距離越來越遠，能量越來越小，直到接收器接收不到信號為止。

地震波的反射波信號用三分量地震波檢測儀接收，這種檢測儀靈敏度較高，可以探測到距離較遠的巖體介質，通過檢測地震反射波的波速、時間及波形和能量的強弱，可判斷檢測段隧道巖體的地質組成條件。如圖1。

圖1 地震波反射法的預報原理

地震波由特定爆破點通過人工爆破發射，在隧道一側每隔1.5～2.0m的距離布置激發孔（一般小于24），并在離最后一個發射孔20m遠的墻體兩側墻位置分別布置一個地震反射波接收器，發射孔和接收器基本上保持在同一水平高度。當地震入射波遇到地層界面、節理界面，特別是斷層破碎帶、溶洞、地下河等不良地質界面時，反射波由接收器產生和接收，并由數字記錄儀放大、輸出和記錄。隧道工作面前方TSP探測距離可達100m，硬巖探測距離可達200m。

2 隧道地震波反射法（TSP）檢測流程

TSP超前地質預報測試過程通過一系列炮點、一到兩個三維接收傳感器、接收機及數據處理系統完成，檢測流程主要分為6個步驟： ①隧道檢測前應對隧道掌子面巖體進行現場勘查，并對其進行地質描述。②根據地質勘查結果選擇合適的儀器布置點，TSP超前地質預報系統的現場布置如圖2。③記錄檢波器接收孔至炮孔的隧道里程及隧道掌子面里的里程，當炮孔間距不等時還要測量炮孔間距。④檢波器采用三分量檢波器，并且用定向耦合方式進行安裝，炸藥卷根計時線一并安裝，且藥量一般控制在60～120g之間。⑤在進行數據采集時要保證隧洞內足夠安靜，停止所有震動相關的施工項目。依據巖體條件選擇合適的采集參數，其中硬巖條件采樣率0.05ms，軟巖條件采樣率0.1ms。在采集數據過程中保證地震記錄長度不低于300～400ms。⑥現場數據采集完成后，經相關軟件處理便可以得到P,S波的時間剖面、深度偏移圖、速度分析圖、反射波相位、反射波層位、反射能量大小等資料，同時結合隧道地質情況對掌子面前方的反射波相位、溶洞、斷層、反射波相位、節理裂隙密集帶及富水情況等不良地質情況做出相應推斷。

圖2 TSP超前地質預報系統現場布置

3 評價指標建立

依據TSP有效資料和圍巖勘察情況，本次選擇巖石完整性系數Kv、泊松比μ、楊氏模量E、縱波波速Vp和地下水開發狀況W作為評價圍巖地質條件的主要因素。

3.1 巖體完整性系數

巖體完整性是指巖體地質界面發育程度中的各種裂隙，其定量指標是巖體工程表征的重要參數。計算如式（1）：

式中 Kv為巖體完整性系數；Vp為巖體縱波速度（km/s）；Vs為巖體橫波速度（km/s）。

3.2 巖石物理力學參數

TSP的傳感器可以接收反射波信息，并按不同的日期顯示與界面相關的特征和發生情況。隧道的泊松比μ、楊氏模量E等可由式（2）、式（3）求得，以便對隧道工作面前的不良地質進行預測。

式中 μ為泊松比；E為楊氏模量 （GPa）；P為巖體密度（kg/m3）。

3.3 地下水（W）

地下水是影響圍巖穩定性的重要因素。水的作用主要是侵蝕可溶性水泥和小顆粒填充巖石和結構表面，軟化和降低巖石的強度。當巖體較好，無含水或承壓水較小時，地下水對圍巖的影響較小。當巖體質量差、有涌水、水壓大時，地下水對圍巖穩定性影響較大，應充分考慮地下水的作用。地下水的開發是一個定性指標，根據表1進行量化。

表1 地下水等級劃分

3.4 圍巖等級劃分

影響隧道圍巖質量的因素可概括為： 巖石本身的強度、巖體結構面的影響、工程因素和工程地質環境4個方面。本文按照評價因子簡單、易于確定的原則，對巖體的縱波波速Vp、巖體完整性指數Kv、泊松比μ、楊氏模量E和地下水W共5個因子建立了分類評價指標體系。根據圍巖由好到差，I～V分為5個等級，分級標準如表2，表3。

表2 圍巖等級劃分

表3 圍巖等級劃分

根據巖體5個不同指標進行測量，得到相應的指標評分，再根據綜合指標評分將圍巖質量由好到差分為I～V 5個等級，分數越高則代表圍巖質量越好。

4 結語

根據地震波場響應特征原理，通過選取影響圍巖水平的主要因素，建立分類評價指標，對圍巖等級進行劃分，定量描述了各項指標，使評價結果更加客觀準確。