TSP在隧洞含水破碎帶超前 短預報中的應用

張紅綱，李俊杰，朱紅雷，何建設，趙國軍

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江杭州310002)

0 引 言

隧洞短距離預報多采用地質雷達法[1- 4]，其精度與探測效率最高，對溶洞的探測效果較好，有效探測距離在不同性質與類別的巖體中差異較大，完整性較好的Ⅰ、Ⅱ類圍巖多達30 m，含水量大的破碎巖體因電磁波在水中的高衰減特性，探測距離有時不足15 m。地質雷達探測時天線需貼牢掌子面，掌子面平整度較差時，電磁波在空氣與掌子面間多次振蕩，傳入巖體中的有效能量大大減小，雷達剖面易出現由淺至深的低頻振蕩信號。此外，為實現3D立體成像，雷達測線往往呈“井”字形或網格形布設，在類似“瀑布”的掌子面探測時，雷達天線與儀器接口處極易進水。

隧道地震波預報(TSP)作為另一種常用的隧洞長距離(100～200 m)預報技術，其數據采集與處理均較復雜，但此方法抗干擾能力強，能提供多種物理力學參數評估巖體質量，在斷層[5- 6]、基巖裂隙水[7]、溶洞探測[8-9]、巖爆預測[10]、巖體質量等級分類[11]等方面均有成功案例。本文分析了影響TSP探測精度的因素，總結了提高TSP探測效率的經驗，并將其用于隧洞短距離預報，在鋼襯支護的邊墻上布置炮孔與檢波器接收孔，炮孔中注滿水壓制聲波，取得了良好的探測效果。

1 工程概況

杭州市第二水源千島湖配水工程從千島湖淳安縣境內取水，通過輸水隧洞將水引至杭州市余杭區閑林水庫，途中向建德、桐廬及富陽等縣市供水。千島湖～閑林水庫輸水線路總長約112 km，設計流量38.8 m3/s，為浙江省重點大(1)型水利工程。貝山寺支洞位于富陽市新登鎮，總長約956 m，隧洞進口覆蓋層及強風化帶巖體較厚，支洞前1/3段圍巖多為Ⅳ類，局部為Ⅴ類，工程地質條件較差。支洞在樁號0+700揭露含水破碎帶，掌子面上鉆孔不斷有股狀水涌出，掘進至0+698時，掌子面及左右邊墻仍涌水不止。為及時了解掌子面前方地質情況，為隧洞爆破及支護方案提供依據，確保施工安全，在樁號0+698開展超前預報工作。

炮孔布置洞段巖性為奧陶系上統文昌組泥質粉砂巖，節理較發育，以中～陡傾角為主，多方解石充填或鐵錳質渲染，節理面多與層面相交，洞頂局部滴水～線狀流水，掌子面附近“瀑布”狀涌水(圖1)。

圖1 掌子面涌水

2 TSP探測

2.1 探測設計

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法，地震波在設計的震源點用小量炸藥激發，當地震波遇到巖石波阻抗差異界面時(如斷層、破碎帶和巖性變化等)，一部分地震信號反射回來被高靈敏度的地震檢波器接收，一部分透射進入前方介質，數據通過TSPwin軟件處理，便可了解隧道工作面前方地質體的性質、位置及規模。TSP探測設計炮孔24個，檢波器2個。炮孔位于隧道右邊墻，φ32～38，深1.5 m，垂直隧道軸向，下傾10°～20°，離隧底高1.3 m，第1個炮點距掌子面1.5 m，炮間距1.5 m。接收孔隧道左右邊墻各1個，φ42～45，深2 m，垂直隧道軸向，上傾5°～10°，離隧底高1.3 m，距離掌子面>56 m。觀測系統見圖2，設置采樣頻率24 kHz，記錄長度500 ms，炸藥量每孔100 g。

圖2 TSP觀測系統(單位：m)

2.2 數據能譜及濾波效果

圖3為貝山寺隧洞檢波器接收的地震波原始頻譜。從圖3可知，1號檢波器頻譜集中在25～1 000 Hz，2號檢波器在25～1 500 Hz，主頻偏低，表明炮孔布設區段隧洞巖體較破碎，對地震波高頻成分吸收明顯。

圖3 檢波器原始頻譜

圖4為地震波X、Y、Z分量的能量譜，色標的深淺對應地震波能量的大小，低頻濾波曲線左側隨時間增大地震波能量逐漸減小，高頻信號衰減較低頻快，為有效信號；曲線右側隨時間增大，地震波能量局部反而增大，為聲波干擾；與炮孔同側2號檢波器聲波干擾較對面1號檢波器小。圖中指數曲線為一濾波函數，曲線兩端可手動調節高截頻率，其變化范圍為333～5 400 Hz，曲線右側的地震波能量將被濾除。本文中最小、最大高截頻率分別設為333 Hz及5 400 Hz，可最大程度去除聲波干擾。

降低聲波干擾是TSP數據采集的關鍵，此次探測因炮孔內灌水效果好，爆破聲為水中擊發的悶聲，數據質量高，經時變高截處理后，濾波曲線右側聲波干擾已經被完全清除。時變高截處理后TSP數據能譜見圖5。

若炮孔內未灌水或灌水質量差，爆破產生的強聲波干擾因部分頻段位于有效波頻帶內，經時變高截處理后仍有殘留。此外，時變高截最小截頻為333 Hz，故低頻聲波干擾較高頻難去除。圖6為不同圍巖類別下強聲波干擾數據能譜。從圖6可知，Ⅳ類圍巖干擾頻率集中于150～1 100 Hz；Ⅱ類圍巖干擾波頻率較高，主頻帶約1 700～4 000 Hz。圖7為經時變高截處理后數據能譜。從圖7可知，濾波曲線附近強聲波干擾無法完全清除，殘留聲波能譜呈水

圖6 不同圍巖類別強聲波干擾數據能譜

圖7 不同圍巖類別經時變高截處理后能譜

平拉絲狀，且聲波主頻帶越低，拉絲現象越明顯。

2.3 數據處理與解釋

貝山寺隧洞TSP探測成果見圖8。從圖8可知，掌子面前方127 m范圍內(樁號0+698～0+571)，圍巖縱波速度Vp為3 728～4 747 m/s，橫波速度VS為2 254～2 739 m/s，泊松比為0.15～0.32，密度為2.32～2.57 g/cm3，靜態楊氏模量為14～31 GPa，動態楊氏模量為29～47 GPa，剪切模量為12～19 GPa。各物理力學指標較差，巖體總體較破碎。主要異常區域分析及地質推斷見表1。

值得強調的是，TSP波速值為地震波的視速度，大于巖體的真實波速，視速度偏低的區域巖體質量較差。隧洞實際開挖證實，樁號0+698～0+659區段圍巖為Ⅳ類，其中0+698～0+692洞段涌水，樁號0+692～0+680洞段大部滲水，樁號0+675左側側墻下部涌水(見圖9)；樁號0+659～0+571區段圍巖為Ⅲ2類，隧道掘進局部存在線狀滲水。與預報結果基本吻合。

除物理力學參數成果外，圖10所示的深度偏移剖面也是反映掌子面前方地質情況的重要參考，圖中Z與Y分別代表隧洞垂向及橫向平距，其以地震波在介質界面上的反射系數為評判指標，顏色越深代表反射能量越強，正反射振幅表示剛性巖層，負反射振幅表示軟弱巖層。樁號0+698～0+675洞段

圖8 TSP物理力學參數成果

樁號長度/m異常分析與地質推斷0+698～0+68415 縱橫波波速、密度、各力學模量值小,泊松比局部較高,表明巖體破碎、力學性質差,多含裂隙水0+678～0+666、0+635～0+62720 橫波波速偏低,泊松比偏高,局部力學模量指標偏小,巖體較破碎或節理裂隙發育,巖體中裂隙水含量相對較高0+660～0+6528 縱波波速偏低,巖體較破碎或節理裂隙發育

圖9 樁號0+675左側邊墻下部涌水

正負反射高頻率交替出現，且反射振幅強，表明此區段巖體較破碎且含水。

圖10 TSP縱波深度偏移剖面

3 結 語

TSP適用于隧道含水破碎帶探測，當炮孔內未注水或注水效果較差時，TSP探測會產生強烈聲波干擾，聲波頻率與炮孔布設洞段巖體質量有關，質量較差巖體中采集數據易產生低頻聲波，較高質量巖體更應注重灌水效果。

含水破碎帶在TSP成果中表現為波速、密度及各力學模量偏低，局部泊松比偏高，在縱波偏移剖面上表現為強反射振幅高頻率交替出現。本次TSP探測與實際開挖基本一致，在小于5 m的含水破碎區預報效果尤佳，可為掌子面大量涌水時的超前短預報提供新的思路。