TSP24地质超前预报在隧道中的应用

2014-11-24李志刚

水科学与工程技术 2014年5期

汤博，李志刚

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

1 基本原理

TSP24地质超前预报探测系统作为无碳方法的一种，其基本原理是利用地震波的反射，人工形成一系列有规则排列的轻微震源，通过微量炸药形成的震源发出的地震声波能够沿着隧道的前方及洞身四周传播。当遇到某些不良地质体（节理面、裂隙面、富水性岩层，特别是断层破碎带界面等波阻抗界面）时，产生反射地震波信号，其准确预报范围为掌子面前方100～150m。这些反射波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向是与相应的不良地质体的性质和分布状况紧密相关的，由三分量地震波接收器采集反射的地震波，通过分析可以得出前方地层的地质力学参数。

TSP24 是一种专门为隧道超前预报而设计的检测系统，其在应用中需要充分考虑岩层的地质边界条件。当被探测岩层存在能够使地震波反射的界面，而且这个界面的法线与隧道轴线的夹角越小效果越好；探测富水性岩层时，需要含水岩层具有一定的延伸形成界面，才能达到最好的探测效果；另外探测效果还与溶槽洞穴的发育状态及走向有关。

TSP24探测的分辨率与探测深度成反比，与探测不良地质体的体积成正比，物探称之为洞径比，即探测深度与被探测物的直径之比，一般洞径比大于20时分辨率会严重降低，最终影响判释结果的准确性。

2 现场布置及成果解释

2.1 测线测点布置

在隧道掘进方向左边墙的同一水平线上从外向里布置1个传感器接收钻孔和24个炮孔，传感器接收钻孔距第1个炮孔20m，炮孔间距1.5m，炮孔高度1.0m，最后1个炮孔距掌子面8m，接收孔、炮孔深度均为2m，如图1。

图1 TSP24 测线布置示意图

2.2 资料分析

在资料整理分析中，主要用P 波剖面资料对岩层进行划分，并结合S 波资料对地质现象进行比对分析解释，并遵循以下准则：

（1）正反射振幅表明硬岩层，负反射振幅表明软岩层；

（2）若S 波反射较P 波强，则表明岩层饱含水；

（3）Vp/Vs增加或δ 突然增大，则是由于裂隙水的存在而引起；

（4）若Vp下降，则表明岩层的裂隙或孔隙度增加。

误差分析：在TSP 记录到地震波信号时，由于地震波速的离散性较大，在后续进行的数据处理时需要取震源的波速平均值，并进行强制校正；当出现两个地震反射面的间距小于1m 时，则需要合并为一个界面，并且要控制预报误差在预报范围的5%以内。

3 工程实例

3.1 大庙隧道工程概况

大庙隧道位于承德市围场县与隆化县交界的位置，起始位置位于茅荆坝乡，尾端位于兰旗卡伦乡，属于大广高速承赤段，隧道为西北-东南走向，两条分离式单行曲线隧道，洞身宽10.25m，洞高5.0m，隧道左线起始里程桩号ZK4 ＋565 ～ZK10 ＋200，长5635m，隧道右线起始里程桩号YK4＋555～YK10＋200，长5645m，属特长隧道。

隧道以北临近内蒙高原，受高压控制影响较大，属大陆性季风气候，春秋干旱多风，冬季干寒漫长，夏季短促，雨量充沛，昼夜温差悬殊。经地表踏勘及钻探，隧道区域内未发现地下水。隧道区属中山区，地形较简单，洞口两侧为坡积地，沟壑较发育，洞口两侧坡度较缓，为5°～15°。山体呈西北-东南走向，最高海拔1140m，最低海拔790m，相对高差344.2m。

隧道区地层主要为第四系全新统洪坡积（Q4p1＋d1）碎石、角砾土，白垩系大北沟组（K1d）凝灰岩、火山角砾岩。

在探测段ZK9+493～ZK9+353 范围内，掌子面前方为弱风化围岩，与隧道开挖段相同，风化比较均匀，岩体较完整，局部存在较大裂隙，此段围岩级别为Ⅲ级。

3.2 测量资料处理

通过TSP24 地震波法隧道地质超前探测数据处理系统软件进行处理，获得P 波、SH 波、SV 波的时间剖面、深度偏移剖面和反射层提取及岩石物性参数等一系列结果。

利用TSP24 地震波法隧道地质超前探测数据处理系统软件可得P 波和S 波波场分布规律，通过建立观测系统→初至拾取→炮能量均衡→扩散补偿→频率滤波→自动增益控制→波场分离→P、S 波分离→速度扫描→深度偏移成像→地质解释等11 步分析处理过程，最终显示掌子面前方与隧道轴线相交的反射同相轴及地质解译的二维成果如图2～图3。