TSP 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法最優(yōu)結(jié)果選取準(zhǔn)則分析

摘要：針對(duì)TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法中數(shù)據(jù)處理人為因素影響大、單一默認(rèn)參數(shù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果存在較大風(fēng)險(xiǎn)、如何結(jié)合地質(zhì)情況選擇最優(yōu)結(jié)果及解譯等問題，文章基于TSP數(shù)據(jù)處理速度分析，提出了TSP波速結(jié)果分型及選取最優(yōu)結(jié)果的準(zhǔn)則方法。分析表明：TSP波速結(jié)果可參照電阻率法中電測(cè)深曲線類型原則進(jìn)行地速分型，并通過比較TSP數(shù)據(jù)處理結(jié)果的地速類型和地質(zhì)類型的一致性、吻合對(duì)應(yīng)性程度可選出最優(yōu)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法;數(shù)據(jù)處理;解譯;分型;地速類型

0 引言

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法探測(cè)距離大、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)斷層及破碎帶、裂隙帶、巖溶及地下暗河、軟弱夾層、特殊巖性地層等不良地質(zhì)體預(yù)報(bào)具有很好的靈敏度，是目前應(yīng)用最廣泛的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法[1-2]，成為隧道建設(shè)開挖過程中長(zhǎng)距離有效地把控隧道掌子面前方地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的重要手段[3-5]。TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法技術(shù)經(jīng)過實(shí)踐中大量應(yīng)用和總結(jié)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是仍然存在很多問題，如干擾多造成數(shù)據(jù)采集質(zhì)量不夠高、數(shù)據(jù)處理過程人為因素影響大、數(shù)據(jù)處理結(jié)果具有多解性等問題。當(dāng)前大部分TSP（包括TGP、TST）從業(yè)者都是按照廠家給出的數(shù)據(jù)處理流程和默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果具有多樣性、不穩(wěn)定性，處理過程中的參數(shù)稍微調(diào)整，處理出來的結(jié)果就會(huì)有明顯差異。因此，如何獲得一個(gè)穩(wěn)定的、可靠的結(jié)果是一個(gè)難題。另外，在結(jié)果解譯時(shí)雖然一直都強(qiáng)調(diào)要結(jié)合地質(zhì)情況合理解釋，但是客觀上地球物理方法具有多解性，加上技術(shù)人員水平參差不齊，測(cè)量誤差干擾等因素影響，數(shù)據(jù)結(jié)果有很多個(gè)。如何選取一個(gè)最合理的結(jié)果進(jìn)行解譯是一個(gè)難題，如何結(jié)合地質(zhì)情況解釋一直以來也很少有具體的、明確的準(zhǔn)則參考遵照。因此，通過精細(xì)數(shù)據(jù)處理獲得一個(gè)穩(wěn)定的、可靠的結(jié)果，按照一定準(zhǔn)則進(jìn)行客觀的、合理的解譯具有重要意義。

1 TSP數(shù)據(jù)處理速度分析

在實(shí)際數(shù)據(jù)速度分析中，初始速度模型包括速度和尺寸參數(shù)。速度參數(shù)由直達(dá)波獲得;模型尺寸為定義探測(cè)區(qū)域并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格剖分，定義探測(cè)區(qū)域其實(shí)就是定義計(jì)算區(qū)域。目前儀器配套軟件速度分析計(jì)算區(qū)域參數(shù)設(shè)置中共提供6種可選擇區(qū)域大小， 水平方向和垂直方向分別可設(shè)置為50 m和100 m，隧道軸線方向分別可設(shè)置為200 m、 [=XQS（]TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法最優(yōu)結(jié)果選取準(zhǔn)則分析/黃保勝[=JP2]250 m和300 m。速度分析區(qū)域尺寸大小設(shè)置其實(shí)就相當(dāng)于給出一個(gè)初始模型，速度分析為線性反演，結(jié)果會(huì)依賴初始模型，并有可能陷入局部最小而得到錯(cuò)誤的結(jié)果，顯然僅僅給出一個(gè)初始模型而不經(jīng)過比對(duì)分析處理得到的結(jié)果存在較大錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)。由于這一步數(shù)據(jù)處理不具有可預(yù)覽功能，只能處理完后比對(duì)結(jié)果，因而需要進(jìn)行不同模型尺寸處理，對(duì)各個(gè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比選擇。

2 處理結(jié)果選擇

TSP數(shù)據(jù)經(jīng)過不同參數(shù)值的速度分析和反射層提取等一系列處理會(huì)得到很多結(jié)果，對(duì)如何從眾多處理結(jié)果中選取一個(gè)最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行合理解譯，需要一套準(zhǔn)則方法。本文提出先將TSP波速結(jié)果參照電阻率法中電測(cè)深曲線類型進(jìn)行分型，然后根據(jù)已知地質(zhì)信息類型選擇最優(yōu)結(jié)果。

2.1 處理結(jié)果分型

把TSP波速結(jié)果中波速從掌子面沿著預(yù)報(bào)方向整體趨勢(shì)變化大小類型稱為TSP地速類型，即TSP結(jié)果中地層的波速變化大小特征類型的意思。參照電阻率法中電測(cè)深曲線類型[6]，根據(jù)TSP波速結(jié)果中段數(shù)和各段波速相對(duì)大小的不同，可以將TSP地速類型分成若干類型。如圖1所示：

（1）二段地速類型，當(dāng)?shù)谝欢尾ㄋ俦惹耙欢尾ㄋ俑邥r(shí)，地速類型稱為G型;當(dāng)后一段波速比前一段波速低時(shí)，地速類型稱為D型。

（2）三段地速類型，當(dāng)?shù)诙尾ㄋ俦鹊谝欢尾ㄋ俚颓冶鹊谌尾ㄋ俚蜁r(shí)，地速類型稱為H型;當(dāng)?shù)诙尾ㄋ俦鹊谝欢尾ㄋ俑咔冶鹊谌尾ㄋ俚蜁r(shí)，地速類型稱為A型;當(dāng)?shù)诙尾ㄋ俦鹊谝欢尾ㄋ俑咔冶鹊谌尾ㄋ俑邥r(shí)，地速類型稱為K型;當(dāng)?shù)诙尾ㄋ俦鹊谝欢尾ㄋ俚颓冶鹊谌尾ㄋ俑邥r(shí)，地速類型稱為Q型。

由此可見，每多一段，波速結(jié)果的地速類型就增加一倍，可用類似的方法考慮更多段波速結(jié)果的類型。另外，由于TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中地質(zhì)災(zāi)害異常（軟弱層、破碎帶、溶洞、富水帶等）主要表現(xiàn)為低速，所以在TSP中經(jīng)常出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害（異常）的類型為H型、Q型結(jié)果，而像G型、A型等結(jié)果存在的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)一般較小。

2.2 處理結(jié)果選擇

處理結(jié)果選擇應(yīng)遵循由已知到未知的原則，可以通過已知的地質(zhì)資料分析預(yù)報(bào)段內(nèi)存在的地質(zhì)異常情況，對(duì)地質(zhì)內(nèi)容進(jìn)行類型分類，我們稱之為地質(zhì)類型。存在地質(zhì)異常段對(duì)應(yīng)地在波速結(jié)果上勢(shì)必會(huì)有反映，二者具有對(duì)應(yīng)性，因此可以通過比較處理結(jié)果的地速類型和地質(zhì)類型的一致性、吻合對(duì)應(yīng)性程度選出最優(yōu)結(jié)果。當(dāng)?shù)厮兕愋团c地質(zhì)類型相同或類似的情況下比較波速差異幅度，相同位置處波速差異幅度越大，結(jié)果越可靠。當(dāng)遇到缺少已知地質(zhì)異常的情況時(shí)，可以通過物探異常產(chǎn)生的原理去分析選取。因?yàn)閷?duì)于同一個(gè)模型而言，在不同觀測(cè)系統(tǒng)、采集條件、處理方法等響應(yīng)下，如果異常均能穩(wěn)定地在某一結(jié)果中反映出來，那么該結(jié)果顯然是較為可靠合理的，而那些具有偶然性異常的結(jié)果則相對(duì)不可靠。另外，應(yīng)注意到TSP處理結(jié)果中的波速（包括其他力學(xué)參數(shù)）都不是真波速（絕對(duì)波速），而是視波速，不應(yīng)該絕對(duì)地孤立考慮分析某個(gè)參數(shù)的數(shù)值大小，應(yīng)該與相鄰段的結(jié)果比較分析變化的相對(duì)大小，相鄰段數(shù)值相對(duì)變化越大，表明相鄰段圍巖變化越大。

通過以上分析總結(jié)選取結(jié)果流程為：（1）根據(jù)已知確認(rèn)的洞內(nèi)外勘察資料、開挖揭露結(jié)果等進(jìn)行地質(zhì)類型分型;（2）根據(jù)處理結(jié)果的地速類型與地質(zhì)類型一致性、吻合對(duì)應(yīng)性程度選出最優(yōu)結(jié)果;（3）當(dāng)缺少已知確認(rèn)的洞內(nèi)外勘察資料、開挖揭露結(jié)果等無法進(jìn)行地質(zhì)類型分型時(shí)，可以根據(jù)處理結(jié)果的地速類型穩(wěn)定性及相鄰前后段異常差異大小選出最優(yōu)結(jié)果。

3 實(shí)例分析討論

3.1 工程概況及地質(zhì)類型分類

擬建隧道為一特長(zhǎng)分離式高速公路隧道，隧道區(qū)屬于剝蝕中低山及巖溶峰叢洼地地貌，表層覆蓋第四系殘坡積層，下覆基巖為灰?guī)r。本次TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)掌子面里程為YK31+013，由掌子面向大里程方向進(jìn)行預(yù)報(bào)。YK31+013掌子面巖性主要為灰?guī)r，灰白色、深灰色，以中風(fēng)化為主，局部強(qiáng)風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中-厚層狀構(gòu)造，巖體較完整-較破碎，巖質(zhì)堅(jiān)硬-較硬，層面光滑平整，延展性較差，充填方解石;發(fā)育于掌子面中上部的溶蝕裂隙產(chǎn)狀200°∠75°，呈張開狀，連續(xù)發(fā)育，結(jié)構(gòu)面平整光滑，有溶蝕、鐵錳侵染等現(xiàn)象，夾少量黏土，下伏巖體破碎，自穩(wěn)能力差，有局部掉塊現(xiàn)象，上部巖體較完整，局部穩(wěn)定性差。在本次預(yù)報(bào)里程段為一個(gè)巖溶洼地范圍，隧道上方地表為居民生活區(qū)，隧道埋深約30 m。巖溶洼地內(nèi)有多個(gè)巖溶天窗和溶洞。YK31+040～YK31+110中線右側(cè)區(qū)域內(nèi)地表裸露灰?guī)r溶蝕強(qiáng)烈，如溶穴、溶溝或溶牙等現(xiàn)象明顯。受該巖溶洼地及溶蝕影響，YK31+040～YK31+120為出現(xiàn)巖溶溶蝕強(qiáng)發(fā)育、夾泥等圍巖完整性及穩(wěn)定性非常差的段落。

綜合以上分析可得：本次TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)掌子面圍巖整體完整性一般、自穩(wěn)能力差，前方存在巖溶、軟弱夾層等已知明顯地質(zhì)異常，是圍巖完整性和自穩(wěn)能力極差段。隧道穿越該段后進(jìn)入山體基座，圍巖完整性和自穩(wěn)能力較前段變好，因此預(yù)報(bào)范圍段地質(zhì)類型為明顯H型。

3.2 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法結(jié)果選擇及解譯

本次TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法探測(cè)三分量接收傳感器布置在YK30+963里程樁，R1接收器位于隧道左邊墻，R2接收器位于隧道右邊墻;設(shè)計(jì)24炮孔，位于隧道右邊墻。進(jìn)行了不同速度分析模型大小的數(shù)據(jù)處理，結(jié)果如圖2所示，每個(gè)結(jié)果對(duì)應(yīng)采集及處理參數(shù)見圖注。以預(yù)報(bào)長(zhǎng)度為150 m控制，對(duì)YK31+013～YK31+163段TSP波速結(jié)果進(jìn)行分型。從圖2可見：圖2（a）、圖2（b）結(jié)果為HK型;圖2（c）結(jié)果為H型;圖2（d）結(jié)果分段較多且較短、變化較為雜亂，無明顯變化特征。

從已知地質(zhì)情況可得：本次預(yù)測(cè)里程范圍內(nèi)主要地質(zhì)異常為前方存在巖溶洼地、軟弱充填層（夾層），相對(duì)的相鄰無異常段為灰?guī)r，在波速上表現(xiàn)為低速帶，波速結(jié)果分型屬于H型，中間段低速帶越明顯，地質(zhì)異常越明顯。因而，當(dāng)從眾多處理結(jié)果中選取一個(gè)最優(yōu)結(jié)果時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注出現(xiàn)波速結(jié)果為H型且中間段低速越明顯的結(jié)果，同時(shí)結(jié)合異常的平面位置進(jìn)行選擇。從TSP波速成果（圖2）及前面波速結(jié)果進(jìn)行分型可得：圖2（d）結(jié)果無明顯變化特征、波速形態(tài)不是H型，無法反映已知中間段低速帶，與已知地質(zhì)類型沒有對(duì)應(yīng)性，首先排除。圖2（a）、（b）結(jié)果為HK型，這些結(jié)果前段、中段基本與地質(zhì)類型有對(duì)應(yīng)性，但是后段波速降低不合理，因?yàn)椋海?）根據(jù)已知地質(zhì)資料情況后段隧道位置已經(jīng)進(jìn)入山體基座，圍巖完整性及穩(wěn)定性不會(huì)比中間段已知低速帶圍巖完整性及穩(wěn)定性差;（2）基于TSP探測(cè)原理，彈性反射波先遇到一個(gè)低速帶，穿過一個(gè)相對(duì)高速帶后再遇到一個(gè)低速帶，反射波在第二個(gè)低速帶反射回去被傳感器接收到的可能性非常小。綜合以上兩個(gè)方面考慮可以排除圖2（a）、（b）結(jié)果。圖2（c）結(jié)果為H型，波速形態(tài)分明，中間低速帶與相鄰波速差異最大，分段界面與已知地質(zhì)情況對(duì)應(yīng)性好，是比較合理的結(jié)果，于是得到圖2（c）為最優(yōu)結(jié)果。另外，假設(shè)缺少已知確認(rèn)的洞內(nèi)外勘察資料、開挖揭露結(jié)果等無法知道預(yù)報(bào)范圍段地質(zhì)類型為明顯H型，根據(jù)處理結(jié)果的地速類型穩(wěn)定性及相鄰前后段異常差異大小選出最優(yōu)結(jié)果的原則也可以依次按照上述順序選出圖2（c）為最優(yōu)結(jié)果。

根據(jù)圖2（c）結(jié)果，并結(jié)合掌子面揭露情況、勘察和地質(zhì)調(diào)查資料等進(jìn)行解譯：YK31+013～YK31+060段縱波波速整體較高，該范圍內(nèi)為中風(fēng)化灰?guī)r，巖體較完整，局部較破碎，溶蝕裂隙弱發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力一般，詳細(xì)定級(jí)為Ⅳ級(jí);YK31+060～YK31+096段縱波波速降低，局部波動(dòng)，反射界面增多，該范圍內(nèi)為中風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，巖體較破碎-破碎，有軟弱夾層分布，巖溶中-強(qiáng)發(fā)育，有溶蝕裂隙和較大規(guī)模溶洞發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力差，詳細(xì)定級(jí)以Ⅴ級(jí)為主、局部Ⅳ級(jí);YK31+096～YK31+142段縱波波速明顯大幅度降低，反射界面明顯，該范圍內(nèi)為中風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，巖體破碎，局部夾泥，有軟弱夾層分布，巖溶強(qiáng)發(fā)育，有溶蝕裂隙和大規(guī)模溶洞發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力差，詳細(xì)定級(jí)為Ⅴ級(jí);YK31+142～YK31+175段縱波波速明顯大幅度增大，反射界面明顯，該范圍內(nèi)為中風(fēng)化灰?guī)r，巖體較完整，局部較破碎，局部有軟弱夾層分布，巖溶弱發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較差，詳細(xì)定級(jí)以Ⅳ級(jí)為主、局部Ⅴ級(jí)。

3.3 開挖驗(yàn)證

在隧道開挖過程中緊密進(jìn)行開挖揭露情況跟蹤，圖3為本次預(yù)報(bào)范圍段不同里程處開挖照片。YK31+025段掌子面圍巖情況與開展預(yù)報(bào)工作YK31+013段掌子面基本相同。YK31+061段掌子面巖體較破碎、節(jié)理裂隙和溶蝕較發(fā)育，局部出現(xiàn)夾泥，圍巖完整性、自穩(wěn)能力較YK31+025段掌子面差。YK31+089段掌子面巖體較破碎-破碎，巖溶中等-強(qiáng)發(fā)育，掌子面左下及中下部發(fā)育多處溶洞，發(fā)育于左下部的溶洞規(guī)模較大，洞徑最大達(dá)到約2.0 m，向右邊墻及拱頂發(fā)育，溶洞內(nèi)充填物主要為碎石及黏土，受結(jié)構(gòu)面影響控制，有構(gòu)造、溶蝕裂隙發(fā)育，局部充填方解石，鐵錳侵染，夾黏土，圍巖完整性、自穩(wěn)能力差。YK31+105段和YK31+120段掌子面巖體破碎-極破碎，有軟弱夾層，巖溶和溶蝕強(qiáng)發(fā)育，整個(gè)掌子面發(fā)育多個(gè)非連通溶洞，洞徑最大達(dá)到約3.2 m，溶洞向拱頂、底板及左邊墻發(fā)育，洞內(nèi)夾大量黏土，圍巖完整性極差，無自穩(wěn)能力，為預(yù)報(bào)范圍內(nèi)圍巖完整性最差段。YK31+130段掌子面巖體破碎，巖溶弱-中等發(fā)育，在拱頂發(fā)育一個(gè)寬約1.0 m的管道型溶洞，向拱頂及左下部發(fā)育，溶蝕裂隙較發(fā)育，充填少量黏土，圍巖完整性、自穩(wěn)能力明顯較YK31+120段掌子面好。YK31+150段和YK31+170段掌子面巖體較完整-較破碎，節(jié)理裂隙和溶蝕弱發(fā)育，局部充填黏土，圍巖完整性、自穩(wěn)能力一般，圍巖完整性、自穩(wěn)能力向開挖方向越來越好。通過預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖結(jié)果對(duì)比分析可見：預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖結(jié)果非常吻合，全面地、完整地把該段圍巖完整性及自穩(wěn)能力由好變差、再由差變好的過程預(yù)報(bào)出來，圍巖分級(jí)段落分界與實(shí)際一致，對(duì)中間巖溶強(qiáng)發(fā)育、含軟弱夾層不良地質(zhì)體等低速段反映明顯準(zhǔn)確。

4 結(jié)語

（1）參照電阻率法中電測(cè)深曲線類型原則，提出了TSP波速結(jié)果地速分型及選擇最優(yōu)結(jié)果的方法，并將之應(yīng)用到TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)處理及解譯工作中。

（2）通過比較TSP數(shù)據(jù)處理結(jié)果的地速類型和地質(zhì)類型的一致性、吻合對(duì)應(yīng)性程度可選出最優(yōu)結(jié)果。當(dāng)?shù)厮兕愋团c地質(zhì)類型相同或類似的情況下比較波速差異幅度，相同位置處波速差異幅度越大，結(jié)果越可靠。當(dāng)缺少已知確認(rèn)的洞內(nèi)外勘察資料、開挖揭露結(jié)果等無法進(jìn)行地質(zhì)類型分型時(shí)，可以根據(jù)處理結(jié)果的地速類型穩(wěn)定性及相鄰前后段異常差異大小選出最優(yōu)結(jié)果。

（3）本文提出的TSP數(shù)據(jù)不同參數(shù)對(duì)比分析處理及選擇最優(yōu)結(jié)果原則方法是實(shí)用的和有效的，同樣適用于其他環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)處理和其他彈性波反射法工作中。

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