TSP技术在软弱破碎隧道超前预报中的应用研究

赵轶凡 刘 闯 邹锦洲 宋文超

(华中科技大学土木工程与力学学院 武汉 430074)

弹性波反射法(tunnel seismic prediction,TSP)方法是目前隧道施工地质预报中先进的地球物理方法，不仅能够探测工作面前方岩层、岩溶、断层或破碎带变化的空间信息，确定含水层的位置，还能提供工作面前方岩层的力学参数[1]。运用地质超前预报，可以知道当地的地质状况，如掌子面前方工程地质状况及围岩等级，然后通过合理的判断，为施工方提供施工依据，改进施工方案，同时也可对隧道突水、突气、突泥等工程灾害采取预先措施[2]。

1 TSP隧道施工地质超前预报技术

TSP系统由瑞士安伯格(Amberg)技术公司研发，已经在隧道施工中得到了广泛的运用，其探测范围可达数百米，能够快速地对隧道开挖的周围地区进行三维空间的工程地质超前预报， 为隧道施工的安全高效提供决策依据[3]。

1.1 TSP原理

TSP法是一种多波多分量高分辨率地震反射法。地震波一般是通过对小量炸药在预先设定的震源点(一般在隧道的一侧边侧墙，炮点数量约为24个)激发生成。当地震波在传播的过程中遇到岩石波界面的阻抗差异(如断层、破碎带和岩性的变化等导致阻抗差异) 时，一些地震信号会被反射回去，而另外一些透射进入前方介质中。被介质反射的地震信号(图1)可通过高灵敏度的地震传感器接收到。对于接受到的数据，可以利用TSPwin软件处理，从而分析前方地质体的性质、所处方位及规模大小[4]。

图1 TSP探测原理

TSP数据的处理是通过专门搭配的TSPwin软件实施的。该软件处理数据时主要包含11个步骤，即频谱分析、带通滤波、能量均衡、纵横波分离、速度分析、偏移归位、反射层提取等。其提供的结果为地震反射层的2D和3D空间分布，并且还能够反映出与其相应的岩体力学参数。可据此结果先对反射波组合情况及其他特性进行分析，再结合岩石物理力学性质解读并推测地质体情况。

1.2 TSP地质超前预报技术的优势

在隧道挖掘过程中，岩层条件和地质危险带存在许多隐藏的危险。 若是对有概率出现危险的地段如岩石的非均质条件、断层或破碎带、岩溶、含水地层缺少预报，则在施工过程中会出现隧道塌方、涌水等事故。

有效的预报系统可超前探测出隧道工作面周围的三维空间图，合理预判到开挖面前的不良地质体，以合理规避可能出现的地质危害。

在隧道的施工过程中，使用TSP技术进行超前预报，能够在施工中同步反馈施工下一阶段的地质状况，以合理规避可能出现的危险带，提供足够的时间来完善施工计划。在当前的施工阶段就能对下一步的施工做出预判，如支撑隧道的岩石是否足够牢固可靠，是否能让开挖设备不停止的连续施工，以最大幅度的缩短工期，节省工程费用[5-6]。

1.3 TSPwin处理系统的优点

TSPwin是一款久经考验的智能化软件，具有简单、易用的系统界面；根据工程地质自适应的参数计算，智能化地质预报，多维度力学参数计算，快速生成评估结果等功能。

TSPwin的优点主要有：预报范围从100 m到1 000 m；无须利用开挖面；TBM施工及钻爆法等常规开挖的场景下均可运用；操作简单，对施工过程无妨碍；数据收集、处理速度快，可在施工现场的评估中运用；能判定各种不良地质体(如岩溶、破碎带、含水带等)性质及空间位置；30 min即可作好准备工作；测量时间小于90 min；同其他预报方法相比，成本低廉。

2 实例应用分析

2.1 工程背景

以某软弱破碎隧道TSP实际应用为例，具体分析研究TSP方法的运用及存在问题和提高措施。该隧道以近乎平行的方式穿越以桂头群为主的背斜山。从野外地质调查、钻探及物探资料的结果来看，残坡积含碎石粉质黏土、碎石土是隧址区内主要的覆盖土层，并且沿山坡和山间谷的坡地分布，具有厚度小的特征；下伏基岩主要为泥盆系中下统桂头群(D1-2gtb)砂砾岩、砂岩、粉砂岩等。隧道轴线通过泥盆系中下统桂头群砂砾岩、砂岩、粉砂岩等为主组成背斜北翼，顶部粉砂岩组合，两侧岩层倾向相反，分别形成南北两翼。隧道地段地表水体较发育，地下水主要有第四系孔隙潜水、基岩裂隙水等几种类型。

2.2 TSP现场测试

本次预测的24个炮点布置在隧道右边的墙体上，呈一字排开，每一个炮点相隔1.5 m，孔深1.5 m，孔径42 mm；接收器的孔径50 mm，第1个炮点设置在离接收器20 m处的位置。

先打好孔，将接收器套管放置进去。在此过程中必须将套管和围岩牢牢地耦合在一起。将接收器对好方向置于套管内，接受信号线的两端分别与接收器和记录单元相连。

炸药包(药量为75 g)的制作采用乳化炸药和瞬发电雷管，通过木制炮棍固定安放炸药包，起爆线两端与接雷管角线和接触发盒分别相连。在引爆炸药之前，需要引水填充炮孔，从而将炮口封住。见图2。

图2 TSP系统装配图

数据采集通过连续激发24炮得到，本次预测中，采样率为62.5 μs，共得到7 218个样点，在X-Y-Z三个分量接收。

2.3 TSP应用数据分析

综合物探、钻探资料及地调成果，出口左线ZK16+572-ZK16+422围岩主要由微风化花岗岩、辉长岩、断层角砾岩组成，岩体较为破碎。出口右线K16+649-K16+499围岩主要由微风化花岗岩、辉长岩组成，岩质较硬～坚硬，为断层影响带，节理裂隙发育，岩体较破碎为主，局部较完整，两段均处于富水带。

通过对掌子面的观察，发现ZK16+572桩号岩性为微风化花岗岩，结合较好，岩石完整性较好，节理裂隙发育，裂隙水丰富，自稳能力一般。K16+649桩号掌子面岩体为微风化花岗岩，结合较好，岩石完整性好，节理裂隙发育，岩体较破碎，自稳能力较差，有渗滴水情况。

故对出口左线ZK16+572-ZK16+422及出口右线K16+649-K16+499两段进行TSP超前预报。左线ZK16+572-K16+422 P波原始记录如图3所示，P波深度偏移如图4所示，2D反射面如图5所示。从TSP得到的反射面图中可知，预报阶段的反射面较为稀疏。围岩纵横波速度略有起伏，推断预报岩体较掌子面围岩情况改变不大，节理裂隙发育，岩体较破碎，局部裂隙水发育[7-8]。

图3 ZK16+572-ZK16+422 P波原始记录图

图4 ZK16+572-ZK16+422 P波深度偏移图

图5 ZK16+572-ZK16+422 2D反射面图

预报范围为ZK16+572-ZK16+490内，根据隧道所处区域地质背景及TSP探测的成果，推断ZK16+572-ZK16+422段工程地质情况如下。

1) ZK16+572-ZK16+490，长82 m。纵横波速度稍有降低，局部稍有起伏，推断该段围岩强度略有起伏，岩体较破碎，节理裂隙较发育，裂隙水丰富，自稳较差，易坍塌掉块。并且，整体的纵波速度为3.7 km/s，综合预判后，可以认定围岩等级是IV级偏弱。

2) ZK16+490-ZK16+422，长68 m。纵、横波速度较平直，速度变化不明显，推断该段围岩较掌子面变化不大，受构造影响，围岩较破碎，节理裂隙发育，局部强度不均匀，自稳略差。整体纵波速度3.7 km/s，综合预判后，可以认定围岩等级是IV级。

右线K16+649-K16+499 P波原始记录如图6所示，P波深度偏移如图7所示，2D反射面图如图8所示。从TSP反射面图可知，反射面较稀疏。围岩纵横波速度无明显变化，推断围岩整体较破碎，节理裂隙发育，局部裂隙水较发育。

图6 K16+649-K16+499 P波原始记录图

图7 K16+649-K16+499 P波深度偏移图

图8 K16+649-K16+499 2D反射面图

在预报阶段K16+649-K16+499的范围内，根据隧道所处区域地质背景及TSP探测成果，推断K16+649-K16+499段围岩工程地质水文地质条件分述如下。

1) K16+649-K16+589，长60 m。纵、横波速略有下降，岩体较破碎，节理裂隙发育，局部裂隙水较发育,预报段整体纵波速度3.7 km/s，综合预判之后，可以认为围岩的等级为IV级偏弱。

2) K16+589-K16+558，长31 m。纵、横波速度略有起伏，推断预报段段围岩较掌子面变化不大，预报段整体纵波速度3.8 km/s，综合预判之后，可以认定围岩等级是IV级。

3) K16+558-K16+499，长59 m。纵、横波速略有下降，岩体较破碎，节理裂隙发育，裂隙水发育，预报段整体纵波速度3.7 km/s，综合预判之后，可以认定围岩等级是IV级偏弱。

综合TSP预报结果和掌子面地质观察，初步判断左线ZK16+572-ZK16+422段和右线K16+649-K16+499段为F3断层破碎带的影响范围，围岩等级是IV级，实际开挖结果证实了F3断层通过预报洞段。该洞段围岩为微风化花岗岩，节理裂隙较发育，局部裂隙水发育，稳定性较差，围岩级别为IV级，与预测结果基本一致。

3 TSP预报精度提高措施

针对在实际操作中可能导致TSP预报结果不准确的因素，需采取必要的手段来加以改善。

1) 预报前资料准备和收集需充分。在预报前，需对现场的地质、水文资料进行收集，在进场后，需对已开挖段及掌子面的围岩情况进行详细记录，掌握第一手资料。

2) 确保收集的原始数据的质量。对于未按规范布置的观测系统，如炮孔和接收孔的深度不合规范，炮间距或偏移距未达到预报要求等，应依照隧道施工情况及规范要求，使炮间距、偏移距、炮孔和接收孔深度、角度等合乎要求，并尽可能处在同一水平面上，使接收孔和炮孔布设合理，并应在预报前进行复测。

由于TSP处理系统的三分量高灵敏度传感器是安装在一根与岩体耦合的长2 m的金属管套上的，而地震波的能量在传播中会逐渐减弱，到达传感器时一般都很微弱，假若接受套管未耦合好，能量就会损失；炸药量的不准确及装填炸药的不合理也会导致能量的不同，装量过小会导致信号弱，影响探测深度和精度，装量过大会导致能量超出上限，出现信号过载和失真；现场大量的噪声干扰，如机械振动、爆破的声波干扰，也会影响数据的有效性和可靠度，影响预报效果。因此安置接受管套的空洞尺寸要满足要求，可用软布或海绵进行包裹以减轻自振，必须确保完全耦合；装设炸药时要注意围岩情况，装药量要根据围岩情况及预期预报深度等确定，在条件允许的情况下可进行试爆，装填时要使炸药和炮孔接触紧密，并且要向孔内注锚固剂或水以使炸药与围岩足够耦合；在采集过程中应停止隧道内施工设备，无关人员离场，从而尽可能地排除采集过程中的干扰，同时也可通过将炮孔泥封或设立屏障的方法进一步避免声波的干扰。

3) 提高数据处理效果。软件参数等应尽可能正确设置，以免处理资料时盲目遵从软件信息，导致结果与实际存在较大差距，甚至会忽视异常点或增加虚假异常，影响了真实性和有效性。

同时，解译资料过程中需要将每个图结合起来，过分注意2D反射面图而忽视速度图和其他相应的物性参数会影响预报效果。预报人员知识储备、对隧道基本地质和水文情况了解的不足，相应的物探和地质知识的缺乏，各类地质模型的分布发育规律的不熟悉等等，都会影响结果的准确性和真实性。

由于存在的干扰较多，在处理的过程中要通过选取合理的参数来剔除干扰，可以通过多次尝试处理，综合分析确定。对资料的解译要科学客观，要根据开挖的围岩情况，合理确定预报的范围，在充分了解基本情况，熟悉不良地质发育分布规律的前提下进行解译，条件允许应进行多种物探手段进行补测和验证。

4 结语

1) 本文基于实际的工程项目，将掌子面地质资料和TSP超前地质预报资料结合考虑，有效地预报了掌子面前方的岩体情况、围岩等级和地下水状况。将探测结果与实际开挖中显示的实际围岩情况进行对比验证，表明TSP技术对隧道超前预报具有较好的实用性和准确性。

2) 在测试时，预报人员要对现场的地质、水文资料进行收集，应深入现场，认真观察，记录已开挖段及掌子面的围岩情况，同时严格按照规范布置系统，控制爆破质量，按规范要求进行采集数据，确保采集到的数据有效可靠。

3) 预报人员需对隧道基本地质和水文情况有充分了解，具备相应的物探和地质知识，熟悉各种地质模型的分布、隧道施工及不良地质体发育分布规律。处理数据时，要合理设置处理参数，多次处理对比分析，提高处理水平。解译数据过程中，要将每个图联系起来，充分考虑掌子面开挖情况及勘察设计资料，以便综合分析准确判断。

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