TSP超前地质预报技术在隧道探测中的应用

李永辉，浦少云，尚本峰

(1.贵州大学 国土资源部喀斯特环境与地质灾害防治重点实验室，贵阳 550025；2.贵州大学 土木工程学院,贵阳 550025)

在隧道建设过程中，由于地质条件复杂，突发事故频发，给隧道施工带来很多困难。采用科学的、先进的隧道超前地质预报方法，有效准确地预测预报隧道开挖工作面前方岩体及其状态，提前预测预报出施工阶段可能遇到的不良或者特殊的地质问题，为前方施工提供相应建议，已经成为当前隧道建设中有待解决的关键技术之一[1]。当前，常见的长距离超前预报技术主要有：以地震波反射为理论基础的 TSP、TPT 法，以电法为理论基础的高密度电法，以地质雷达法以及红外探水法为代表的短距离方法[2]。

TSP超前地质预报技术自20世纪90年代引入我国以来，得到广泛的应用。如孙广忠主持的军都山隧道超前地质预报[3]，李天斌主持预报的鹧鸪山公路隧道[4]等均取得较好的预报效果。本文通过对TSP系统对隧道地质探测的实例分析，验证TSP超前预报系统在隧道施工探测中的实用性和准确性，为隧道安全施工提供保证。

1 TSP地质预报原理及设备系统组成

1.1 基本原理和方法

TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法[5]。地震波在设计的震源点(通常在隧道的左或右边墙，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(图1)。数据通过TSP-win软件处理，便可了解隧道工作面前方不良地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、含水等)和位置及规模。

图1 TSP工作原理图Fig.1 TSP working principle diagram

采集的TSP数据，通过TSP-win软件进行处理。TSP-win软件处理流程包括11个主要步骤，即：数据设置→带通滤波→初值拾取→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[6]。通过速度分析，可以将反射信号的传播时间转换为距离(深度)。处理结果可以用与隧道轴的交角及隧道工作面的距离来确定反射层所对应的地质界面的空间位置，并根据反射波的组合特征及其动力学特征解释地质体的性质。

通过TSPwin软件处理，可以获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等成果，以及反射层在探测范围内的2D或3D空间分布[7]。

1.2 设备系统组成

采用TSP 203超前地质预报系统。系统主要组成：

1) 记录单元：12道，24位A/D转换，采样间隔62.5和125 μs，最大记录长度为1 808.5 ms，动态范围120 dB。

2) 接收器(检波器)：三分量加速度地震检波器，灵敏度为1 000 mV/g±5%，频率范围为0.5～5 000 Hz，共振频率9 000 Hz，横向灵敏度>1%，操作温度0℃～65℃。

3) TSP-win软件：数据采集和处理集于一体。

2 工程实例

2.1 工程地质条件

区域构造线方向与地层总体走向一致，均为北北东向，地层倾向北西，倾角平缓，一般5°～15°。隧道区构造主要受印支运动、燕山运动的影响，形成近东西向的背向斜、断层和北北东向的断层和褶曲构造。

由于隧道施工区域的地质复杂性,查明隧道掌子面前方岩层的裂隙、岩溶、断层等不良地质因素,对隧道进行超前地质预报则显得尤为必要。本次探测接收器位置在DK246+747.5，掌子面位置为DK246+800.4，设计为24炮，2个接收器接收。通过试验，确定单孔采用药量为100～200 g乳化炸药。数据采集时采用X-Y-Z三分量接收，采样间隔62.5 μs，记录长度451.125 ms(7218采样数)。实际激发22炮，数据采集记录均合格，可用于数据处理和解释。

2.2 测线布置

2.2.1 接收器孔

位置：在隧道边墙(面对掌子面)，距离掌子面51.0 m。

数量：1个，隧道右边墙。

直径：φ50 mm/孔深：2.0 m

布置：沿轴径向，用锚固剂固结，向上倾斜5°～10°左右。

高度：离地面1.4 m。

2.2.2 炮 孔

位置：在隧道的右边墙。第一个炮孔离接收器16.0 m。

数量：24个

直径：38 mm/孔深：1.5 m

布置：沿轴径向，向下倾斜10°～20°左右(激发时水封填炮孔)。

高度：离地面约1.4 m。

2.3 测试结果及其分析

TSP探测系统对原始数据采用的处理流程为:原始数据合并，建立观测系统，地震波初至拾取，炮能量平衡，扩散补偿，频率滤波，自动增益控制，波场分离，PS 波分离，速度扫描，偏移成像[8]。处理的最终成果包括 P 波、SH 波、SV 波的时间剖面、深度偏移剖面、提取的反射层(图2)、岩石物理力学参数、各反射层能量大小等，以及反射层在探测范围内的 2D(图3)和 3D 空间分布。

对处理成果的分析，根据以下原则进行：

1) 反射振幅越高，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，也就是刚性岩层；负反射振幅(蓝色)指向软弱岩层。

3) 若S波反射比P波强，则表明岩层饱含水。

4)Vp/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Vp下降，则表明裂隙密度或孔隙度增加。

初步分析结果见表1。

图2 提取的反射层图Fig.2 Reflection layer map

图3 岩石属性图Fig.3 rock property map

序号里 程长度/m探测结果推断1DK246+800.4～DK246+848.047.6该段波速和密度等岩体力学指标基本无变化,推测围岩与掌子面基本一致,节理裂隙较发育,岩体较破碎,其中DK246+817.0～+835段波速与密度略有降低,推测围岩完整性有所变差,强度有所降低,地下水不发育2DK246+848.0～DK246+904.056.0该段反射面较多,波速与密度整体有所降低,推测节理裂隙发育,为裂隙密集带,岩体较破碎～破碎;DK246+862～+872段泊松比变化较大,推测发育裂隙水3DK246+904.0～DK246+924.020.0该段波速、密度整体上升,推测该段围岩节理裂隙较发育,岩体较完整～较破碎,泊松比变化幅度较小,推测地下水不发育4DK246+924～DK246+950.426.4该段波速、密度整体下降,推测该段围岩节理裂隙发育,岩体较破碎～破碎,岩体强度降低,DK246+924附近泊松比变化较大,推测发育裂隙水

2.4 结论与建议

在探测段DK246+800.4～DK246+950.4段范围内，掌子面已开挖揭示围岩为：石灰岩，弱风化，节理裂隙较发育，岩体较破碎，地下水不发育。通过探测，推测DK246+800.4～DK246+848.5段判断围岩级别为Ⅳ级。DK246+848.5～DK246+904段判断围岩级别为Ⅳ～Ⅴ级。DK246+904～DK246+924段判断围岩级别为Ⅲ～Ⅳ级。DK246+924～DK246+950.4段判断围岩级别为Ⅳ级。

施工方案建议：开挖工程中密切关注围岩及地下水情况，每开挖循环应施做加深炮孔探测，结合超前地质预报资料，进一步确定前方围岩及地下水发育情况，确保施工安全。

3 结 语

利用TSP技术在依托隧道工程进行地质超前预测，对安全施工是非常有指导意义的。通过实际开挖情况对比证明TSP超前地质预报技术是比较准确的。TSP技术能较好地对地质情况做定性的判断。从现场施作情况来看，TSP超前地质预报技术具有对施工干扰小，现场要求低，探测距离远，精度高等优点。但目前的TSP探测技术是一门正在发展中的预测方法，它受技术人员的技术水平及现场施作环境影响较大，仍需要在实践中不断改进、提高，以有效地为现场施工及安全提供可靠的依据和保证。