提高隧道地震波地質(zhì)預(yù)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(zhì)預(yù)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(zhì)大隊，烏魯木齊 830000；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074；3.三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北宜昌 443002）

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

隧道地質(zhì)預(yù)報；TSP；預(yù)報精度

1 研究背景

TSP（Tunnel Seismic Prediction）預(yù)報系統(tǒng)屬于隧道彈性地震反射波法的一種，是目前隧道施工地質(zhì)預(yù)報應(yīng)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(zhǔn)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(dǎo)作用。

然而，在現(xiàn)場應(yīng)用TSP進(jìn)行隧道地質(zhì)預(yù)報時，常常馬虎大意、忽視工作細(xì)節(jié)，存在不規(guī)范操作，直接導(dǎo)致預(yù)報精度的降低，甚至出現(xiàn)錯報、漏報的案例，嚴(yán)重影響隧道施工安全［1］。常見的不規(guī)范操作主要包括兩方面：一方面是對物探法結(jié)果的盲從而忽視地質(zhì)調(diào)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(yīng)付了事，未能做到在操作細(xì)節(jié)上謹(jǐn)小慎微，因此使得預(yù)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(jié)大量現(xiàn)場應(yīng)用實踐的基礎(chǔ)上，對提高TSP預(yù)報精度的相關(guān)方法進(jìn)行研究，旨在積累經(jīng)驗，為隧道地質(zhì)預(yù)報工作提供參考。

2 TSP地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)基本原理與方法

2.1 TSP系統(tǒng)基本原理

TSP預(yù)報系統(tǒng)采用的是地震波回聲測量原理，由少量炸藥激發(fā)產(chǎn)生的地震波在巖石中以球面波的形式在巖石中傳播，當(dāng)遇到波阻抗差異界面時，一部分被反射回來，一部分透射進(jìn)入前方介質(zhì)，繼續(xù)向前傳播并重復(fù)發(fā)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(zhì)反映了反射界面的位置和性質(zhì)，加上反射波之間相互檢驗是該系統(tǒng)精確預(yù)報的保證［2］。

2.2 TSP系統(tǒng)操作方法

（1）前期準(zhǔn)備工作：該系統(tǒng)采用多孔激發(fā)、一孔或兩孔接收地震波。在現(xiàn)場實際的預(yù)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(shù)如表1所示。

表1 TSP地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)接收器孔與炮孔布置參數(shù)Table 1 Parameters of TSP receivers and boreholes

（2）數(shù)據(jù)采集：進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)）。激發(fā)地震波時，一般采用瞬發(fā)電雷管、防水乳化炸藥（藥卷包裝，200 g／卷），激發(fā)藥量一般為50～80 g／孔，起爆前注水封堵炮孔。

（3）數(shù)據(jù)處理：地震反射波的數(shù)據(jù)處理是對采集的地震波信號進(jìn)行加工處理，進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)采集時未能消除的干擾信號，進(jìn)一步提高地震波信號的信噪比和分辨率。地震波數(shù)據(jù)經(jīng)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(xué)參數(shù)圖等。最后，根據(jù)采集到的巖體力學(xué)參數(shù)與得出的二維成果圖來對掌子面前方的圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行判斷，從而達(dá)到實現(xiàn)超前預(yù)報的目的。

3 提高TSP地質(zhì)預(yù)報精度的方法

3.1 提高反射地震波接收質(zhì)量

由炸藥爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波其傳播形式以及能量分配在不同范圍內(nèi)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(nèi)，應(yīng)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(nèi)，應(yīng)力波的主要形式則變?yōu)閴嚎s波，為爆破總能量的30%左右；當(dāng)離爆源的距離φ大于150倍藥包半徑時，應(yīng)力波的形式才體現(xiàn)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(zhì)中的傳播通常是比較穩(wěn)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(zhì)繼續(xù)向前傳遞，因此地震波在遇到巖層界面或不良地質(zhì)體時所產(chǎn)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(zhì)量，才能保證TSP的預(yù)報精度。

圖1 爆炸應(yīng)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(jìn)行長距離施工地質(zhì)預(yù)報工作時，還需要延長采樣時間，使傳感器在接收遠(yuǎn)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(yīng)將傳感器布置在地質(zhì)調(diào)查分析得出的可能不良地質(zhì)界面（如圖2中所示斷層）與隧道掘進(jìn)方向夾角φ大于90°的側(cè)壁一側(cè)，并盡量使傳感器的延伸方向與主要不良地質(zhì)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(yù)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(zhì)量耦合

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

大量的現(xiàn)場預(yù)報實踐表明，TSP地質(zhì)預(yù)報所采集的信號質(zhì)量與傳感器孔、炮孔的耦合質(zhì)量有著極大的關(guān)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(zhì)量。

如果傳感器孔耦合質(zhì)量達(dá)不到要求時，將會嚴(yán)重影響所接收的地震波信號的質(zhì)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(xiàn)許多高頻振幅干擾，對TSP預(yù)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(zhì)量的好壞關(guān)鍵到TSP地質(zhì)預(yù)報最終精度的高低，是整個預(yù)報工作中重要的環(huán)節(jié)。

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(yè)環(huán)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(jìn)行TSP預(yù)報信號采集時，要求作業(yè)環(huán)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(yù)報效果造成影響。

圖4所示為TSP采集信號過程中隧道內(nèi)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(xiàn)峰值，即為隧道內(nèi)掌子面施工時產(chǎn)生的干擾信號。

圖4 隧道內(nèi)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(fā)地震波的強度

除了以上所述的提高地震波接收質(zhì)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(yù)報系統(tǒng)的傳感器。

3.2.1 電雷管的選擇

在進(jìn)行TSP施工地質(zhì)預(yù)報時應(yīng)盡可能選擇高質(zhì)量、延時誤差小的瞬發(fā)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(tài)與其它信號明顯不同，原因在電雷管存在質(zhì)量問題（存放時間過長或受潮等）導(dǎo)致第11炮未響（接收到的只是隧道內(nèi)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(yù)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(fā)強度。裝藥量過少，將導(dǎo)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(yù)報精度；裝藥量過大，將使炮孔周圍的巖體發(fā)生強烈的塑性變形并粉碎，并在空氣中產(chǎn)生空氣沖擊波和劇烈聲響，形成干擾信號。從嚴(yán)格意義上來說，合適的裝藥量選擇與研究區(qū)內(nèi)的圍巖條件、構(gòu)造條件、隧道形式都有著緊密的關(guān)聯(lián)，需要通過多次TSP預(yù)報試驗，不斷地調(diào)整，才能最終確定最佳的炮孔裝藥量。此外，由于TSP預(yù)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(yuǎn)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(zhì)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(shù)較空氣不耦合裝藥的耦合系數(shù)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(dá)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(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場強度更強、作用時間也更均勻持久。

因此，在TSP施工地質(zhì)預(yù)報中，推薦采用炮孔注水來進(jìn)行耦合，一方面可以提高觸發(fā)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(chǎn)生。在現(xiàn)場實踐中發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)致引爆后聲響巨大，引發(fā)隧道巖體結(jié)構(gòu)強烈振動，所接收到的地震波信號則出現(xiàn)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(dāng)，采集信號時隧道內(nèi)干擾較少時接收到的23道地震波信號。

4 應(yīng)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(gòu)造剝蝕丘陵地貌，南北兩側(cè)為寬緩的壟崗?fù)莸亍Ｋ淼绹鷰r主要為三疊系下統(tǒng)大冶組微風(fēng)化灰?guī)r，分布于整個隧道段。隧道頂部山體巖溶發(fā)育，局部平坦處發(fā)育巖溶洼地和巖溶豎井。受下陸—姜橋斷陷帶的影響，區(qū)域地層被一系列與褶皺為同一構(gòu)造應(yīng)力場的北西向多期活動斷裂和橫向斷裂所破壞。隧址區(qū)內(nèi)發(fā)育長樂山斷裂，均為壓性逆斷層（F4，F(xiàn)5），斷裂內(nèi)圍巖破碎，其與隧道相交的直接影響長度近百米。隧道區(qū)地下水較發(fā)育，主要為基巖裂隙水、巖溶裂隙水與構(gòu)造裂隙水。隧道采用礦山法單向掘進(jìn)。

以長樂山隧道ZK169＋367至ZK169＋500段TSP地質(zhì)預(yù)報為例，介紹整個應(yīng)用過程。

4.2 TSP現(xiàn)場操作與數(shù)據(jù)處理

4.2.1 現(xiàn)場操作

依據(jù)前期地面踏勘與洞內(nèi)掌子面地質(zhì)分析成果，確定TSP傳感器的最佳搜索角，并采用3筒環(huán)氧樹脂卷耦合；對激發(fā)地震波的24個炮孔進(jìn)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(yù)報要求。裝藥完畢后，對各個炮孔進(jìn)行注水耦合，檢查完畢后，下達(dá)掌子面停工指令，然后開始地震波數(shù)據(jù)采集。

4.2.2 數(shù)據(jù)處理

TSP預(yù)報系統(tǒng)的基本處理流程包括11個主要步驟，即：數(shù)據(jù)設(shè)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(xiàn)場采集的三分量原始地震波信號，對該原始地震波信號進(jìn)行濾波、P波、S波分離等常規(guī)處理后可得到P波、SH波、SV波形圖。

分別對P波、SH波、SV波進(jìn)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(yù)報結(jié)果分析

圖9與圖10所示為TSP預(yù)報成果。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與解釋，TSP地質(zhì)預(yù)報結(jié)論如下：

圖7 TSP預(yù)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(xué)參數(shù)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(zhì)較堅硬，節(jié)理裂隙較發(fā)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(fā)育帶，局部溶蝕裂隙可能飽含水，充泥。

圖10 TSP預(yù)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(wěn)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(fā)育一構(gòu)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(wěn)定。ZK169＋453，458附近橫波速度突然變小，反射面密集，可能發(fā)育小的構(gòu)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(jié)理裂隙較發(fā)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(fā)育一小構(gòu)造破碎帶，巖體破碎。

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

后經(jīng)開挖揭示，TSP預(yù)報對構(gòu)造破碎帶、巖溶裂隙的預(yù)報基本準(zhǔn)確；上述提高精度研究成果的應(yīng)用對解譯工作與預(yù)報精度的提高效果顯著，對預(yù)報距離100m內(nèi)不良地質(zhì)體的定位精度可提高至1 m以內(nèi)。

5 結(jié)論與建議

對于TSP地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)而言，可以從提高對反射地震波的接收質(zhì)量與保證所觸發(fā)的地震波強度兩方面出發(fā)，提高預(yù)報精度。

提高反射地震波接收質(zhì)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(zhì)量耦合，提供良好的作業(yè)環(huán)境；保證所觸發(fā)地震波強度的手段包括：選擇高質(zhì)量、延時誤差小的瞬發(fā)電雷管，確定合適的炮孔裝藥量，確保炮孔的高質(zhì)量耦合。

［1］ 鐘世航.TSP作隧道掌子面前方地質(zhì)預(yù)報幾例失誤原因分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（增刊1）：2443－2446.（ZHONG Shi-hang.Analysis on the Failure Reasons in Survey Forward from Working Face of Tunnels by Means of TSP［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（Sup.1）：2443－2446.（in Chinese））

［2］ 呂喬森，羅學(xué)東，任 浩.綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在穿河隧道中的應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，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））

［3］ 彭正勇.提高TSP超前地質(zhì)預(yù)報精度的方法研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2007，（2）：22－24.（PENG Zhengyong.Research on the Method of Improving the Precision of the TSP in Beforehand Geological Forecast［J］.Railway Construction Technology，2007，（2）：22－24.（in Chinese））

［4］ 李 忠，劉秀峰，黃成麟.提高TSP-202超前預(yù)報系統(tǒng)探測距離的技術(shù)措施的研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（3）：472－475.（LI Zhong，LIU Xiufeng，HUANG Cheng-lin.Study on the Technical Methods of Increasing Detection Distance of TSP－202 System［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（3）：472－475.（in Chinese））

［5］ 解振師.TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報誤差原因淺析及對策［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007，（增刊2）：77－80.（XIE Zhen-shi.Analysis and Treatment of the Errors in the Application of TSP［J］.Railway Standard Design，2007，（Sup.2）：77－80.（in Chinese））

［6］ 羅 勇，崔曉榮，陸 華.炮孔水介質(zhì)不耦合裝藥爆破的研究［J］.有色金屬（礦山部分），2009，61（1）：46－49.（LUO Yong，CUIXiao-rong，LU Hua.Study on Blasting with Water Decoupling Charging in Borehole［J］.Non-ferrous Metal（Mine Section），2009，61（1）：46－49.（in Chinese） ）

（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(xué)基金項目資助（41202201）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)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(zhì)災(zāi)害預(yù)測與防治方面的研究工作，（電話）18699191405（電子信箱）267222871＠qq.com。