TSP技術在軟弱破碎隧道超前預報中的應用研究

趙軼凡 劉 闖 鄒錦洲 宋文超

(華中科技大學土木工程與力學學院 武漢 430074)

彈性波反射法(tunnel seismic prediction,TSP)方法是目前隧道施工地質預報中先進的地球物理方法，不僅能夠探測工作面前方巖層、巖溶、斷層或破碎帶變化的空間信息，確定含水層的位置，還能提供工作面前方巖層的力學參數[1]。運用地質超前預報，可以知道當地的地質狀況，如掌子面前方工程地質狀況及圍巖等級，然后通過合理的判斷，為施工方提供施工依據，改進施工方案，同時也可對隧道突水、突氣、突泥等工程災害采取預先措施[2]。

1 TSP隧道施工地質超前預報技術

TSP系統由瑞士安伯格(Amberg)技術公司研發，已經在隧道施工中得到了廣泛的運用，其探測范圍可達數百米，能夠快速地對隧道開挖的周圍地區進行三維空間的工程地質超前預報， 為隧道施工的安全高效提供決策依據[3]。

1.1 TSP原理

TSP法是一種多波多分量高分辨率地震反射法。地震波一般是通過對小量炸藥在預先設定的震源點(一般在隧道的一側邊側墻，炮點數量約為24個)激發生成。當地震波在傳播的過程中遇到巖石波界面的阻抗差異(如斷層、破碎帶和巖性的變化等導致阻抗差異) 時，一些地震信號會被反射回去，而另外一些透射進入前方介質中。被介質反射的地震信號(圖1)可通過高靈敏度的地震傳感器接收到。對于接受到的數據，可以利用TSPwin軟件處理，從而分析前方地質體的性質、所處方位及規模大小[4]。

圖1 TSP探測原理

TSP數據的處理是通過專門搭配的TSPwin軟件實施的。該軟件處理數據時主要包含11個步驟，即頻譜分析、帶通濾波、能量均衡、縱橫波分離、速度分析、偏移歸位、反射層提取等。其提供的結果為地震反射層的2D和3D空間分布，并且還能夠反映出與其相應的巖體力學參數。可據此結果先對反射波組合情況及其他特性進行分析，再結合巖石物理力學性質解讀并推測地質體情況。

1.2 TSP地質超前預報技術的優勢

在隧道挖掘過程中，巖層條件和地質危險帶存在許多隱藏的危險。 若是對有概率出現危險的地段如巖石的非均質條件、斷層或破碎帶、巖溶、含水地層缺少預報，則在施工過程中會出現隧道塌方、涌水等事故。

有效的預報系統可超前探測出隧道工作面周圍的三維空間圖，合理預判到開挖面前的不良地質體，以合理規避可能出現的地質危害。

在隧道的施工過程中，使用TSP技術進行超前預報，能夠在施工中同步反饋施工下一階段的地質狀況，以合理規避可能出現的危險帶，提供足夠的時間來完善施工計劃。在當前的施工階段就能對下一步的施工做出預判，如支撐隧道的巖石是否足夠牢固可靠，是否能讓開挖設備不停止的連續施工，以最大幅度的縮短工期，節省工程費用[5-6]。

1.3 TSPwin處理系統的優點

TSPwin是一款久經考驗的智能化軟件，具有簡單、易用的系統界面；根據工程地質自適應的參數計算，智能化地質預報，多維度力學參數計算，快速生成評估結果等功能。

TSPwin的優點主要有：預報范圍從100 m到1 000 m；無須利用開挖面；TBM施工及鉆爆法等常規開挖的場景下均可運用；操作簡單，對施工過程無妨礙；數據收集、處理速度快，可在施工現場的評估中運用；能判定各種不良地質體(如巖溶、破碎帶、含水帶等)性質及空間位置；30 min即可作好準備工作；測量時間小于90 min；同其他預報方法相比，成本低廉。

2 實例應用分析

2.1 工程背景

以某軟弱破碎隧道TSP實際應用為例，具體分析研究TSP方法的運用及存在問題和提高措施。該隧道以近乎平行的方式穿越以桂頭群為主的背斜山。從野外地質調查、鉆探及物探資料的結果來看，殘坡積含碎石粉質黏土、碎石土是隧址區內主要的覆蓋土層，并且沿山坡和山間谷的坡地分布，具有厚度小的特征；下伏基巖主要為泥盆系中下統桂頭群(D1-2gtb)砂礫巖、砂巖、粉砂巖等。隧道軸線通過泥盆系中下統桂頭群砂礫巖、砂巖、粉砂巖等為主組成背斜北翼，頂部粉砂巖組合，兩側巖層傾向相反，分別形成南北兩翼。隧道地段地表水體較發育，地下水主要有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水等幾種類型。

2.2 TSP現場測試

本次預測的24個炮點布置在隧道右邊的墻體上，呈一字排開，每一個炮點相隔1.5 m，孔深1.5 m，孔徑42 mm；接收器的孔徑50 mm，第1個炮點設置在離接收器20 m處的位置。

先打好孔，將接收器套管放置進去。在此過程中必須將套管和圍巖牢牢地耦合在一起。將接收器對好方向置于套管內，接受信號線的兩端分別與接收器和記錄單元相連。

炸藥包(藥量為75 g)的制作采用乳化炸藥和瞬發電雷管，通過木制炮棍固定安放炸藥包，起爆線兩端與接雷管角線和接觸發盒分別相連。在引爆炸藥之前，需要引水填充炮孔，從而將炮口封住。見圖2。

圖2 TSP系統裝配圖

數據采集通過連續激發24炮得到，本次預測中，采樣率為62.5 μs，共得到7 218個樣點，在X-Y-Z三個分量接收。

2.3 TSP應用數據分析

綜合物探、鉆探資料及地調成果，出口左線ZK16+572-ZK16+422圍巖主要由微風化花崗巖、輝長巖、斷層角礫巖組成，巖體較為破碎。出口右線K16+649-K16+499圍巖主要由微風化花崗巖、輝長巖組成，巖質較硬～堅硬，為斷層影響帶，節理裂隙發育，巖體較破碎為主，局部較完整，兩段均處于富水帶。

通過對掌子面的觀察，發現ZK16+572樁號巖性為微風化花崗巖，結合較好，巖石完整性較好，節理裂隙發育，裂隙水豐富，自穩能力一般。K16+649樁號掌子面巖體為微風化花崗巖，結合較好，巖石完整性好，節理裂隙發育，巖體較破碎，自穩能力較差，有滲滴水情況。

故對出口左線ZK16+572-ZK16+422及出口右線K16+649-K16+499兩段進行TSP超前預報。左線ZK16+572-K16+422 P波原始記錄如圖3所示，P波深度偏移如圖4所示，2D反射面如圖5所示。從TSP得到的反射面圖中可知，預報階段的反射面較為稀疏。圍巖縱橫波速度略有起伏，推斷預報巖體較掌子面圍巖情況改變不大，節理裂隙發育，巖體較破碎，局部裂隙水發育[7-8]。

圖3 ZK16+572-ZK16+422 P波原始記錄圖

圖4 ZK16+572-ZK16+422 P波深度偏移圖

圖5 ZK16+572-ZK16+422 2D反射面圖

預報范圍為ZK16+572-ZK16+490內，根據隧道所處區域地質背景及TSP探測的成果，推斷ZK16+572-ZK16+422段工程地質情況如下。

1) ZK16+572-ZK16+490，長82 m。縱橫波速度稍有降低，局部稍有起伏，推斷該段圍巖強度略有起伏，巖體較破碎，節理裂隙較發育，裂隙水豐富，自穩較差，易坍塌掉塊。并且，整體的縱波速度為3.7 km/s，綜合預判后，可以認定圍巖等級是IV級偏弱。

2) ZK16+490-ZK16+422，長68 m。縱、橫波速度較平直，速度變化不明顯，推斷該段圍巖較掌子面變化不大，受構造影響，圍巖較破碎，節理裂隙發育，局部強度不均勻，自穩略差。整體縱波速度3.7 km/s，綜合預判后，可以認定圍巖等級是IV級。

右線K16+649-K16+499 P波原始記錄如圖6所示，P波深度偏移如圖7所示，2D反射面圖如圖8所示。從TSP反射面圖可知，反射面較稀疏。圍巖縱橫波速度無明顯變化，推斷圍巖整體較破碎，節理裂隙發育，局部裂隙水較發育。

圖6 K16+649-K16+499 P波原始記錄圖

圖7 K16+649-K16+499 P波深度偏移圖

圖8 K16+649-K16+499 2D反射面圖

在預報階段K16+649-K16+499的范圍內，根據隧道所處區域地質背景及TSP探測成果，推斷K16+649-K16+499段圍巖工程地質水文地質條件分述如下。

1) K16+649-K16+589，長60 m。縱、橫波速略有下降，巖體較破碎，節理裂隙發育，局部裂隙水較發育,預報段整體縱波速度3.7 km/s，綜合預判之后，可以認為圍巖的等級為IV級偏弱。

2) K16+589-K16+558，長31 m。縱、橫波速度略有起伏，推斷預報段段圍巖較掌子面變化不大，預報段整體縱波速度3.8 km/s，綜合預判之后，可以認定圍巖等級是IV級。

3) K16+558-K16+499，長59 m。縱、橫波速略有下降，巖體較破碎，節理裂隙發育，裂隙水發育，預報段整體縱波速度3.7 km/s，綜合預判之后，可以認定圍巖等級是IV級偏弱。

綜合TSP預報結果和掌子面地質觀察，初步判斷左線ZK16+572-ZK16+422段和右線K16+649-K16+499段為F3斷層破碎帶的影響范圍，圍巖等級是IV級，實際開挖結果證實了F3斷層通過預報洞段。該洞段圍巖為微風化花崗巖，節理裂隙較發育，局部裂隙水發育，穩定性較差，圍巖級別為IV級，與預測結果基本一致。

3 TSP預報精度提高措施

針對在實際操作中可能導致TSP預報結果不準確的因素，需采取必要的手段來加以改善。

1) 預報前資料準備和收集需充分。在預報前，需對現場的地質、水文資料進行收集，在進場后，需對已開挖段及掌子面的圍巖情況進行詳細記錄，掌握第一手資料。

2) 確保收集的原始數據的質量。對于未按規范布置的觀測系統，如炮孔和接收孔的深度不合規范，炮間距或偏移距未達到預報要求等，應依照隧道施工情況及規范要求，使炮間距、偏移距、炮孔和接收孔深度、角度等合乎要求，并盡可能處在同一水平面上，使接收孔和炮孔布設合理，并應在預報前進行復測。

由于TSP處理系統的三分量高靈敏度傳感器是安裝在一根與巖體耦合的長2 m的金屬管套上的，而地震波的能量在傳播中會逐漸減弱，到達傳感器時一般都很微弱，假若接受套管未耦合好，能量就會損失；炸藥量的不準確及裝填炸藥的不合理也會導致能量的不同，裝量過小會導致信號弱，影響探測深度和精度，裝量過大會導致能量超出上限，出現信號過載和失真；現場大量的噪聲干擾，如機械振動、爆破的聲波干擾，也會影響數據的有效性和可靠度，影響預報效果。因此安置接受管套的空洞尺寸要滿足要求，可用軟布或海綿進行包裹以減輕自振，必須確保完全耦合；裝設炸藥時要注意圍巖情況，裝藥量要根據圍巖情況及預期預報深度等確定，在條件允許的情況下可進行試爆，裝填時要使炸藥和炮孔接觸緊密，并且要向孔內注錨固劑或水以使炸藥與圍巖足夠耦合；在采集過程中應停止隧道內施工設備，無關人員離場，從而盡可能地排除采集過程中的干擾，同時也可通過將炮孔泥封或設立屏障的方法進一步避免聲波的干擾。

3) 提高數據處理效果。軟件參數等應盡可能正確設置，以免處理資料時盲目遵從軟件信息，導致結果與實際存在較大差距，甚至會忽視異常點或增加虛假異常，影響了真實性和有效性。

同時，解譯資料過程中需要將每個圖結合起來，過分注意2D反射面圖而忽視速度圖和其他相應的物性參數會影響預報效果。預報人員知識儲備、對隧道基本地質和水文情況了解的不足，相應的物探和地質知識的缺乏，各類地質模型的分布發育規律的不熟悉等等，都會影響結果的準確性和真實性。

由于存在的干擾較多，在處理的過程中要通過選取合理的參數來剔除干擾，可以通過多次嘗試處理，綜合分析確定。對資料的解譯要科學客觀，要根據開挖的圍巖情況，合理確定預報的范圍，在充分了解基本情況，熟悉不良地質發育分布規律的前提下進行解譯，條件允許應進行多種物探手段進行補測和驗證。

4 結語

1) 本文基于實際的工程項目，將掌子面地質資料和TSP超前地質預報資料結合考慮，有效地預報了掌子面前方的巖體情況、圍巖等級和地下水狀況。將探測結果與實際開挖中顯示的實際圍巖情況進行對比驗證，表明TSP技術對隧道超前預報具有較好的實用性和準確性。

2) 在測試時，預報人員要對現場的地質、水文資料進行收集，應深入現場，認真觀察，記錄已開挖段及掌子面的圍巖情況，同時嚴格按照規范布置系統，控制爆破質量，按規范要求進行采集數據，確保采集到的數據有效可靠。

3) 預報人員需對隧道基本地質和水文情況有充分了解，具備相應的物探和地質知識，熟悉各種地質模型的分布、隧道施工及不良地質體發育分布規律。處理數據時，要合理設置處理參數，多次處理對比分析，提高處理水平。解譯數據過程中，要將每個圖聯系起來，充分考慮掌子面開挖情況及勘察設計資料，以便綜合分析準確判斷。

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