TSP超前地质预报在水工隧洞中的应用

郑 禄

（辽宁省水资源管理集团，辽宁 沈阳 110000）

1 TSP原理

TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点（通常在隧洞的左或右边墙，大约24个炮点）用小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。数据通过TSPwin软件处理，便可了解隧洞工作面前方地质体的性质（软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等）、位置及规模。为下一步的施工提前做好准备，防止隧洞突发性涌水、塌方，保证施工安全，为后期开挖及支护提供详细参数。

2 工作过程

2.1 施工区地质构造说明

辽宁省朝阳市属华北古陆东北部，晚古生代 — 中生代侏罗纪末处于兴蒙复合造山区的前峰带（原内蒙地轴）和前陆盆地（辽西台陷），北临西蒙造山带。中生代白垩纪以来被环太平洋构造带所叠加，区内构造复杂。金岭寺 —羊山盆地为坳陷盆地，堆积了侏罗纪和白垩纪火山 — 沉积地层，晚侏罗纪张家口组比较特殊，堆积于金岭寺 — 羊山盆地隆起带或断裂带上。

开挖掌子面桩号8 + 531.5 m，距河谷地带较近，岩性为侏罗系中统髫髻山组火山角砾熔岩，灰黑色，弱风化，熔结角砾结构，块状构造。拱部岩石点荷载换算成岩石单轴饱和抗压强度为27 MPa，为较软岩，下部岩石点荷载换算成岩石单轴饱和抗压强度为33 MPa，为中硬岩，洞室节理裂隙发育，节理多不为顺洞轴线方向，微张 ～ 张开，泥质充填，节理面平直光滑，岩体破碎 ～ 较破碎，洞室围岩极不稳定，地下水活动状态：线流，围岩类别：Ⅴ类。

2.2 TSP隧洞地震波超前地质预报系统布置

TSP隧洞地震波超前地质预报系统布置主要包括炮孔布置、传感器钻孔布置、测试前准备、实际探测过程中的设备安装和仪器测试操作。

2.2.1 炮孔布置

布置24个炮孔在底板1.0 m以上位置，钻孔呈直线分布，按间距1.5 m、孔深1.4 ～ 1.8 m、孔径38 mm、垂直轴线并向下倾斜0° ～ 15°设置，第一爆破孔距掌子面约43.0 m。

2.2.2 接受器钻孔布置

布置2个接受器钻孔在底板1.0 m以上（左右壁各1个）位置，在距掌子面约63.0 m，距第一爆破孔约20.0 m处，按孔深2.0 m、孔径50 mm、垂直于轴线设置（见图1）。

图1 观测系统示意图

2.3 耗材准备

采用二级岩石乳化炸药需（2 400 ～ 4 000 g），用量根据现场接收信号随时调整，使用普通瞬发电雷管需30枚、引爆电线大约60 m、接收器套管2支。

2.4 数据采集

数据采集过程：①测量接收器钻孔距掌子面距离、深度、倾斜度及距底板高度；②测量第一炮孔距接收器距离及后续炮孔间距；③测量各炮孔的深度、倾斜度及距底板高度；④测量洞室高度；⑤安装接收器；⑥启动记录仪电脑；⑦噪声检测；⑧炮孔装药；⑨地震波测试；⑩测试结束。

3 数据处理与分析

采集的数据采用配套的TSPwin专用软件进行处理。流程为：数据设置→带通滤波→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→Q估计→反射波提取→P、S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。当各步骤完成后，即可看到预报的掌子面前方围岩中二维、三维反射界面的图形。

3.1 设备布置及调试参数

设备布置：①设备类型：TSP203；②掌子面桩号：8 +531.5 m；③输入的参数：Vp/Vs = 1.8；搜索角45°；④炮孔和传感器布置：在隧洞右壁布置24个炮孔，左右壁各布置1个传感器；⑤有效预报距离95 m左右。

3.2 地质解译距离

本次TSP超前地质预报实测地点是主洞上游，掌子面桩号8 + 531.5 m，接收器位于8 + 594.5 m，24个炮孔分布在8 + 574.4 ～ 8 + 539.9 m离底板大约1.0 m处。考虑到预报精度，本次TSP预报有效解译范围为掌子面前方95.0 m左右。

3.3 地质解译原则

通过分析反射波速度，即可进行时深转换，由隧洞轴的交角及洞面的距离来确定反射层所对应界面的空间位置和规模，再结合P波和S波的动力学特征，遵循以下原则来推断地质体的性质：

（1）反射振幅越强，反射系数和波阻抗的差别越大；

（2）正反射振幅（红色）表明正的反射系数，表明刚性岩层；负反射振幅（兰色）表明负的反射系数，表明软弱岩层；

（3）若横波（S波）反射比纵波（P波）强，则表明岩层含水；

（4）纵波速度（Vp）/横波速度（Vs）较大的增加或泊松比δ突然增大，常常因流体的存在而引起；

（5）若纵波速度（Vp）下降，则表明裂隙密度或孔隙度增加。

3.4 地质预报结果

利用TSP203系统对隧洞进行超前地质预报，测试后得到的岩石力学性质曲线、深度偏移影象图（见图2 ～ 3）。根据TSP岩石力学性质曲线、深度偏移影象图进行解译，得到地质预报结果并与实际开挖情况进行对比（见表1）。

图2 R1 P波深度偏移剖面

图3 R2 P波深度偏移剖面

表1 超前地质预报成果与实际开挖情况对比表

续表1

4 结 语

通过本工程TSP超前地质预报结果与实际开挖情况的对比发现，TSP法对于水工隧洞施工中经常遇到的工程地质问题，断层、节理构造、岩溶等具有良好的预报效果，能够有效地防止隧洞施工过程中突发性涌水、塌方，提高施工效率，确保施工安全。但是TSP超前地质预报系统对围岩类别的预报是近似的而不是精确的，隧洞施工环境、放炮质量等因素对其有一定影响。因此，在使用过程中，严格控制隧洞施工环境和放炮的用药量，确保超前地质预报准确度。

参考文献：

[1] 肖柏勋，蔡加兴.水利水电工程物探规程：SL326 — 2005[S].北京：中国水利水电出版社，2005.

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