TSP在某隧道超前地质预报中的应用

张世杰

(中铁工程设计咨询集团有限公司, 北京 100055)

1 简介

TSP由瑞士Amberg测量技术公司研发,该测量系统利用地震波在不均匀的地质构造中产生的反射波特性来准确预报隧道施工前方几百米范围内地质条件和岩石特性变化,一切工作均在工作面后方和毛洞中进行,不会影响连续施工的进程,仅在采集数据时为降低环境噪声对结果分析产生的负面影响,需要暂停工作半小时左右。这是一种测试面与探测面互为垂直的观测系统。

2 TSP探测原理

该系统建立在对反射地震波信号的接受和处理的物探基础上,它的基本原理是利用震动波的反射在隧道的边墙上布置一定数量的炮孔,通过小药量爆炸时激发产生的地震波。地震波在周围岩石以球面波的形式传播,地震波遇到波阻抗异界面(即波速产生变化的界面),有一部分信号会产生反射,反射信号将被高灵敏度的三分量加速地震检波器所接受并记录下来(如图1所示)。

图1 TSP203原理

2.1 理论基础

在爆炸过程中,地震波以直达波和反射波两种形式传到传感器,该系统由测得从震源直达波传播到传感器的时间换算成地震波的波速。

在已知地震波波速的条件下,可以通过测出反射波传播时间推出反射面与接受气的距离,及与隧道断面的距离。有

式中T2——反射波的传播时间；

X2——震源与反射界面的距离；

X3——传感器与反射界面的距离。

地震波反射的振幅与反射界面的发射系数有关。一般情况下,当简谐波垂直入射到平面发射街面上,其上的反射波振幅和直达波振幅分别为

式中R——反射系数；

Ar——反射波振幅；

Ad——直达波振幅；

ρ1,ρ2——反射界面两侧介质的密度；

Vp1,Vp2——反射界面两侧介质的速度。

当直达波振幅Ad一定时,反射波振幅Ar与反射系数R成正比。而波阻抗越大,反射波振幅就越大。当介质Ⅱ的波阻抗大于介质Ⅰ的波阻抗,即地震波从较疏松介质传播到致密介质时,反射系数R>0,此时反射波振幅与入射波振幅同号；反之,如果波从致密介质传播到较疏松介质时,反射系数R<0,反射波与入射波之间存在180°的相位差。

2.2 TSP处理成果的解释,遵循下述原则

①正反射振幅表明硬岩层,负反射振幅表明是软岩层；

②若S波反射较P波强,则表明岩层饱含水；

③若Vp/Vs增加或泊松比突然增加,表明有流体存在；

④若Vp下降,则表明裂隙或孔隙度增加。

3 TSP的优缺点比较

3.1 优点

①预报距离长。一般能预报工作面前方100～350 m范围内的地质状况,围岩越稳定预报的距离越长。地质雷达通常小于30 m,冲击钻机和地质钻机通常也在50 m内。

②能适用于极软岩至极硬岩的任何地质状况。

③在精度范围内,TSP能测出工作面前方内的断层带,含水层的空间位置,而地质雷达和冲击钻机均无此功能,不能给出断层带、含水层的三维分布信息。

④能及时对现场数据进行分析,节省了时间,能自动绘出波速有差异的地质界面相对隧道轴线的地质平面图和纵断面图。

3.2 缺点

①TSP探测出岩性变化的软弱面或水层的位置有一定的差异。

②TSP在探测有害气体、含水层地下水压力及流量等方面显得力不从心。

③在溶洞的探测上,由于喀斯特溶洞大小不定,形态各异,几何形状变化较大,有些溶洞有可能探测不到,会造成危险地质情况的忽略。

4 应用实例及结果分析

该隧道及两岸接线工程全长8.695 km,其中隧道长5.948 km,两岸接线长2.747 km。

图2 2D成果显示

本标段陆域为风化剥蚀型微丘地貌,两岸地势开阔平坦,主要为残丘—红土台地,丘顶高程20～35 m,丘体多呈椭圆体,坡度和缓。丘间洼地高程一般5～15 m,沟、塘较多。海岸带为海蚀海岸及堆积海滩地貌,岸线曲折,岸坡以土质陡坎为主,坎高7～20 m,部分地段坎底基岩裸露,多为侵蚀海岸,海滩多礁石。五通侧海域水下岸坡稍陡,一般水深20 m,最深处25 m,海底起伏,多有礁石分布。

根据地质调绘和钻探揭示,本标段地层主要为第四系覆盖层及燕山期侵入岩两大类。第四系地层以侵入岩残积土为主,其次为上更新统冲洪积、以白色基调为主的黏性土(当地称白土)和黏土质砂为主间有少量全新世冲坡积或海积砂土、黏性土、淤泥等。

基岩以燕山早期第二次侵入的花岗闪长岩及中粗粒黑云母花岗岩为主,其内穿插二长岩、闪长玢岩、辉绿岩(玢岩)等岩脉,岩脉以辉绿岩最为多见,多沿本标段最为发育的近南北向及北北东向高角度裂隙侵入,脉宽一般不足1 m,个别部位宽达10～20 m；二长岩脉多分布于断层F1和F4深槽。基岩按风化程度可分为全、强、弱、微四个风化带。

在探测段NK6+778～NK6+908范围内,工作面前方为全强风化的围岩,与目前隧道已开挖段相同,风化不均匀,风化界线起伏较大,局部存在大孤石，此段围岩级别为Ⅴ级。其中NK6+808～NK6+855段风化基岩裂隙水较发育,为弱含水层,岩体湿润局部有少量渗水。整段围岩级别为Ⅴ级。

该探测的情况与实际开挖情况基本一致。特别是根据深度偏移剖面的特征及提取的相应反射层的资料,准确的解释和预报了该段所存在的地质情况(如图2所示)。

5 结束语

使用该系统能及时了解和掌握工作面前方的地质情况,为隧道施工及时调整支护参数提供理论依据,可有效控制地质灾害的发生。但是,任何事物都应一分为二的看待,TSP同样也有缺陷,对于某些地质信息反映不出。所以在使用过程中应结合多方面的信息，采用多种方法进行地质预报,将风险减到最小。

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