TSP技術(shù)對隧道隱伏斷層預報效果研究
——以滬昆客運專線鐵路隧道為例

馬振華

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團試驗檢測中心，陜西西安 710043)

1 TSP研究現(xiàn)狀

TSP為20世紀90年代中期由鐵路系統(tǒng)最早引入我國的一種專門應(yīng)用于隧道和地下工程超前地質(zhì)預報的地震勘探儀器。我國先后從瑞士Amberg測量公司引進了TSP202、TSP203和TSP203 plus等型號的產(chǎn)品,分別應(yīng)用于鐵路、公路、水電站、煤礦等領(lǐng)域,通過近年來的工程實踐,得到了較好的預報效果。

經(jīng)過多年實踐經(jīng)驗的總結(jié),普遍認為TSP能預測出軟弱層，斷層破碎帶，巖溶等不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置和規(guī)模。TSP預報原理和計算模型是基于異常結(jié)構(gòu)面為一平面,在預報過程中消減了隧道洞壁面波和正前方反射信號的干擾,主要利用隧道周圍反射信號來計算隧道前方異常結(jié)構(gòu)面的位置[5]。因此,TSP對于前方截面遠大于隧道工作面如斷層一類地質(zhì)體的探測結(jié)果比較可靠,而對溶腔、暗河等不良地質(zhì)體,只能判定其位置,而不能判定其規(guī)模,更不能判定溶腔的充填物特性[7],對小溶洞及順層溶洞還會出現(xiàn)漏判的情況[8]。 基于這種事實,以滬昆客運專線隧道超前地質(zhì)預報為例,進行隧道隱伏斷層預報效果的研究就具有一定的理論價值。

2 TSP超前地質(zhì)預報技術(shù)

2.1 TSP超前地質(zhì)預報原理

圖1 TSP工作原理示意

TSP超前地質(zhì)預報技術(shù)是利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性來預報隧道掘進面前方及周圍臨近區(qū)域地質(zhì)狀況的一種方法,屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在設(shè)計的震源點(通常在隧道的左或右邊墻,大約24個炮點)用小炮激發(fā)產(chǎn)生(見圖1),當?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性變化等)時,一部分地震信號反射回來,一部分信號透射進入前方介質(zhì)繼續(xù)傳播。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收并被轉(zhuǎn)化為電子信號,該信號被數(shù)據(jù)記錄器記錄下來,再通過TSPwin軟件處理,就可以了解隧道工作面前方不良地質(zhì)體(軟弱帶、破碎帶、斷層等)的性質(zhì)、位置及規(guī)模。

當巖層界面兩側(cè)介質(zhì)波阻抗有差異,即ρ1ν1≠ρ2ν2時,即可產(chǎn)生反射波,這是反射波法研究地質(zhì)構(gòu)造的物質(zhì)基礎(chǔ)。地震波由震源點出發(fā)向外傳播,直接到達接收點的波叫直達波,直達波由炮點沿最快的有效途徑傳播到接受器。測得直達波的行進時間(T1),即可求出彈性波的速度(VP),其數(shù)學表達式為

其中,X1為現(xiàn)場測得的激發(fā)孔與接收孔之間的距離/m。

已知地震波的傳播速度，就可以通過測得的反射波傳播時間推導出地質(zhì)構(gòu)造體的位置(如圖2),其與接收器之間的距離由下式給出

式中X3——接收點與地質(zhì)構(gòu)造體之間的距離/m；

Vp——通過直達波計算得到的彈性波速度/(m/s)；

T3——反射波傳播時間/ms。

圖2 地質(zhì)構(gòu)造體位置計算示意

2.2 工作方法

TSP超前地質(zhì)預報工作方法主要包括野外數(shù)據(jù)采集和室內(nèi)資料處理與解譯兩部分。

(1)野外數(shù)據(jù)采集

野外數(shù)據(jù)采集一般包括以下幾個重要步驟：①采集前的準備工作;②激發(fā)孔與接收孔的實地測量;③隧道軸線參考點位置的確定；④乳化炸藥和接收器的安裝；⑤開始試驗。

數(shù)據(jù)采集前首先應(yīng)對現(xiàn)場進行布置，通過地質(zhì)分析確定出測線位置，布置激發(fā)孔和接收孔，并準備好瞬發(fā)電雷管和乳化炸藥。其中激發(fā)孔及接收孔布置參數(shù)、方位可參考表1和圖3進行。

受現(xiàn)場條件的限制，可能布置的激發(fā)孔和接收均與要求有較大出入，所以要對激發(fā)孔和接收孔的深度、傾角、高度等參數(shù)進行測量，并做好記錄，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)校正。測量完畢后，將乳化炸藥(取100～200 g，根據(jù)實際情況可增加和減小藥量)慢慢送入激發(fā)孔底部，將接收器套管緩緩送入接收孔并用環(huán)氧樹脂固定，然后把接收器送入套管，接收電纜線。安裝完成后啟動記錄單元，進行噪聲檢測和引爆試驗。

圖3 TSP接受孔、激發(fā)孔現(xiàn)場布置示意

表1TSP激發(fā)孔及接收孔現(xiàn)場布置參數(shù)

類型激發(fā)孔接收孔數(shù)量24個(不應(yīng)少于18個)2個(可選擇1個)直徑20～45mm43～45mm深度1.5m(0.8～2.0m)2m傾角向下傾斜10°～20°向上傾斜5°～10°間距第1個激發(fā)孔距接收孔約20m,其余均為1.5m距第一個激發(fā)孔約20m,最小不能低于15m與工作面距離末炮與工作面的距離一般2～4m距工作面距離約55m

進行試驗時應(yīng)注意：到達現(xiàn)場前應(yīng)對儀器進行檢查以保證設(shè)備能正常工作；確定計算模型參考點位置時，為了簡化計算，通常情況將參考點與接收器的位置選在一起；為了保證激發(fā)能量不至于損失太大，需要用清水將激發(fā)孔封堵。

(2)數(shù)據(jù)處理

將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過校正后,利用TSPwin軟件按以下步驟進行處理：初至波拾取→選擇視窗長度→帶通濾波→道能量均衡→Q因子計算→反射波提取→P-S波分離→速度分析→深度偏移→反射界面提取。

通過縱波初至波拾取,可得到縱波直達波速度(如圖4),再通過經(jīng)驗系數(shù)1.73或手調(diào)的方式，可得到較好的X、Y、Z方向上的橫波初至。

圖4 TSP縱波初至波拾取

Q因子是地層對彈性波吸收特性的一種表達方式,其定義為：在一個周期內(nèi),振動所消耗的能量ΔE與總能量E之比的倒數(shù),用公式表示為

一般認為，TSP系統(tǒng)中對Q值的求取采用的是頻率譜比法,齊甦[6]認為地震波振幅的自然對數(shù)為頻率的線性函數(shù),其斜率為

δt為地震波在地層中的雙程旅行時,求出斜率m,即可求出Q。

深度偏移是指在時間偏移過程中同時考慮波的繞射和折射且偏移輸出剖面為深度剖面的一種偏移方法。Kirchhoff疊前深度偏移和波動方程深度偏移是目前主要應(yīng)用的偏移成像方法,而這兩類方法都是基于以下的全程波動方程,其數(shù)學表達式為

實際應(yīng)用中也可使用單程波動方程,即將全程波動方程中的二階偏導數(shù)降為一階

Kirchhoff疊前深度偏移建立在全程波動方程積分解基礎(chǔ)之上,是目前生產(chǎn)上主要的應(yīng)用方法,它有以下優(yōu)點：①處理地震勘探資料的歸位問題時不受地層傾角的影響；②具有對高頻成分的補償作用；③有較好的保振幅特征。因此，Kirchhoff疊前深度偏移是較適合超前地質(zhì)預報的偏移方法[6]。

3 工程實例

3.1 某隧道斜井隱伏斷層的預報

(1)工程地質(zhì)概況

研究區(qū)位于某隧道斜井,斜井設(shè)計長355 m,最大埋深62 m,穿越緩坡山體,自然坡度10°～40°,局部陡峻,兩端為較狹窄槽谷。斜井穿越元古界板溪群清水江組凝灰質(zhì)板巖夾變余砂巖、變余凝灰?guī)r。凝灰質(zhì)板巖為中細粒結(jié)構(gòu),板狀構(gòu)造。進口受隱伏斷層影響,巖層產(chǎn)狀較為紊亂,總體為N75°～85°E/20°～26°N,發(fā)育兩組優(yōu)勢節(jié)理N36°～55°E/90°,N35°～45°W/65°～90°N。

(2)典型探測結(jié)果與隱伏斷層的預報

本次預報段里程為XDK0+169～069,通過對測試資料的分析和圖像的解譯,典型探測結(jié)果主要集中在XDK0+117～XDK0+093段。該段長度24 m,物理力學參數(shù)顯示：縱波速度2 960～2 740 m/s,橫波速度1 710～1 660 m/s；泊松比為0.29～0.33,動態(tài)楊氏模量為29～31 GPa。圍巖波速值較其他段明顯降低,泊松比值較高,物探圖譜出現(xiàn)明顯異常(表2、圖4中-117～-93段),預報具有較強破碎帶的特征,應(yīng)特別注意施工安全,并加強支護。

表2 預報段XDK0+169～069圍巖參數(shù)統(tǒng)計

(3)開挖驗證

通過TSP超前預報,施工單位在隧道掘進里程XDK0+118處開始加強支護,采用短進尺掘進的方法,小心施工。當隧道掘進至里程XDK0+097處,隧道拱頂出現(xiàn)坍塌,斷層泥夾碎石涌入隧道,由于安全措施采取及時,未造成人員傷亡及重大經(jīng)濟損失。

3.2 某隧道隱伏斷層帶的預報

(1)工程概況

研究區(qū)位于滬昆客運專線鐵路某隧道,隧道最大埋深50 m。地面高程745～800 m,相對高差約50 m,自然坡度30°～40°,局部陡峻。隧道經(jīng)過區(qū)為震旦系下統(tǒng)南沱組頁巖,灰褐色,中厚層狀,強—弱風化,節(jié)理較發(fā)育,屬Ⅳ級軟石。隧道發(fā)育格東斷裂支斷裂,為正斷層,斷層走向為N30～35°W,傾向SW,與線路交于DKX42+990附近,交角65°～70°。該斷層上盤為寒武系中統(tǒng)高臺組白云巖,巖層產(chǎn)狀為S-N/40°W,下盤為震旦系下統(tǒng)南沱組頁巖,巖層產(chǎn)狀為N50°W/75°S。斷層兩盤巖層受斷層影響較嚴重,節(jié)理、裂隙發(fā)育,巖體破碎。

(2)探測結(jié)果分析

本次預報段里程為DKX43+049～DKX42+970,預報長度79 m。按設(shè)計文件,隧道軸線與格東斷裂支斷裂交與DKX42+990附近。經(jīng)過TSP預報,結(jié)果顯示在DKX43+049～DKX42+998段,長度51 m內(nèi),縱橫波速度下降明顯,泊松比值較高(0.30～0.33),動態(tài)楊氏模量較低(31～35 GPa),物性參數(shù)有明顯波動；提取的反射界面或繞射面異常集中(如圖5),因此判斷從里程DKX43+049始已處于斷層破碎帶內(nèi)。

圖5 某斷層破碎帶TSP反射界面提取

根據(jù)后期工作面地質(zhì)編錄,該段可見斷層角礫巖,呈碎裂結(jié)構(gòu)。角礫粒徑3～10 cm,灰綠色,尖棱角狀,少量成透鏡狀、橢圓狀。泥鈣質(zhì)膠結(jié),膠結(jié)物呈紅褐色,巖體較破碎,圍巖穩(wěn)定性差,巖層產(chǎn)狀不可辨識。根據(jù)地質(zhì)編錄并結(jié)合TSP探測結(jié)果確定該段確實已處于斷層破碎帶內(nèi)。

(3)后期開挖情況

通過隧道后期開挖驗證,TSP預報結(jié)果跟實際情況吻合較好,基本預報出了該隧道格東斷裂支斷裂帶的具體位置。后期開挖工作面情況為：節(jié)理發(fā)育,巖體破碎,圍巖穩(wěn)定性變差,洞身及工作面出現(xiàn)嚴重的掉塊、坍塌等圍巖失穩(wěn)的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)TSP技術(shù)對于前方截面遠大于隧道工作面的一類地質(zhì)體如斷層破碎帶的預報結(jié)果比較可靠,其對隱伏斷層的預報是一種極為有效的手段,滬昆客運專線隧道的工程實例也證明了這一點。

(2)在TSP超前地質(zhì)預報中,由于物探成果的多解性及解譯水平的差異,應(yīng)將TSP技術(shù)與地質(zhì)調(diào)查法相結(jié)合,利用工作面地質(zhì)素描、斷層參數(shù)推算、地質(zhì)體透射法[4]等方法開展綜合超前地質(zhì)預報,以提高預報精度。

(3)為了提高計算模型和圖像解譯的精度,進行試驗前應(yīng)盡量按照試驗要求進行現(xiàn)場布置,并做好現(xiàn)場量測、觀察及記錄,為室內(nèi)數(shù)據(jù)處理及模型的校正做好準備,在資料解譯時應(yīng)進行反復多次的分析,進行比較,選用比較合理的處理數(shù)據(jù)。

(4)TSP數(shù)據(jù)處理及圖像解譯受分析人員物探及地質(zhì)知識、對儀器熟練程度、工作經(jīng)驗等的綜合影響較大,因此在超前地質(zhì)預報中要不斷積累經(jīng)驗,各種方法相互參照，才能使預報結(jié)果更加接近事實,從而指導施工。

(5)進行超前地質(zhì)預報能有效的避免隧道前方塌方、突泥、突水等地質(zhì)災(zāi)害對施工帶來的危害,因此建議施工單位應(yīng)加強重視,合理安排施工工藝,并積極配合超前地質(zhì)預報人員進行檢測預報。

(6)以TSP計算模型為出發(fā)點，多次選擇邊界條件能更好的反應(yīng)隧道實際地質(zhì)情況，加強數(shù)學推導進行基礎(chǔ)方面的研究，在理論上對TSP預報隱伏斷層給予支持是今后研究的一個方向。

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