提高隧道地震波地質預報（TSP）精度方法研究

呂喬森，徐 穎，胡志強

提高隧道地震波地質預報（TSP）精度方法研究

呂喬森1，2，徐 穎2，胡志強3

（1.新疆地礦局第一水文工程地質大隊，烏魯木齊 830000；2.中國地質大學（武漢）工程學院，武漢 430074；3.三峽大學三峽庫區地質災害教育部重點實驗室，湖北宜昌 443002）

TSP（Tunnel Seismic Prediction）作為應用最廣泛的隧道彈性地震波反射方法之一，在現場使用上經常存在不規范操作，導致預報精度無法滿足安全施工要求?；赥SP預報系統的工作原理，從反射地震波接收質量與觸發地震波強度兩方面出發，提出了多種方法來提高預報精度，主要包括：確定最佳搜索角、傳感器孔與炮孔的高質量耦合、提供良好的作業環境、選擇延時誤差小的瞬發電雷管、確定合適的炮孔裝藥量等，再將研究成果應用于現場實踐中，旨在積累經驗，為隧道地質預報工作提供參考。

隧道地質預報；TSP；預報精度

1 研究背景

TSP（Tunnel Seismic Prediction）預報系統屬于隧道彈性地震反射波法的一種，是目前隧道施工地質預報應用最為廣泛的物探方法之一。其在對斷層破碎帶的判定和對于巖體完整性方面的綜合分析是高效和準確的，對巖溶和含水體的判定可起長距離的粗略定位和指導作用。

然而，在現場應用TSP進行隧道地質預報時，常常馬虎大意、忽視工作細節，存在不規范操作，直接導致預報精度的降低，甚至出現錯報、漏報的案例，嚴重影響隧道施工安全［1］。常見的不規范操作主要包括兩方面：一方面是對物探法結果的盲從而忽視地質調查分析的主體地位；另一方面是在操作物探儀器時粗心大意，往往應付了事，未能做到在操作細節上謹小慎微，因此使得預報效果大打折扣。針對后者，本文在引用已有研究成果與總結大量現場應用實踐的基礎上，對提高TSP預報精度的相關方法進行研究，旨在積累經驗，為隧道地質預報工作提供參考。

2 TSP地質預報系統基本原理與方法

2.1 TSP系統基本原理

TSP預報系統采用的是地震波回聲測量原理，由少量炸藥激發產生的地震波在巖石中以球面波的形式在巖石中傳播，當遇到波阻抗差異界面時，一部分被反射回來，一部分透射進入前方介質，繼續向前傳播并重復發生反射與透射；掌子面后方的高靈敏度的三分量傳感器將接受被反射的地震波。反射波能量的大小、波形的性質反映了反射界面的位置和性質，加上反射波之間相互檢驗是該系統精確預報的保證［2］。

2.2 TSP系統操作方法

（1）前期準備工作：該系統采用多孔激發、一孔或兩孔接收地震波。在現場實際的預報中，需要在隧道邊墻上從外向里布置一個傳感器鉆孔和24個炮孔，其布置參數如表1所示。

表1 TSP地質預報系統接收器孔與炮孔布置參數Table 1 Parameters of TSP receivers and boreholes

（2）數據采集：進行數據采集時，采用x－y－z三分量同時接收，采樣間隔62.5μs，記錄長度450 ms（7 218采樣數）。激發地震波時，一般采用瞬發電雷管、防水乳化炸藥（藥卷包裝，200 g／卷），激發藥量一般為50～80 g／孔，起爆前注水封堵炮孔。

（3）數據處理：地震反射波的數據處理是對采集的地震波信號進行加工處理，進一步減少數據采集時未能消除的干擾信號，進一步提高地震波信號的信噪比和分辨率。地震波數據經處理后，可以得到隧道圍巖二維振幅分布圖，縱橫波的二維和三維反射面提取圖和圍巖力學參數圖等。最后，根據采集到的巖體力學參數與得出的二維成果圖來對掌子面前方的圍巖地質情況進行判斷，從而達到實現超前預報的目的。

3 提高TSP地質預報精度的方法

3.1 提高反射地震波接收質量

由炸藥爆破產生的應力波其傳播形式以及能量分配在不同范圍內是不一樣的［3］，如圖1所示，其中R為藥包半徑。由圖1可知，在離爆源3～7倍藥包半徑的距離內，應力波的主要形式是爆轟波，為爆破總能量的60%左右；在離爆源120～150倍藥包半徑的距離內，應力波的主要形式則變為壓縮波，為爆破總能量的30%左右；當離爆源的距離φ大于150倍藥包半徑時，應力波的形式才體現為地震波，但其能量只為爆破總能量的10%左右。地震波在介質中的傳播通常是比較穩定的，衰減較慢，但由于其只占爆破總能量很小的一部分，且在傳播過程中，部分地震波將透過介質繼續向前傳遞，因此地震波在遇到巖層界面或不良地質體時所產生的反射波能量就更加微弱了。如上所述可知，必須提高反射地震波的接收質量，才能保證TSP的預報精度。

圖1 爆炸應力波及其分布作用范圍Fig.1 Blasting stress wave and its distribution and affecting range

3.1.1 確定最佳搜索角

雖然TSP本身的傳感器是高度靈敏的，但在整個操作過程中，必須使傳感器的接收方式和展布角度（即搜索角）最佳，才能使反射縱波得到最大程度地接收。另外，在進行長距離施工地質預報工作時，還需要延長采樣時間，使傳感器在接收遠距離傳播而來的反射縱波時有足夠的等待與記錄時間。

圖2所示為TSP傳感器最佳探測位置［4］。由圖2可知，應將傳感器布置在地質調查分析得出的可能不良地質界面（如圖2中所示斷層）與隧道掘進方向夾角φ大于90°的側壁一側，并盡量使傳感器的延伸方向與主要不良地質界面保持近似平行，這樣才能保證最大程度地采集到反射縱波，有效地提高預報精度。

圖2 TSP傳感器布置的最佳位置Fig.2 The best position of TSP receiver

3.1.2 傳感器孔的高質量耦合

TSP預報系統的傳感器孔一般由3筒環氧樹脂卷做耦合劑，再安裝接收器套管；在沒有環氧樹脂的情況下，也可以采用藥卷錨固劑進行耦合。

大量的現場預報實踐表明，TSP地質預報所采集的信號質量與傳感器孔、炮孔的耦合質量有著極大的關系。必須保證傳感器孔良好的耦合效果，才能提高反射地震波的接收質量。

如果傳感器孔耦合質量達不到要求時，將會嚴重影響所接收的地震波信號的質量。如圖3所示為傳感器耦合欠佳時接收到的地震波信號［2］，圖中所接收到的地震波信號中出現許多高頻振幅干擾，對TSP預報成果的后期解譯工作帶來不良影響。由此可見，傳感器孔的耦合質量的好壞關鍵到TSP地質預報最終精度的高低，是整個預報工作中重要的環節。

圖3 傳感器耦合不良時接收到的地震波信號Fig.3 Seism ic signals in the presence of bad receiver coup ling

3.1.3 良好的作業環境

由于TSP采用的是三分量高精度傳感器，而且反射回來的有效地震縱波的能量十分微弱，因此，在進行TSP預報信號采集時，要求作業環境中不能有施工噪音、脈沖信號、振動源等干擾場，否則將會疊加在接收到的地震波信號上，對預報效果造成影響。

圖4所示為TSP采集信號過程中隧道內有干擾源（掌子面施工）時的原始地震波信號［5］，圖中所示22道地震波信號在初始記錄時均出現峰值，即為隧道內掌子面施工時產生的干擾信號。

圖4 隧道內存在干擾源時接收到的原始地震波信號Fig.4 Original seism ic signals in the presence of interference in the tunnel

3.2 確保所觸發地震波的強度

除了以上所述的提高地震波接收質量以外，還需要保證足夠的地震波強度，使良好的地震波信號可以傳遞到TSP預報系統的傳感器。

3.2.1 電雷管的選擇

在進行TSP施工地質預報時應盡可能選擇高質量、延時誤差小的瞬發雷管，避免使用毫秒雷管。

圖5所示為炮點爆破延時不一致時接收到的原始地震波信號［5］。其中第11，12，13與19道信號形態與其它信號明顯不同，原因在電雷管存在質量問題（存放時間過長或受潮等）導致第11炮未響（接收到的只是隧道內的其它干擾信號），第12，13與19炮延時；即便如此，其余18道信號也有一定的延時不一致的問題，解譯這樣的信號不僅難度大，而且預報效果亦難以令人信服。

3.2.2 合適裝藥量的選擇

炮孔裝藥量決定了地震波的觸發強度。裝藥量過少，將導致地震波能量不足，使TSP的傳感器無法接收到足夠的反射縱波，無法保證預報精度；裝藥量過大，將使炮孔周圍的巖體發生強烈的塑性變形并粉碎，并在空氣中產生空氣沖擊波和劇烈聲響，形成干擾信號。從嚴格意義上來說，合適的裝藥量選擇與研究區內的圍巖條件、構造條件、隧道形式都有著緊密的關聯，需要通過多次TSP預報試驗，不斷地調整，才能最終確定最佳的炮孔裝藥量。此外，由于TSP預報所需的24個炮孔與傳感器孔的距離不同，因此，一般炮孔裝藥量遵循“由遠及近，由多變少”的原則。

圖5 炮點爆破延時不一致時接收到的原始地震波信號Fig.5 Original seism ic signals in the presence of different blasting delays

3.2.3 炮孔的高質量耦合

一般而言，水不耦合裝藥有幾個特點［6］：①水不耦合裝藥的不耦合系數較空氣不耦合裝藥的耦合系數要大許多，在炮孔直徑、裝藥直徑、裝藥量一致的情況下，水不耦合裝藥可以達到更大的初始沖擊能；②水不耦合裝藥可以有效地降低爆破噪聲、減小爆破振動與粉塵；③由于水較空氣而言難于壓縮，水不耦合裝藥爆破所形成能量的利用率更高、準靜態應力場強度更強、作用時間也更均勻持久。

因此，在TSP施工地質預報中，推薦采用炮孔注水來進行耦合，一方面可以提高觸發地震波強度，另一方面可以降低爆破噪音，從而減小干擾信號的產生。在現場實踐中發現，注水耦合良好的炮孔，其引爆后聲響低沉，所接收到地震波信號良好；由于巖體裂隙的存在，有時有的炮孔雖注水耦合，但水均從裂隙中緩緩流走，導致引爆后聲響巨大，引發隧道巖體結構強烈振動，所接收到的地震波信號則出現許多高頻振幅，影響解譯精度。

圖6所示為傳感器、炮孔耦合良好，炮孔炸藥量選取得當，采集信號時隧道內干擾較少時接收到的23道地震波信號。

4 應用實例

4.1 工程概況

圖6 良好的原始地震波信號Fig.6 Qualified original seism ic signals

長樂山隧道為大廣南高速公路工程湖北黃石至通山段的重要組成部分。隧道處屬構造剝蝕丘陵地貌，南北兩側為寬緩的壟崗洼地。隧道圍巖主要為三疊系下統大冶組微風化灰巖，分布于整個隧道段。隧道頂部山體巖溶發育，局部平坦處發育巖溶洼地和巖溶豎井。受下陸—姜橋斷陷帶的影響，區域地層被一系列與褶皺為同一構造應力場的北西向多期活動斷裂和橫向斷裂所破壞。隧址區內發育長樂山斷裂，均為壓性逆斷層（F4，F5），斷裂內圍巖破碎，其與隧道相交的直接影響長度近百米。隧道區地下水較發育，主要為基巖裂隙水、巖溶裂隙水與構造裂隙水。隧道采用礦山法單向掘進。

以長樂山隧道ZK169＋367至ZK169＋500段TSP地質預報為例，介紹整個應用過程。

4.2 TSP現場操作與數據處理

4.2.1 現場操作

依據前期地面踏勘與洞內掌子面地質分析成果，確定TSP傳感器的最佳搜索角，并采用3筒環氧樹脂卷耦合；對激發地震波的24個炮孔進行檢查與測量，其傾角基本為5.6°～12.7°（向上），深度1.4～1.6 m，無塌孔，符合預報要求。裝藥完畢后，對各個炮孔進行注水耦合，檢查完畢后，下達掌子面停工指令，然后開始地震波數據采集。

4.2.2 數據處理

TSP預報系統的基本處理流程包括11個主要步驟，即：數據設置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q估計→反射波提取→P波、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。

圖7所示為現場采集的三分量原始地震波信號，對該原始地震波信號進行濾波、P波、S波分離等常規處理后可得到P波、SH波、SV波形圖。

分別對P波、SH波、SV波進行速度掃描建模和深度偏移分析后，可得到深度偏移圖像，如圖8所示。圖中x代表隧道軸線方向上距檢波器的距離，R代表在測線平面上偏離隧道軸線的距離。

4.3 TSP預報結果分析

圖9與圖10所示為TSP預報成果。經過數據處理與解釋，TSP地質預報結論如下：

圖7 TSP預報原始地震波信號Fig.7 Original seism ic signals by TSP

圖8 TSP深度偏移圖Fig.8 Depth offset by TSP

圖9 巖石力學參數曲線成果Fig.9 Curves of rock mechanical parameters

（1）ZK169＋367～380，長13 m，縱波、橫波波速均較大，反射界面稍多，推測巖質較堅硬，節理裂隙較發育，巖體含水量可能性較小。

（2）ZK169＋380～415，長35 m，縱波、橫波波速存在下降趨勢，泊松比以上升為主，反射界面集中，推測該段為巖溶、裂隙密集發育帶，局部溶蝕裂隙可能飽含水，充泥。

圖10 TSP預報二維成果Fig.10 Two-dimensional prediction results by TSP

（3）ZK169＋415～420，長5 m，橫波速度升高，泊松比變小，密度變大，反射界面少，推測巖體較完整、穩定。

（4）ZK169＋420～442，長22 m，縱波速度相對變大，趨勢主要為上升，橫波速度變小，泊松比呈上升趨勢，前半段反射界面較多，推測該段發育一構造破碎帶，巖體完整性差，巖體破碎，含一定量裂隙水。

（5）ZK169＋442～467，長25 m，縱波、橫波波速均較大，泊松比整體下降，密度較大，推測巖體整體較完整、穩定。ZK169＋453，458附近橫波速度突然變小，反射面密集，可能發育小的構造破碎帶，巖體破碎。

（6）ZK169＋467～486，長19 m，縱波速度下降為主，泊松比變小，前半段反射界面較多，推測巖體完整性較差，節理裂隙較發育；ZK169＋484附近縱波波速驟然下降，泊松比、密度也跟隨下降，反射界面較多推測可能發育一小構造破碎帶，巖體破碎。

（7）ZK169＋486～500，長14 m，縱橫波波速較大、平穩，密度呈上升趨勢，反射界面少，推測巖體較完整、節理裂隙稍發育，巖質堅硬，巖體整體穩定。

后經開挖揭示，TSP預報對構造破碎帶、巖溶裂隙的預報基本準確；上述提高精度研究成果的應用對解譯工作與預報精度的提高效果顯著，對預報距離100m內不良地質體的定位精度可提高至1 m以內。

5 結論與建議

對于TSP地質預報系統而言，可以從提高對反射地震波的接收質量與保證所觸發的地震波強度兩方面出發，提高預報精度。

提高反射地震波接收質量的手段包括：確定傳感器的最佳搜索角，確保傳感器孔的高質量耦合，提供良好的作業環境；保證所觸發地震波強度的手段包括：選擇高質量、延時誤差小的瞬發電雷管，確定合適的炮孔裝藥量，確保炮孔的高質量耦合。

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［2］ 呂喬森，羅學東，任 浩.綜合超前地質預報技術在穿河隧道中的應用［J］.隧道建設，2009，29（2）：189－193.（LV Qiao-sen，LUO Xue-dong，REN Hao.Application of Integrated Advance Geology Forecast Technology in a River-Crossing Tunnel［J］.Tunnel Construction，2009，29（2）：189－193.（in Chinese））

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（編輯：王 慰）

M ethods of Improving Tunnel Seism ic Prediction Accuracy

LV Qiao-sen1，2，XU Ying2，HU Zhi-qiang3
（1.No.1 Hydrology＆Engineering Geology Department，Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resource，Urumqi 830000，China；2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；3.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area under Ministry of Education，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

As one of themostwidely used tunnel seismic reflectionmethods，TSP（tunnel seismic prediction）is often improperly operated in its field application，which reduces the prediction accuracy and exerts unfavorable influence on the tunnel construction.Based on the theory of TSP，methods of improving prediction accuracy are put forward from aspects of the receiving quality of reflection seismic wave and the blasting seismic strength.The main methods include the determination of best searching angles，the qualified coupling of receiving hole and boreholes，the satisfactory working circumstance，the selection of short delay-error electric detonator and appropriate borehole explosive dosage.The research results are applied to field practice，and helps accumulate experience and provide reference for tunnel geological prediction.

tunnel geological prediction；TSP；prediction accuracy

P631.521

A

1001－5485（2012）12－0041－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.009 2012，29（12）：41－45，52

2011－09－22

國家自然科學基金項目資助（41202201）；中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目（CUGL110215，CUGL100214）

呂喬森（1986－），男，福建古田人，工程師，碩士，主要從事隧道與邊坡地質災害預測與防治方面的研究工作，（電話）18699191405（電子信箱）267222871＠qq.com。