TSP在某隧道超前地質預報中的應用

張世杰

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司, 北京 100055)

1 簡介

TSP由瑞士Amberg測量技術公司研發,該測量系統利用地震波在不均勻的地質構造中產生的反射波特性來準確預報隧道施工前方幾百米范圍內地質條件和巖石特性變化,一切工作均在工作面后方和毛洞中進行,不會影響連續施工的進程,僅在采集數據時為降低環境噪聲對結果分析產生的負面影響,需要暫停工作半小時左右。這是一種測試面與探測面互為垂直的觀測系統。

2 TSP探測原理

該系統建立在對反射地震波信號的接受和處理的物探基礎上,它的基本原理是利用震動波的反射在隧道的邊墻上布置一定數量的炮孔,通過小藥量爆炸時激發產生的地震波。地震波在周圍巖石以球面波的形式傳播,地震波遇到波阻抗異界面(即波速產生變化的界面),有一部分信號會產生反射,反射信號將被高靈敏度的三分量加速地震檢波器所接受并記錄下來(如圖1所示)。

圖1 TSP203原理

2.1 理論基礎

在爆炸過程中,地震波以直達波和反射波兩種形式傳到傳感器,該系統由測得從震源直達波傳播到傳感器的時間換算成地震波的波速。

在已知地震波波速的條件下,可以通過測出反射波傳播時間推出反射面與接受氣的距離,及與隧道斷面的距離。有

式中T2——反射波的傳播時間；

X2——震源與反射界面的距離；

X3——傳感器與反射界面的距離。

地震波反射的振幅與反射界面的發射系數有關。一般情況下,當簡諧波垂直入射到平面發射街面上,其上的反射波振幅和直達波振幅分別為

式中R——反射系數；

Ar——反射波振幅；

Ad——直達波振幅；

ρ1,ρ2——反射界面兩側介質的密度；

Vp1,Vp2——反射界面兩側介質的速度。

當直達波振幅Ad一定時,反射波振幅Ar與反射系數R成正比。而波阻抗越大,反射波振幅就越大。當介質Ⅱ的波阻抗大于介質Ⅰ的波阻抗,即地震波從較疏松介質傳播到致密介質時,反射系數R>0,此時反射波振幅與入射波振幅同號；反之,如果波從致密介質傳播到較疏松介質時,反射系數R<0,反射波與入射波之間存在180°的相位差。

2.2 TSP處理成果的解釋,遵循下述原則

①正反射振幅表明硬巖層,負反射振幅表明是軟巖層；

②若S波反射較P波強,則表明巖層飽含水；

③若Vp/Vs增加或泊松比突然增加,表明有流體存在；

④若Vp下降,則表明裂隙或孔隙度增加。

3 TSP的優缺點比較

3.1 優點

①預報距離長。一般能預報工作面前方100～350 m范圍內的地質狀況,圍巖越穩定預報的距離越長。地質雷達通常小于30 m,沖擊鉆機和地質鉆機通常也在50 m內。

②能適用于極軟巖至極硬巖的任何地質狀況。

③在精度范圍內,TSP能測出工作面前方內的斷層帶,含水層的空間位置,而地質雷達和沖擊鉆機均無此功能,不能給出斷層帶、含水層的三維分布信息。

④能及時對現場數據進行分析,節省了時間,能自動繪出波速有差異的地質界面相對隧道軸線的地質平面圖和縱斷面圖。

3.2 缺點

①TSP探測出巖性變化的軟弱面或水層的位置有一定的差異。

②TSP在探測有害氣體、含水層地下水壓力及流量等方面顯得力不從心。

③在溶洞的探測上,由于喀斯特溶洞大小不定,形態各異,幾何形狀變化較大,有些溶洞有可能探測不到,會造成危險地質情況的忽略。

4 應用實例及結果分析

該隧道及兩岸接線工程全長8.695 km,其中隧道長5.948 km,兩岸接線長2.747 km。

圖2 2D成果顯示

本標段陸域為風化剝蝕型微丘地貌,兩岸地勢開闊平坦,主要為殘丘—紅土臺地,丘頂高程20～35 m,丘體多呈橢圓體,坡度和緩。丘間洼地高程一般5～15 m,溝、塘較多。海岸帶為海蝕海岸及堆積海灘地貌,岸線曲折,岸坡以土質陡坎為主,坎高7～20 m,部分地段坎底基巖裸露,多為侵蝕海岸,海灘多礁石。五通側海域水下岸坡稍陡,一般水深20 m,最深處25 m,海底起伏,多有礁石分布。

根據地質調繪和鉆探揭示,本標段地層主要為第四系覆蓋層及燕山期侵入巖兩大類。第四系地層以侵入巖殘積土為主,其次為上更新統沖洪積、以白色基調為主的黏性土(當地稱白土)和黏土質砂為主間有少量全新世沖坡積或海積砂土、黏性土、淤泥等。

基巖以燕山早期第二次侵入的花崗閃長巖及中粗粒黑云母花崗巖為主,其內穿插二長巖、閃長玢巖、輝綠巖(玢巖)等巖脈,巖脈以輝綠巖最為多見,多沿本標段最為發育的近南北向及北北東向高角度裂隙侵入,脈寬一般不足1 m,個別部位寬達10～20 m；二長巖脈多分布于斷層F1和F4深槽?；鶐r按風化程度可分為全、強、弱、微四個風化帶。

在探測段NK6+778～NK6+908范圍內,工作面前方為全強風化的圍巖,與目前隧道已開挖段相同,風化不均勻,風化界線起伏較大,局部存在大孤石，此段圍巖級別為Ⅴ級。其中NK6+808～NK6+855段風化基巖裂隙水較發育,為弱含水層,巖體濕潤局部有少量滲水。整段圍巖級別為Ⅴ級。

該探測的情況與實際開挖情況基本一致。特別是根據深度偏移剖面的特征及提取的相應反射層的資料,準確的解釋和預報了該段所存在的地質情況(如圖2所示)。

5 結束語

使用該系統能及時了解和掌握工作面前方的地質情況,為隧道施工及時調整支護參數提供理論依據,可有效控制地質災害的發生。但是,任何事物都應一分為二的看待,TSP同樣也有缺陷,對于某些地質信息反映不出。所以在使用過程中應結合多方面的信息，采用多種方法進行地質預報,將風險減到最小。

[1]劉志剛,趙勇.隧道施工地質技術[M].北京：中國鐵道出版社,2001

[2]趙勇,肖書安,劉志剛.TSP超前地質預報在隧道工程中的應用[J].鐵道建筑技術,2003(5)

[3]周緒文.反射波地震勘探方法[M].北京：石油工業出版社,1981

[4]陸基孟，等.地震勘探原理及資料解釋[M].北京：石油工業出版社,1991

[5]溫樹林,吳士林.地球物理學進展[M].北京：科學出版社,2003

[6]周黎明,劉天佑,劉江平,等.復雜鐵路隧道施工地質超前預報中TSP探測技術應用研究[J].鐵道工程學報，2008(5)

[7]馮永,李永鴻,杜文哲.TSP在隧道超前地質預報的應用研究[J].西北地震學報，2006(2)