TSP203Plus數據質量影響因素分析與解決方法

鄭小洋　吉銳　羅雪濤

摘要 文章以瑞士安伯格TSP203Plus使用情況為例，在隧道超前地質預報應用中，對預報中影響TSP數據質量的常見因素進行分析，并提出了相關解決方法。TSP數據質量的提高，有利于降低數據處理過程中的難度，提高TSP在預報時的準確性，以便更好地指導施工，避免風險地段出現誤報、漏報等情況，減少地質風險對隧道施工安全的影響，保障隧道施工安全。

關鍵詞 TSP；數據質量；因素分析；解決方法

中圖分類號 U452.11文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0070-03

0 引言

近年來隨著公路隧道的快速發展，新修建隧道難度越來越大，地質情況更加復雜，風險程度也越來越高。在這種背景下，建設單位、設計單位對地質預報的要求也隨之變高，長距離預報作為宏觀把控前方地質風險的重要手段，對預報的準確性有了更高要求。TSP（Tunnel Seismic Prediction）作為地震波反射法[1]的一種，實際應用中要求的準確性比較高，但數據采集時會遇到各種影響數據質量的因素，且直接影響數據分析結果的質量，這些因素成為人們在數據采集中勢必要避免和要解決的問題。

1 TSP203Plus測試原理及方法

1.1 測試原理及方法

TSP屬于多波多分量的高分辨率地震反射法。沿著隧道邊墻的巖體引爆少量炸藥，便可產生地震波信號。信號在巖石中以球面波前的形式傳播。當巖石強度（波阻抗）發生變化[2]，如破碎帶或巖層變化，一部分信號發生反射，而其余信號繼續在巖體中傳播。反射信號到達高靈敏度接收器的時間可以測量，通過分析波在巖層中的傳播速度，就可以將反射信號的傳播時間轉換成距離（深度）。因此，根據這些信息，就可以確定巖性不連續的位置、與隧道軸的交角及其到掌子面的距離，從而掌握隧道掌子面前方地質體的性質（軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等）[3]和位置及規模。

1.2 觀測系統設計

TSP觀測系統的設計參數[4-5]及示意圖分別如表1和圖1所示。

2 TSP測試中影響數據質量的常見因素

2.1 炮孔及接收孔的成孔質量差

（1）影響炮孔成孔質量的主要因素是炮孔深度。根據觀測系統設計的炮孔深度為1.5 m，而在實施過程經常出現炮孔深度不足的問題，主要原因有兩點：一是在打孔時未打到要求深度；二是因圍巖差導致塌孔，造成深度不足。深度不足會造成擊震炸藥裝不進或裝不到位，數據將受到聲波和面波噪聲[6]的干擾。炮孔深度不足的地震波信號見圖2所示。

（2）影響接收孔成孔質量的因素主要有接收孔深度不足或不垂直、接收管安裝不到位、地震波呈鋸齒形且能量信號小。接收孔深度不足的地震波和能量信號見圖3所示。

2.2 炮孔注水的封孔效果不好

炮孔注水效果差主要有兩方面原因：一是炮孔傾角未按要求的下傾約15 °～20 °進行打孔；二是初支背后存在空洞或不密實，測試時無法注水封孔。測試也經常存在受隧道現場條件影響而未進行注水封孔，造成擊震能量的損耗。未注水封孔能量效果見圖4所示。

2.3 接收套管的錨固效果不佳

接收套管是特制鋼管用于放置TSP信號接收單元接收返回的地震信號，套管必須固定在接收孔中，并與接收孔錨固牢固。目前主要采用雙組分環氧樹脂或錨固劑進行錨固。影響錨固效果的因素主要有兩方面：一是接收孔內的巖渣未清除干凈，造成錨固效果差；二是接收孔內有積水，造成環氧樹脂或錨固劑凝固時間長或無法凝固影響錨固的牢固性。無錨固或耦合地震波見圖5所示。

2.4 炸藥的用量不合理

受檢測條件和時間的影響，在大多情況下都按經驗使每個炮孔炸藥的用量一樣，或是根據炮孔距接收孔的距離逐漸減少炸藥量進行裝藥。檢測時經常出現藥量過少，能量小、信號差；藥量過大，造成信號振幅太強或溢出，地震波異常；而如果距離檢波器太近，還有可能對檢波器造成損傷。這些都會造成數據效果差、分析難度大、有效數據量少等問題。典型地震波見圖6所示。

3 影響因素的解決方法

3.1 提高成孔質量和保障封孔效果

地質預報人員應在前期實施前，按要求與隧道現場管理人員和技術員進行技術交底，第一次應在現場指導布點的要求及打孔時的注意事項，可以按標準要求用噴漆在邊墻上標出孔的位置，注明孔徑、深度、傾角信息，對不規范的情況及時指導并糾正錯誤，以保證接收孔及炮孔的深度和垂直度、傾角能滿足檢測要求；還應加強溝通和反饋，以避免成孔后質量差或無法使用的情況發生。成孔后應吹孔將巖渣吹出，避免炸藥無法裝到孔底的情況發生；如遇到圍巖很差的情況，應準備孔徑大小的PVC管，成孔后將管插入以避免塌孔后無法裝藥。成孔后應及時開展預報工作。

3.2 提高接收套管錨固效果

提高套管錨固效果，應首先將接收孔按φ42～45 mm孔徑和垂直隧道軸向、上傾約5 °～10 °布置，以保障成孔質量。現場布點時可以將接收孔位置標記出來，注明孔徑、深度、傾角信息，不滿足要求則應重新打孔。必須保證環氧樹脂或錨固劑、套管都能深入孔底。

3.3 合理選擇炸藥的用量

為了獲取較強的信號振幅，必須使用高能的爆炸材料，所使用炸藥的爆炸速度應控制在5 600 m/s以上，隧道開挖使用的乳化炸藥均應滿足要求。在進行數據采集時，炸藥量應結合隧道圍巖的堅硬和破碎程度進行選取。第一次預報應在第一個炮孔進行試炮，以確定炸藥的使用量是否滿足要求，避免用量不合理導致信號振幅不理想而影響數據質量。現場檢測時可以多總結，對炸藥用量的使用可以結合炮孔距離接收孔的遠近進行炸藥量的調整。

4 對TSP接收套管耦合方式的思考

目前接收套管采用環氧樹脂或錨固劑進行錨固，套管為一次性耗材，預報成本高。通過對耦合方式的總結和實驗發現，采用黃油對套管進行耦合，不僅數據質量效果較好，套管也能重復使用，直接降低了預報成本，同時數據質量也有所保障。黃油耦合地震波效果見圖7所示。

5 結論

（1）TSP作為行業內長距離預報認可度最高的設備，做好數據采集、保障數據質量才能有效提高預報的準確性，避免誤報、漏報，從而更好地指導施工，減少或避免重大地質風險對隧道施工安全的影響。

（2）TSP地質預報中采用黃油耦合，不僅效果好，而且可以降低成本，可以在預報中廣泛運用。

參考文獻

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[3]張軍. 新烏鞘嶺隧道超前地質預報圍巖泊松比分析[J]. 工程技術研究， 2023（19）： 202-204.

[4]賈光輝， 管仁杰， 李沼霏. TSP203在隧道超前地質預報中的應用[J]. 北京測繪， 2022（10）： 1307-1310.

[5]李文弟. 影響TSP超前地質預報數據采集質量的因素分析[J]. 江西建材， 2019（2）： 66-67.

[6]譚天元， 王波， 樓加丁， 等. 復雜地質條件隧洞超前地質預報技術[M]. 北京：中國水利水電出版社， 2018.