TSP203Plus数据质量影响因素分析与解决方法

郑小洋　吉锐　罗雪涛

摘要 文章以瑞士安伯格TSP203Plus使用情况为例，在隧道超前地质预报应用中，对预报中影响TSP数据质量的常见因素进行分析，并提出了相关解决方法。TSP数据质量的提高，有利于降低数据处理过程中的难度，提高TSP在预报时的准确性，以便更好地指导施工，避免风险地段出现误报、漏报等情况，减少地质风险对隧道施工安全的影响，保障隧道施工安全。

关键词 TSP；数据质量；因素分析；解决方法

中图分类号 U452.11文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0070-03

0 引言

近年来随着公路隧道的快速发展，新修建隧道难度越来越大，地质情况更加复杂，风险程度也越来越高。在这种背景下，建设单位、设计单位对地质预报的要求也随之变高，长距离预报作为宏观把控前方地质风险的重要手段，对预报的准确性有了更高要求。TSP（Tunnel Seismic Prediction）作为地震波反射法[1]的一种，实际应用中要求的准确性比较高，但数据采集时会遇到各种影响数据质量的因素，且直接影响数据分析结果的质量，这些因素成为人们在数据采集中势必要避免和要解决的问题。

1 TSP203Plus测试原理及方法

1.1 测试原理及方法

TSP属于多波多分量的高分辨率地震反射法。沿着隧道边墙的岩体引爆少量炸药，便可产生地震波信号。信号在岩石中以球面波前的形式传播。当岩石强度（波阻抗）发生变化[2]，如破碎带或岩层变化，一部分信号发生反射，而其余信号继续在岩体中传播。反射信号到达高灵敏度接收器的时间可以测量，通过分析波在岩层中的传播速度，就可以将反射信号的传播时间转换成距离（深度）。因此，根据这些信息，就可以确定岩性不连续的位置、与隧道轴的交角及其到掌子面的距离，从而掌握隧道掌子面前方地质体的性质（软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等）[3]和位置及规模。

1.2 观测系统设计

TSP观测系统的设计参数[4-5]及示意图分别如表1和图1所示。

2 TSP测试中影响数据质量的常见因素

2.1 炮孔及接收孔的成孔质量差

（1）影响炮孔成孔质量的主要因素是炮孔深度。根据观测系统设计的炮孔深度为1.5 m，而在实施过程经常出现炮孔深度不足的问题，主要原因有两点：一是在打孔时未打到要求深度；二是因围岩差导致塌孔，造成深度不足。深度不足会造成击震炸药装不进或装不到位，数据将受到声波和面波噪声[6]的干扰。炮孔深度不足的地震波信号见图2所示。

（2）影响接收孔成孔质量的因素主要有接收孔深度不足或不垂直、接收管安装不到位、地震波呈锯齿形且能量信号小。接收孔深度不足的地震波和能量信号见图3所示。

2.2 炮孔注水的封孔效果不好

炮孔注水效果差主要有两方面原因：一是炮孔倾角未按要求的下倾约15 °～20 °进行打孔；二是初支背后存在空洞或不密实，测试时无法注水封孔。测试也经常存在受隧道现场条件影响而未进行注水封孔，造成击震能量的损耗。未注水封孔能量效果见图4所示。

2.3 接收套管的锚固效果不佳

接收套管是特制钢管用于放置TSP信号接收单元接收返回的地震信号，套管必须固定在接收孔中，并与接收孔锚固牢固。目前主要采用双组分环氧树脂或锚固剂进行锚固。影响锚固效果的因素主要有两方面：一是接收孔内的岩渣未清除干净，造成锚固效果差；二是接收孔内有积水，造成环氧树脂或锚固剂凝固时间长或无法凝固影响锚固的牢固性。无锚固或耦合地震波见图5所示。

2.4 炸药的用量不合理

受检测条件和时间的影响，在大多情况下都按经验使每个炮孔炸药的用量一样，或是根据炮孔距接收孔的距离逐渐减少炸药量进行装药。检测时经常出现药量过少，能量小、信号差；药量过大，造成信号振幅太强或溢出，地震波异常；而如果距离检波器太近，还有可能对检波器造成损伤。这些都会造成数据效果差、分析难度大、有效数据量少等问题。典型地震波见图6所示。

3 影响因素的解决方法

3.1 提高成孔质量和保障封孔效果

地质预报人员应在前期实施前，按要求与隧道现场管理人员和技术员进行技术交底，第一次应在现场指导布点的要求及打孔时的注意事项，可以按标准要求用喷漆在边墙上标出孔的位置，注明孔径、深度、倾角信息，对不规范的情况及时指导并纠正错误，以保证接收孔及炮孔的深度和垂直度、倾角能满足检测要求；还应加强沟通和反馈，以避免成孔后质量差或无法使用的情况发生。成孔后应吹孔将岩渣吹出，避免炸药无法装到孔底的情况发生；如遇到围岩很差的情况，应准备孔径大小的PVC管，成孔后将管插入以避免塌孔后无法装药。成孔后应及时开展预报工作。

3.2 提高接收套管锚固效果

提高套管锚固效果，应首先将接收孔按φ42～45 mm孔径和垂直隧道轴向、上倾约5 °～10 °布置，以保障成孔质量。现场布点时可以将接收孔位置标记出来，注明孔径、深度、倾角信息，不满足要求则应重新打孔。必须保证环氧树脂或锚固剂、套管都能深入孔底。

3.3 合理选择炸药的用量

为了获取较强的信号振幅，必须使用高能的爆炸材料，所使用炸药的爆炸速度应控制在5 600 m/s以上，隧道开挖使用的乳化炸药均应满足要求。在进行数据采集时，炸药量应结合隧道围岩的坚硬和破碎程度进行选取。第一次预报应在第一个炮孔进行试炮，以确定炸药的使用量是否满足要求，避免用量不合理导致信号振幅不理想而影响数据质量。现场检测时可以多总结，对炸药用量的使用可以结合炮孔距离接收孔的远近进行炸药量的调整。

4 对TSP接收套管耦合方式的思考

目前接收套管采用环氧树脂或锚固剂进行锚固，套管为一次性耗材，预报成本高。通过对耦合方式的总结和实验发现，采用黄油对套管进行耦合，不仅数据质量效果较好，套管也能重复使用，直接降低了预报成本，同时数据质量也有所保障。黄油耦合地震波效果见图7所示。

5 结论

（1）TSP作为行业内长距离预报认可度最高的设备，做好数据采集、保障数据质量才能有效提高预报的准确性，避免误报、漏报，从而更好地指导施工，减少或避免重大地质风险对隧道施工安全的影响。

（2）TSP地质预报中采用黄油耦合，不仅效果好，而且可以降低成本，可以在预报中广泛运用。

参考文献

[1]何生龙. TSP在超前地质预报中处理与解译的研究[J]. 工程技术研究， 2019（6）： 114-116.

[2]李立川. TSP法在隧道突水灾害预报中的应用[J]. 资源信息与工程， 2023（2）： 37-41.

[3]张军. 新乌鞘岭隧道超前地质预报围岩泊松比分析[J]. 工程技术研究， 2023（19）： 202-204.

[4]贾光辉， 管仁杰， 李沼霏. TSP203在隧道超前地质预报中的应用[J]. 北京测绘， 2022（10）： 1307-1310.

[5]李文弟. 影响TSP超前地质预报数据采集质量的因素分析[J]. 江西建材， 2019（2）： 66-67.

[6]谭天元， 王波， 楼加丁， 等. 复杂地质条件隧洞超前地质预报技术[M]. 北京：中国水利水电出版社， 2018.