TSP探测技术在引汉济渭工程秦岭隧洞S段上游突发涌水事故中的应用

王宗旭

(铁道第一勘察设计院陕勘公司，陕西宝鸡 721000)

引汉济渭工程秦岭隧洞S段上游工作面突发涌水，涌水将工作面约80 cm厚围岩击穿，喷射距离接近4 m，经测量涌水量约6 000～7 200 m3/d。很短时间里主隧洞开挖段700余米全部被淹，水深超过3 m。施工方及设计方迫切需要查清此次突发涌水的原因，以便采取应对措施。为此，在该隧洞中使用了瑞士安伯格技术公司的TSP探测技术［1-2］，取得了良好的效果。

1 工程地质及水文地质概况

秦岭隧洞S段位于秦岭中低山区，地形起伏，主洞洞室最大埋深约1 000 m。工程范围内主要涉及岩性为石英岩及片麻岩、花岗岩，岩石呈微风化—未风化，以Ⅲ类、Ⅱ类围岩为主，受地质构造影响较严重，节理裂隙较发育，片理、片麻理较发育，岩体完整性较差—较完整。

地下水为基岩裂隙水，水量较丰富，受大气降水补给，水质良好，对混凝土无侵蚀性，属于地下水弱富水区。无区域性断裂通过，片麻岩、石英岩、花岗岩多为中厚层状或巨块状，岩质坚硬而脆。原生层理、浅层风化节理、裂隙较发育，构造节理、裂隙较发育—发育，以密闭—微张为主。地下水主要储存于层理、风化及构造节理裂隙中，泉水不发育。

本次涌水工作面处揭露岩性为下元古界长角坝岩群黑龙潭岩组石英岩，岩石呈微风化-未风化，受构造影响较重，节理裂隙发育，局部较破碎，属于Ⅲ类围岩，施工中工作面中央突然发生涌水。

2 TSP探测技术原理

TSP探测技术属地震反射波法超前探测技术［3］，其原理如图1，地震波在指定的震源点(通常在隧道的左边墙或右边墙，大约24个炮点布成一条直线)用小量炸药激发产生，产生的地震波在岩石中以球面波的形式向前传播，当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗界面，例如断层、岩石破碎带、岩性突变等)时，一部分地震信号反射回来，一部分地震信号透射进入前方介质，反射的地震信号被两个三维高灵敏度的地震检波器(左边墙、右边墙各一个)接收。通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析，便可推断断层及岩石破碎带等不良地质体的位置、规模、产状和岩土力学参数。

图1 TSP探测技术原理

3 探测结果分析

测线位于隧洞左边墙，采用激发孔24个，孔深1.5 m，孔间距1.5 m;接收孔2个，孔深1.9 m，对称分布隧洞左右边墙。由于本次涌水较大，无法接近工作面，接收孔距工作面79 m，距离第一个激发孔19 m，第24个激发孔距离工作面28 m。激发孔与接收孔处于同一高度。测试时逐个引爆激发孔中炸药(20～50 g)，2个检波器同时接收。

在经过TSP系统自带的分析处理软件TSPWIN PLUS2.1处理后，得到2维深度偏移成像(图2)、2维岩石特性曲线与反射层显示(图3)等图件。

图2 2维深度偏移成像

图2显示在70～85 m段存在较多反射界面且以负反射居多，图3显示在工作面前方25767～25761段物性参数波动较大、泊松比呈变大趋势、横波速度呈变小趋势，反映该段岩体物性极不均，裂隙发育，岩体破碎，岩体富水。25744～25737段亦有这种情况。其余段只有局部有反射界面，预示围岩完整性较好。

该段无区域性断裂通过，此次涌水应以节理、裂隙密集带形成的基岩裂隙水为主。25767～25761段约6m岩体因受区域构造挤压作用形成大量节理、裂隙，可能存在微型褶皱，岩体破碎，岩层富水。25744～25737段约7 m岩体破碎，岩层富水。这两段无明显水力联系。25767～25761段是造成本次涌水的主要原因，建议施工中加大排水措施进行短进尺、强支护爆破施工。

在后续施工中，开挖揭示25767～25762段石英岩岩体破碎、裂隙极发育，裂隙多以张裂隙为主，裂隙最宽约7 cm，该段是此次涌水的主要原因。施工通过这一地段后，隧洞开挖顺利，此段出水量逐渐变小趋于稳定。开挖结果与预测结果较符。

图3 2维岩石特性曲线与反射层显示

4 TSP探测技术存在的几个问题

TSP探测技术在该次涌水事故处理中准确高效地判断出涌水原因，为指导施工提供了有力的依据。但笔者在多次TSP探测中发现该技术存在以下问题:

①处理参数稍有变化，结果差异可能很大。这就要求解译人员有丰富的实践经验，合理使用处理参数(如滤波窗口、速度拾取、Q滤波等)，紧密结合实际地质情况，合理分析，大胆预测。笔者在研究了地震负视速度法［4］后，认为将地震负视速度法与TSP处理方法结合，结果直观准确，可显著提高解译准确度。

②计算所得物性参数不具有实际意义。在对比了多次探测结果后，发现TSP处理所得物性参数大多不符合实际地质体情况，具体表现在波速、泊松比等参数与经验值差异较大。这些物性参数直接用于围岩分类、设计变动等无疑是不合理的。但不能否认的一点是:用这些参数形成的成果图进行相对分析，基本可以较准确地判断出围岩的大致地质情况。

③TSP探测技术的常见观测系统为“一侧激发——两侧接受”，但实践中发现，激发孔同侧接收器采集的信号处理后所得结果与另外一侧接收器采集的信号处理后所得结果往往有一定差距，而往往前者是与实际开挖情况比较相符的。这一方面可能是隧道两侧地质情况不是完全一致的，另外一方面，笔者认为造成这种现象的原因是TSP探测技术过于简单的观测方式。它采用一维观测方式，注定无法获取3维地质信息，软件处理获取的3维成果也不合理，这是该技术的“软肋”，使用两个检波器基本上无必要。对于地质情况简单的隧道，建议使用一个接收器，采取“一侧边墙放炮——一个接收器接收”;而对于地质情况较复杂(岩溶、采空等)的隧道，建议采用“两侧边墙都放炮——两个接收器接收”的观测方式。

④提高隧道施工期地质超前预报的准确率，是隧道施工期地质超前预报工作者的愿望和努力的方向，也是隧道工程建设对隧道施工期地质超前预报提出的要求。应该指出的是，对隧道地质超前预报准确率应有一个正确的理解。影响隧道施工期地质超前预报准确率的因素众多，一方面是从业人员知识面的问题，另一方面则是严密的理论应用于极为复杂的地质体所造成［5］。

培养具有扎实地质基础理论知识、地质工作经验又能熟练掌握地球物理探测手段的隧道施工期地质超前预报人员乃当务之急，地质学家与地球物理学家的联合在当前条件下亦不失为解决间题的捷径［5］。

［1］ 赵永贵，刘浩，孙宇，等．隧道地质超前预报研究进展［J］．地球物理学进展，2003，18:460-464

［2］ 赵永贵．隧道地质超前预报研究进展［J］．地球物理学进展，2003，18

［3］ 周绪文．反射波地震勘探方法［M］．北京:石油工业出版社，1981

［4］ 曾昭璜．隧道地震反射法超前预报［J］．地球物理学报，1994(2)

［5］ 何发亮，李苍松，陈成宗．隧道地质超前预报［M］．成都:西南交通大学出版社，2006