錘擊TSP預報系統在凝灰巖隧洞滲水精細預報中的應用

陳 亮，李俊杰

(浙江省水利水電勘測設計院有限責任公司，浙江 杭州 310002)

甌江流域是浙江省第二大流域，甌江引水工程主要任務是將甌江上游優質水源引入溫州市城區，是溫州市優化流域水資源配置，提高優質水資源利用效率的重要手段。甌江引水工程輸水線路以渡船頭取水樞紐為起點，經甌江翻水站后到達龍灣區豐臺出口，沿程分別向鹿城區、甌海區及龍灣區部分水廠配水。該工程為Ⅱ等工程，設計多年平均引水流量25m3/s，輸水線全長61.0km，其中隧洞段59.7km、埋管段0.6km，頂管段0.7km。隧洞采用鉆爆法結合盾構、TBM法施工，干線鉆爆法施工段56.2km，盾構法施工段0.8km，TBM法施工段2.7km。長距離輸水隧洞因隧洞埋深差異大，洞線常穿越復雜地形地貌，沿線地質條件多樣化，采用超前地質預報手段可事先預判隧洞前方不良地質的分布情況，保障施工安全。

地震反射波法是隧洞預報最常用的物探手段之一，同時也是鐵路隧道施工的重要環節。其通過在隧洞壁人工激發的彈性波的反射特征來推斷掌子面前方不良地質(如溶洞發育區、含泥富水斷層)的空間分布形態，繼而為隧洞后續隧洞施工與圍巖支護提供指導。TSP是最早引入國內的隧洞地震預報系統，該系統配備了高精度加速度傳感器，能接收隧洞空間百米范圍內的微弱地震反射信號，輔以成熟的商業處理軟件，在大型溶洞、構造發育區及地下水富集區的預報均獲得了良好的效果[1-6]。隨著TSP最新一代產品TSP303的發布，國內類似隧洞地震預報系統也快速發展起來，如TGP、TST、TETSP、TSP-SK、AGI-T3、TSEP。針對TSP只可用于基于炸藥震源的鉆爆法施工隧洞，國內預報設備多采用人工錘擊震源或可控震源，使其可進一步嘗試于TBM或盾構方式掘進的隧洞超前預報。通過大量文獻查詢可知TSP預報成功案例遠超國內方法。本文討論了一種少見文獻報導的錘擊TSP預報系統，分析了錘擊方式與傳統爆破激發方式下TSP反射數據的差異，總結了錘擊TSP系統在大小隧洞洞徑下檢波器的數量及觀測系統的布置方式。本文的隧洞預報案例顯示TSP在橫波異常區與巖體滲水區范圍較一致，可為未來TBM掘進方式下TSP預報工作的研究打下基礎。

1 錘擊系統簡介

TSP303其采用錨固劑與塑料錨栓耦合地震檢波器。該設計優勢在于裝有檢波器的塑料套管可重復使用，相對TSP203采用一次性鋼管固定檢波器的方式，極大地節約了TSP預報成本。TSP303在設計之初預留了錘擊震源接口，但在2021年中下旬推出的TSPplus3.0軟件中才集成了錘擊激發采集數據模塊，此前研究者目光幾乎聚焦于鉆爆法施工的TSP超前地質預報，有關錘擊型TSP的研究工作仍處于起步階段。

錘擊TSP觀測系統與爆破方式下的觀測系統大體類似，圖1為錘擊TSP觀測系統布置圖，如圖1所示，錘擊TSP觀測系統檢波器布置于距掌子面30m左右(傳統TSP觀測系統此距離約在50～55m)的兩側隧洞壁上。筆者大量預報經驗表明，當隧洞洞徑大于6m時，因錘擊產生的地震波能量較小，與錘擊點對側的檢波器接收數據信噪比偏低，此時考慮布置一個檢波器即可。為盡可能顯示出24道地震數據的初至波延時及原始振幅，錘擊型TSP偏移距宜控制在7m左右(傳統TSP為15～20m)，炮間距宜控制在1m(傳統TSP為1.5m)。采集數據時錘擊點高度與檢波器高度盡量一致，約高出隧洞地面1～1.5m。對隧洞洞壁噴漿厚度較薄的Ⅱ—Ⅲ類圍巖，錘擊點可直接作用于隧洞壁上，若洞壁噴漿尚未凝固，還需將錘擊點附近濕潤的水泥鑿除。對于Ⅳ—Ⅴ類圍巖，通常設計噴漿厚度較大，此時開展錘擊TSP工作需在錘擊點附近打孔，孔深需大于設計噴漿厚度，并采用直徑略小于孔徑的粗鋼釬插入孔底并以類似“敲釘子”的方式激發地震波。

2 錘擊TSP數據分析

本文的錘擊TSP工作開展于呈岸隧洞，該隧洞局部穿越溝谷段，上覆巖體薄，地面有常年流水的河流，成洞地質條件差，屬不穩定性巖體易冒頂，隧洞開挖時有較大的滲水可能性，故在施工期開展了TSP預報工作。因隧洞洞徑較大，僅布置了與隧洞地震波激發點同側的單一接收器。圖2為呈岸隧洞段錘擊TSP采集原始波形圖，如圖2所示，反射波總體“毛刺”狀高頻干擾小，反射波初至清晰、時間上也未見明顯過早或過晚觸發導致單道反射波形延時錯誤等問題，原始數據的信噪比較高。圖3為錘擊TSP采集原始數據頻譜圖，如圖3所示，在主頻帶50～1500Hz范圍內，檢波器接收的地震反射數據x、y、z三分量歸一化振幅均大于1，其中x方向為隧洞掘進方向，y方向為垂直洞壁遠離洞軸線方向，z方向垂直向上。對錘擊激發地震波能量而言，接收的反射信號振幅總體較大，其中y分量反射波能量最大，說明錘擊隧洞壁激發地震波的方式下，可接收到的橫波能量較強，因橫波多對流體敏感，錘擊TSP系統很適合隧洞含水體的預報。

如圖4所示為錘擊TSP采集原始數據能譜及二維濾波處理后能譜，采用二維濾波處理可有效去除高頻聲波干擾。TSP系統默認地震波在隧洞傳播過程中能量以指數形式規律衰減，故指數曲線右側的信號將被切除，但當高頻聲波干擾嚴重時，指數曲線右側仍會有大量能量團殘留，繼而影響TSP預報準確性。此現象在爆破型TSP系統中較常出現，而文中的錘擊TSP數據經二維濾波處理后指數曲線右側的能量被完全去除，間接體現了錘擊TSP原始數據采集效果好。

圖4 錘擊TSP采集原始數據能譜及二維濾波處理后能譜

圖5為錘擊TSP數據直達波拾取處理后地震波波形，該處理步驟旨在獲得縱波波速的參考值，后期計算的TSP波速成果均以此為參考，且最大最小值均不會超出參考值1000m/s，故波速參考值應盡量接近巖體真實波速。如圖5所示，隧洞壁直達波波速約5637m/s，此數值與該隧洞段勘探時期聲波波速成果大體較吻合，巖體完整性較好，為Ⅱ類圍巖。

圖5 錘擊TSP數據直達波拾取處理后地震波波形

圖6為錘擊TSP數據反射波提取處理后地震波波形，此步驟為TSP數據處理的核心內容之一，是影響TSP預報準確性的關鍵。該步驟由最大增益與Q值2個參數組成，筆者大量成功預報經驗表明，前者取值區間建議為20～25，后者建議為15～20，文中采用的數值分別為25，20。如圖6所示，數據處理后反射剖面中的反射波被很好地識別出來。

3 TSP預報成果及隧洞實際開挖情況比對

圖7為錘擊TSP預報成果，如圖7所示，掌子面前方145m范圍內(樁號0+104～0+249)圍巖縱波速度為4928～6041m/s；橫波速度為3097～3403m/s；縱橫波波速比為1.53～1.88；泊松比為0.13～0.3；密度為2.74～2.93g/cm3；靜態楊氏模量為51～82GPa；動態楊氏模量為64～86GPa；剪切模量為26～34GPa；體積模量為29～62GPa。就凝灰巖隧洞探測而言各物理力學指標總體較好，局部稍差，表明TSP預報范圍內巖體完整性總體較好，局部節理裂隙發育或較破碎，局部巖體含少量裂隙水，推測TSP探測區域內巖體多以Ⅲ～Ⅱ類為主，可能存在少量Ⅲ～Ⅳ類圍巖。其中0+104～0+121與0+131～0+137區域縱橫波波速、密度及各物理力學指標多呈現極小值，0+208～0+222區段橫波波速呈現極小值，TSP預報異常區域地質解釋及推斷詳見表1。

表1 錘擊TSP預報成果與開挖實際對比表

圖7 錘擊TSP預報成果

以上分析結果表明錘擊TSP預報范圍內巖體完整性與穩定性總體較好，后期隧洞開挖至樁號0+211附近洞壁開始出現股狀流水(如圖8所示畫圈處)，TSP波速與各力學指標的變化與隧洞圍巖變化相吻合。

圖8 樁號0+211附近洞壁滲水

4 結論與建議

(1)本文采用錘擊TSP預報系統實現了凝灰巖隧洞滲水區域的精細探測，詳細說明了錘擊TSP觀測系統設計以及采集原始數據的特點，介紹了錘擊TSP系統數據處理流程及重要處理步驟參數的建議值。TSP預報成果顯示距離大于100m區域存在明顯橫波低值異常區，經開挖證實此處異常區隧洞壁多處存在滲水現象，說明了錘擊TSP預報在隧洞長距離預報中的有效性。

(2)錘擊TSP系統尤其適合觀測系統洞壁段地質條件為Ⅱ—Ⅲ類圍巖的超前預報，此條件下采集的原始數據能量雖不及爆破型TSP數據，但前者不易產生高頻聲波干擾，接收的地震反射信號更為純凈。

(3)錘擊TSP預報系統避免了炸藥的使用，極大地節約了TSP預報工作前期溝通及數據采集的時間成本，且其觀測系統長度約為爆破型TSP系統的一半，適用條件更廣泛。