TSP 隧道超前地質預報法最優結果選取準則分析

摘要：針對TSP隧道超前地質預報法中數據處理人為因素影響大、單一默認參數數據處理結果存在較大風險、如何結合地質情況選擇最優結果及解譯等問題，文章基于TSP數據處理速度分析，提出了TSP波速結果分型及選取最優結果的準則方法。分析表明：TSP波速結果可參照電阻率法中電測深曲線類型原則進行地速分型，并通過比較TSP數據處理結果的地速類型和地質類型的一致性、吻合對應性程度可選出最優結果。

關鍵詞：TSP隧道超前地質預報法;數據處理;解譯;分型;地速類型

0 引言

TSP超前地質預報法探測距離大、抗干擾能力強，對斷層及破碎帶、裂隙帶、巖溶及地下暗河、軟弱夾層、特殊巖性地層等不良地質體預報具有很好的靈敏度，是目前應用最廣泛的超前地質預報方法[1-2]，成為隧道建設開挖過程中長距離有效地把控隧道掌子面前方地質災害風險的重要手段[3-5]。TSP超前地質預報方法技術經過實踐中大量應用和總結得到了長足的發展，但是仍然存在很多問題，如干擾多造成數據采集質量不夠高、數據處理過程人為因素影響大、數據處理結果具有多解性等問題。當前大部分TSP（包括TGP、TST）從業者都是按照廠家給出的數據處理流程和默認參數進行處理，處理結果具有多樣性、不穩定性，處理過程中的參數稍微調整，處理出來的結果就會有明顯差異。因此，如何獲得一個穩定的、可靠的結果是一個難題。另外，在結果解譯時雖然一直都強調要結合地質情況合理解釋，但是客觀上地球物理方法具有多解性，加上技術人員水平參差不齊，測量誤差干擾等因素影響，數據結果有很多個。如何選取一個最合理的結果進行解譯是一個難題，如何結合地質情況解釋一直以來也很少有具體的、明確的準則參考遵照。因此，通過精細數據處理獲得一個穩定的、可靠的結果，按照一定準則進行客觀的、合理的解譯具有重要意義。

1 TSP數據處理速度分析

在實際數據速度分析中，初始速度模型包括速度和尺寸參數。速度參數由直達波獲得;模型尺寸為定義探測區域并對其進行網格剖分，定義探測區域其實就是定義計算區域。目前儀器配套軟件速度分析計算區域參數設置中共提供6種可選擇區域大小， 水平方向和垂直方向分別可設置為50 m和100 m，隧道軸線方向分別可設置為200 m、 [=XQS（]TSP隧道超前地質預報法最優結果選取準則分析/黃保勝[=JP2]250 m和300 m。速度分析區域尺寸大小設置其實就相當于給出一個初始模型，速度分析為線性反演，結果會依賴初始模型，并有可能陷入局部最小而得到錯誤的結果，顯然僅僅給出一個初始模型而不經過比對分析處理得到的結果存在較大錯誤風險。由于這一步數據處理不具有可預覽功能，只能處理完后比對結果，因而需要進行不同模型尺寸處理，對各個結果進行對比選擇。

2 處理結果選擇

TSP數據經過不同參數值的速度分析和反射層提取等一系列處理會得到很多結果，對如何從眾多處理結果中選取一個最優結果進行合理解譯，需要一套準則方法。本文提出先將TSP波速結果參照電阻率法中電測深曲線類型進行分型，然后根據已知地質信息類型選擇最優結果。

2.1 處理結果分型

把TSP波速結果中波速從掌子面沿著預報方向整體趨勢變化大小類型稱為TSP地速類型，即TSP結果中地層的波速變化大小特征類型的意思。參照電阻率法中電測深曲線類型[6]，根據TSP波速結果中段數和各段波速相對大小的不同，可以將TSP地速類型分成若干類型。如圖1所示：

（1）二段地速類型，當第一段波速比前一段波速高時，地速類型稱為G型;當后一段波速比前一段波速低時，地速類型稱為D型。

（2）三段地速類型，當第二段波速比第一段波速低且比第三段波速低時，地速類型稱為H型;當第二段波速比第一段波速高且比第三段波速低時，地速類型稱為A型;當第二段波速比第一段波速高且比第三段波速高時，地速類型稱為K型;當第二段波速比第一段波速低且比第三段波速高時，地速類型稱為Q型。

由此可見，每多一段，波速結果的地速類型就增加一倍，可用類似的方法考慮更多段波速結果的類型。另外，由于TSP超前地質預報中地質災害異常（軟弱層、破碎帶、溶洞、富水帶等）主要表現為低速，所以在TSP中經常出現地質災害（異常）的類型為H型、Q型結果，而像G型、A型等結果存在的地質災害風險一般較小。

2.2 處理結果選擇

處理結果選擇應遵循由已知到未知的原則，可以通過已知的地質資料分析預報段內存在的地質異常情況，對地質內容進行類型分類，我們稱之為地質類型。存在地質異常段對應地在波速結果上勢必會有反映，二者具有對應性，因此可以通過比較處理結果的地速類型和地質類型的一致性、吻合對應性程度選出最優結果。當地速類型與地質類型相同或類似的情況下比較波速差異幅度，相同位置處波速差異幅度越大，結果越可靠。當遇到缺少已知地質異常的情況時，可以通過物探異常產生的原理去分析選取。因為對于同一個模型而言，在不同觀測系統、采集條件、處理方法等響應下，如果異常均能穩定地在某一結果中反映出來，那么該結果顯然是較為可靠合理的，而那些具有偶然性異常的結果則相對不可靠。另外，應注意到TSP處理結果中的波速（包括其他力學參數）都不是真波速（絕對波速），而是視波速，不應該絕對地孤立考慮分析某個參數的數值大小，應該與相鄰段的結果比較分析變化的相對大小，相鄰段數值相對變化越大，表明相鄰段圍巖變化越大。

通過以上分析總結選取結果流程為：（1）根據已知確認的洞內外勘察資料、開挖揭露結果等進行地質類型分型;（2）根據處理結果的地速類型與地質類型一致性、吻合對應性程度選出最優結果;（3）當缺少已知確認的洞內外勘察資料、開挖揭露結果等無法進行地質類型分型時，可以根據處理結果的地速類型穩定性及相鄰前后段異常差異大小選出最優結果。

3 實例分析討論

3.1 工程概況及地質類型分類

擬建隧道為一特長分離式高速公路隧道，隧道區屬于剝蝕中低山及巖溶峰叢洼地地貌，表層覆蓋第四系殘坡積層，下覆基巖為灰巖。本次TSP超前地質預報掌子面里程為YK31+013，由掌子面向大里程方向進行預報。YK31+013掌子面巖性主要為灰巖，灰白色、深灰色，以中風化為主，局部強風化，隱晶質結構，中-厚層狀構造，巖體較完整-較破碎，巖質堅硬-較硬，層面光滑平整，延展性較差，充填方解石;發育于掌子面中上部的溶蝕裂隙產狀200°∠75°，呈張開狀，連續發育，結構面平整光滑，有溶蝕、鐵錳侵染等現象，夾少量黏土，下伏巖體破碎，自穩能力差，有局部掉塊現象，上部巖體較完整，局部穩定性差。在本次預報里程段為一個巖溶洼地范圍，隧道上方地表為居民生活區，隧道埋深約30 m。巖溶洼地內有多個巖溶天窗和溶洞。YK31+040～YK31+110中線右側區域內地表裸露灰巖溶蝕強烈，如溶穴、溶溝或溶牙等現象明顯。受該巖溶洼地及溶蝕影響，YK31+040～YK31+120為出現巖溶溶蝕強發育、夾泥等圍巖完整性及穩定性非常差的段落。

綜合以上分析可得：本次TSP超前地質預報掌子面圍巖整體完整性一般、自穩能力差，前方存在巖溶、軟弱夾層等已知明顯地質異常，是圍巖完整性和自穩能力極差段。隧道穿越該段后進入山體基座，圍巖完整性和自穩能力較前段變好，因此預報范圍段地質類型為明顯H型。

3.2 TSP超前地質預報法結果選擇及解譯

本次TSP超前地質預報法探測三分量接收傳感器布置在YK30+963里程樁，R1接收器位于隧道左邊墻，R2接收器位于隧道右邊墻;設計24炮孔，位于隧道右邊墻。進行了不同速度分析模型大小的數據處理，結果如圖2所示，每個結果對應采集及處理參數見圖注。以預報長度為150 m控制，對YK31+013～YK31+163段TSP波速結果進行分型。從圖2可見：圖2（a）、圖2（b）結果為HK型;圖2（c）結果為H型;圖2（d）結果分段較多且較短、變化較為雜亂，無明顯變化特征。

從已知地質情況可得：本次預測里程范圍內主要地質異常為前方存在巖溶洼地、軟弱充填層（夾層），相對的相鄰無異常段為灰巖，在波速上表現為低速帶，波速結果分型屬于H型，中間段低速帶越明顯，地質異常越明顯。因而，當從眾多處理結果中選取一個最優結果時，應重點關注出現波速結果為H型且中間段低速越明顯的結果，同時結合異常的平面位置進行選擇。從TSP波速成果（圖2）及前面波速結果進行分型可得：圖2（d）結果無明顯變化特征、波速形態不是H型，無法反映已知中間段低速帶，與已知地質類型沒有對應性，首先排除。圖2（a）、（b）結果為HK型，這些結果前段、中段基本與地質類型有對應性，但是后段波速降低不合理，因為：（1）根據已知地質資料情況后段隧道位置已經進入山體基座，圍巖完整性及穩定性不會比中間段已知低速帶圍巖完整性及穩定性差;（2）基于TSP探測原理，彈性反射波先遇到一個低速帶，穿過一個相對高速帶后再遇到一個低速帶，反射波在第二個低速帶反射回去被傳感器接收到的可能性非常小。綜合以上兩個方面考慮可以排除圖2（a）、（b）結果。圖2（c）結果為H型，波速形態分明，中間低速帶與相鄰波速差異最大，分段界面與已知地質情況對應性好，是比較合理的結果，于是得到圖2（c）為最優結果。另外，假設缺少已知確認的洞內外勘察資料、開挖揭露結果等無法知道預報范圍段地質類型為明顯H型，根據處理結果的地速類型穩定性及相鄰前后段異常差異大小選出最優結果的原則也可以依次按照上述順序選出圖2（c）為最優結果。

根據圖2（c）結果，并結合掌子面揭露情況、勘察和地質調查資料等進行解譯：YK31+013～YK31+060段縱波波速整體較高，該范圍內為中風化灰巖，巖體較完整，局部較破碎，溶蝕裂隙弱發育，圍巖自穩能力一般，詳細定級為Ⅳ級;YK31+060～YK31+096段縱波波速降低，局部波動，反射界面增多，該范圍內為中風化-強風化灰巖，巖體較破碎-破碎，有軟弱夾層分布，巖溶中-強發育，有溶蝕裂隙和較大規模溶洞發育，圍巖自穩能力差，詳細定級以Ⅴ級為主、局部Ⅳ級;YK31+096～YK31+142段縱波波速明顯大幅度降低，反射界面明顯，該范圍內為中風化-強風化灰巖，巖體破碎，局部夾泥，有軟弱夾層分布，巖溶強發育，有溶蝕裂隙和大規模溶洞發育，圍巖自穩能力差，詳細定級為Ⅴ級;YK31+142～YK31+175段縱波波速明顯大幅度增大，反射界面明顯，該范圍內為中風化灰巖，巖體較完整，局部較破碎，局部有軟弱夾層分布，巖溶弱發育，圍巖自穩能力較差，詳細定級以Ⅳ級為主、局部Ⅴ級。

3.3 開挖驗證

在隧道開挖過程中緊密進行開挖揭露情況跟蹤，圖3為本次預報范圍段不同里程處開挖照片。YK31+025段掌子面圍巖情況與開展預報工作YK31+013段掌子面基本相同。YK31+061段掌子面巖體較破碎、節理裂隙和溶蝕較發育，局部出現夾泥，圍巖完整性、自穩能力較YK31+025段掌子面差。YK31+089段掌子面巖體較破碎-破碎，巖溶中等-強發育，掌子面左下及中下部發育多處溶洞，發育于左下部的溶洞規模較大，洞徑最大達到約2.0 m，向右邊墻及拱頂發育，溶洞內充填物主要為碎石及黏土，受結構面影響控制，有構造、溶蝕裂隙發育，局部充填方解石，鐵錳侵染，夾黏土，圍巖完整性、自穩能力差。YK31+105段和YK31+120段掌子面巖體破碎-極破碎，有軟弱夾層，巖溶和溶蝕強發育，整個掌子面發育多個非連通溶洞，洞徑最大達到約3.2 m，溶洞向拱頂、底板及左邊墻發育，洞內夾大量黏土，圍巖完整性極差，無自穩能力，為預報范圍內圍巖完整性最差段。YK31+130段掌子面巖體破碎，巖溶弱-中等發育，在拱頂發育一個寬約1.0 m的管道型溶洞，向拱頂及左下部發育，溶蝕裂隙較發育，充填少量黏土，圍巖完整性、自穩能力明顯較YK31+120段掌子面好。YK31+150段和YK31+170段掌子面巖體較完整-較破碎，節理裂隙和溶蝕弱發育，局部充填黏土，圍巖完整性、自穩能力一般，圍巖完整性、自穩能力向開挖方向越來越好。通過預報結果與開挖結果對比分析可見：預報結果與開挖結果非常吻合，全面地、完整地把該段圍巖完整性及自穩能力由好變差、再由差變好的過程預報出來，圍巖分級段落分界與實際一致，對中間巖溶強發育、含軟弱夾層不良地質體等低速段反映明顯準確。

4 結語

（1）參照電阻率法中電測深曲線類型原則，提出了TSP波速結果地速分型及選擇最優結果的方法，并將之應用到TSP超前地質預報數據處理及解譯工作中。

（2）通過比較TSP數據處理結果的地速類型和地質類型的一致性、吻合對應性程度可選出最優結果。當地速類型與地質類型相同或類似的情況下比較波速差異幅度，相同位置處波速差異幅度越大，結果越可靠。當缺少已知確認的洞內外勘察資料、開挖揭露結果等無法進行地質類型分型時，可以根據處理結果的地速類型穩定性及相鄰前后段異常差異大小選出最優結果。

（3）本文提出的TSP數據不同參數對比分析處理及選擇最優結果原則方法是實用的和有效的，同樣適用于其他環節數據處理和其他彈性波反射法工作中。

參考文獻：

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