TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)及其3D成果研究與應(yīng)用

周黎明，邱東明，付代光，肖國(guó)強(qiáng)，王法剛

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司 廣東分公司，廣州 510800)

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TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)及其3D成果研究與應(yīng)用

周黎明1，邱東明2，付代光1，肖國(guó)強(qiáng)1，王法剛1

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司 廣東分公司，廣州 510800)

水利水電洞室具有規(guī)模大、尺寸大的特點(diǎn)，如果開(kāi)挖隧洞發(fā)育大型不良地質(zhì)(斷層破碎帶、溶腔、突水突泥等)，則更容易引發(fā)大型的安全生產(chǎn)事故，而水電隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作相對(duì)薄弱，因此開(kāi)展水電洞室超前地質(zhì)工作是一種新的應(yīng)用和研究。首先介紹了TSP技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和基本原理，探討了影響TSP數(shù)據(jù)采集的幾點(diǎn)關(guān)鍵因素；之后，將TSP方法應(yīng)用到烏東德水電站的泄洪洞和導(dǎo)流洞中，獲得了大尺寸工作面水工洞室超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，并繪制出不良地質(zhì)體3D空間分布成果。該結(jié)果與隨后施工開(kāi)挖揭露出的溶洞以及工作面前方存在的導(dǎo)流洞水體分布基本一致，驗(yàn)證了TSP技術(shù)在水電水利地下工程中應(yīng)用的可行性和有效性，具有一定的應(yīng)用推廣意義。

TSP；隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)；3D成果；烏東德水電站；數(shù)據(jù)采集

1 研究背景

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通、礦山、水利、市政及其他工程建設(shè)的快速發(fā)展，作為隱蔽工程的公路隧道、鐵路隧道、礦山隧道、輸水隧道等大量出現(xiàn)。由于復(fù)雜隧道的長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)、埋深越來(lái)越深、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，在該類(lèi)隧道施工中經(jīng)常會(huì)因遇到巖溶、斷裂帶、破碎帶、暗河等不良地質(zhì)體而導(dǎo)致塌方、涌水、冒頂、突水等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生[1-2]。利用準(zhǔn)確、有效、及時(shí)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以修正隧道支護(hù)和開(kāi)挖設(shè)計(jì)的方案，降低工程造價(jià)、減少施工中的盲目性、消除工程安全隱患，避免施工中的諸多事故發(fā)生，具有非常重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用的地球物理方法主要分為地震類(lèi)[3]和電磁類(lèi)2大類(lèi)。其中，地震類(lèi)方法主要包括水平聲波剖面法(HSP法)[4]、地震波反射負(fù)視速度法(TVSP法)[5]、面波法[6]、陸地聲納法[7]、隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)(TGP)[8]、隧道真反射成像技術(shù)(TRT)[9]、隧道地震成像技術(shù)(TST)[10-11]；地震波法以人工激發(fā)的彈性波在巖體中的傳播理論為基礎(chǔ)，當(dāng)不良地質(zhì)體與圍巖存在彈性差異時(shí),通過(guò)獲取和分析地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)(波傳播時(shí)間和空間的關(guān)系)和動(dòng)力學(xué)(波的振幅、頻率、相位)特征，推斷不良地質(zhì)體的分布、幾何形態(tài)、產(chǎn)狀等構(gòu)造特征。電磁類(lèi)方法主要包括地質(zhì)雷達(dá)(GPR)、瞬變電磁(TEM)、高分辨率直流電法等；電磁法主要通過(guò)介電常數(shù)、電阻率等物性差異來(lái)推斷隧道前方不良地質(zhì)體[12]。

TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)由瑞士Amberg公司在20世紀(jì)90年代初研制，發(fā)展至今已開(kāi)發(fā)出TSP202，TSP203，TSP203PLUS，TSP200等一系列產(chǎn)品[13-14]。TSP研制后，最初主要在歐洲應(yīng)用，包括瑞士的Gotthard基礎(chǔ)隧道和Vereina隧道、德國(guó)Zuckerberg輸水隧洞和冰島的Karahn-jukar隧道；亞洲國(guó)家包括日本的Ritto隧道和Kazunogawa水電隧道、伊朗的Cheshmeh-Langan供水隧洞、韓國(guó)的Anmin公路隧道等工程[15-16]；我國(guó)在1996年首次引進(jìn)TSP202，隨后在2001年和2004年分別引進(jìn)了TSP203和TSP203PLUS，在2007年開(kāi)始引進(jìn)TSP200型設(shè)備。

TSP作為我國(guó)超前預(yù)報(bào)重要方法之一，已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)于該方法的原理、觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置和改進(jìn)、資料的采集和處理、圖像的解譯和分析等方面都有了較深入的研究[17]。楊天春等[18]通過(guò)研究TSP數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，將國(guó)產(chǎn)地震儀數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成TSP數(shù)據(jù)格式，可以直接利用TSPwin軟件內(nèi)的各功能版塊處理。許振浩等[19]在TSP的觸發(fā)方式方面使用了組合爆破法，引進(jìn)延時(shí)微秒級(jí)的瞬發(fā)雷管，同時(shí)利用延時(shí)測(cè)量?jī)x修改直達(dá)波的初至?xí)r間，提高了探測(cè)精度。劉秀峰等[20-21]就TSP數(shù)據(jù)采集和處理中的雷管選擇、炮檢點(diǎn)位置、套管埋設(shè)和參數(shù)選擇等方面進(jìn)行了討論；在TSP圖像的解譯方面，分析了不良地質(zhì)體(如空洞的高度和跨度)等在剖面上的特征，為資料解釋提供依據(jù)。丁萬(wàn)濤等[22]在利用TSP法探測(cè)與隧道軸線(xiàn)傾斜的巖層反射界面時(shí)，探測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差，針對(duì)誤差來(lái)源進(jìn)行分析，探討了隧道軸線(xiàn)與傾斜巖層不同夾角所形成誤差的對(duì)應(yīng)規(guī)律。

TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)是屬于反射地震波法，觀測(cè)系統(tǒng)充分利用了隧道空間來(lái)進(jìn)行布置，數(shù)據(jù)處理采用深度偏移成像技術(shù)。該方法具有預(yù)報(bào)結(jié)果精度較高、預(yù)報(bào)距離相對(duì)較長(zhǎng)、提交資料及時(shí)、能夠提供圍巖物性力學(xué)信息等優(yōu)點(diǎn)。在探測(cè)與隧洞軸線(xiàn)夾角較大的面狀不良地質(zhì)體(如破碎帶、斷層、軟弱夾層、溶洞)時(shí)應(yīng)用效果較好。在探測(cè)與隧洞軸線(xiàn)平行的界面和形態(tài)不規(guī)則的地質(zhì)缺陷(如幾何形態(tài)為圓錐體或圓柱體的暗河和溶洞)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果有一定的局限性。利用TSP法的3D成果進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，可以更加直觀、完整地觀測(cè)到不良地質(zhì)體在隧道工作面前方的分布形態(tài)。

本文介紹了TSP技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和基本原理，討論了影響TSP數(shù)據(jù)采集的幾點(diǎn)關(guān)鍵因素，提供了不良地質(zhì)體3D空間分布成果。在烏東德水電站的泄洪洞和導(dǎo)流洞中分別進(jìn)行一次TSP試驗(yàn)，獲得了大尺寸工作面洞室的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果。該結(jié)果與隨后施工開(kāi)挖揭露出的溶洞，以及工作面前方存在的導(dǎo)流洞水體分布基本一致，驗(yàn)證了TSP技術(shù)在水電水利地下工程中應(yīng)用的可行性和有效性，具有一定應(yīng)用推廣意義。

2 TSP法原理

TSP法是一種多波多分量的高分辨率地震反射波探測(cè)方法，其基本原理是當(dāng)人工激發(fā)的地震波在隧道巖體中傳播時(shí)，遇到不良地質(zhì)體界面會(huì)產(chǎn)生反射，通過(guò)對(duì)反射波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性分析來(lái)探測(cè)隧道工作面前方巖體以及周?chē)R近區(qū)域的地質(zhì)狀況(見(jiàn)圖1)。TSP法觀測(cè)系統(tǒng)的布置為：在工作面后方55 m左右距離的兩側(cè)邊墻上鉆孔用來(lái)安裝接收傳感器和炸藥，其中左右邊墻各安置1個(gè)傳感器，一側(cè)邊墻布置24個(gè)激發(fā)炸點(diǎn)。當(dāng)爆破引發(fā)的地震波在巖體中向四周傳播時(shí)，向隧道前方傳播的那一部分，會(huì)經(jīng)過(guò)隧道前方的不良地質(zhì)體界面反射回來(lái)，將反射信號(hào)接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)放大。地震波從激發(fā)到反射回傳感器這段旅行時(shí)間可以用來(lái)計(jì)算反射界面與傳感器間的距離。因此，可以通過(guò)反射時(shí)間和地震波傳播速度來(lái)將反射界面的位置、與隧道工作面的距離以及同隧道軸線(xiàn)之間的夾角計(jì)算出來(lái)，同時(shí)還能對(duì)隧道巖體中存在的不同巖性接觸面的位置進(jìn)行探測(cè)。

圖1 TSP系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of TSP (tunnel seismic prediction)

TSP法探測(cè)得到的原始數(shù)據(jù)是由專(zhuān)門(mén)的軟件TSPwin處理。TSPwin處理流程的11個(gè)主要步驟包括：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(jì)→反射波提取→P-S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。反射地震波信號(hào)的傳播旅行時(shí)經(jīng)過(guò)速度分析可以轉(zhuǎn)化為距離(深度)表示。

TSPwin處理結(jié)果包括：深度偏移剖面、P波時(shí)間剖面、SH波時(shí)間剖面、SV波時(shí)間剖面、反射層提取結(jié)果、反射層能量、巖石物理力學(xué)參數(shù)表，以及在探測(cè)范圍內(nèi)代表不良地質(zhì)界面的反射層的2D和3D的空間分布圖。

關(guān)于TSP結(jié)果的解譯，可以利用不良地質(zhì)體界面與隧道軸線(xiàn)的交角，以及與隧道掌子面的距離之間的關(guān)系來(lái)確定它在隧道內(nèi)的空間方位。對(duì)于不良地質(zhì)體的力學(xué)性質(zhì)可以根據(jù)反射波的波組特征以及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)來(lái)進(jìn)行解釋。

3 TSP現(xiàn)場(chǎng)采集的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)

TSP預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量密切相關(guān)。筆者根據(jù)長(zhǎng)期開(kāi)展TSP預(yù)報(bào)工作的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)歷，總結(jié)了TSP數(shù)據(jù)采集需要注意的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，列出了相應(yīng)采集數(shù)據(jù)的實(shí)例波形，分析了其所造成的影響。

3.1 接收孔傾角

TSP接收器孔需向上傾斜5°，防止孔內(nèi)積水影響錨固劑固結(jié)，降低接收傳感器與圍巖耦合程度，獲取的地震波記錄存在高頻干擾，圖2為含水接收孔不良記錄。

圖2 含水接收孔地震記錄Fig.2 Seismic waves of receiving hole which contains water

3.2 非瞬發(fā)電雷管

TSP震源采用瞬發(fā)電雷管和乳化炸藥，如果電雷管存在延時(shí)情況，會(huì)造成地震波延后到達(dá)，影響各道的直達(dá)波初至?xí)r間擬合，回歸的巖體波速值存在較大誤差，需要重新測(cè)試，如圖3。

圖3 延遲電雷管地震記錄Fig.3 Seismic waves of electric detonator that delays

3.3 炸藥量

炸藥量要根據(jù)圍巖情況現(xiàn)場(chǎng)確定。當(dāng)圍巖完整性較差，為Ⅴ級(jí)巖體時(shí)，加大偏移距較大的幾道炮孔的藥量；當(dāng)圍巖完整性較好，為Ⅲ級(jí)以下巖體時(shí)，對(duì)小偏移距的幾道炮孔減少藥量。TSP信號(hào)電平應(yīng)該不超過(guò)5 000 mV，當(dāng)炸藥量過(guò)大，如圖4所示，地震記錄剖面接收信號(hào)x分量振幅輸入過(guò)載，導(dǎo)致記錄為無(wú)效信號(hào)，需要重新測(cè)量。

圖4 炸藥量過(guò)大地震記錄Fig.4 Seismic waves in the presence of exceedingly large explosive quantity

圖5 接收孔-炮孔間夾不良地質(zhì)體地震波Fig.5 Seismic waves of defective geologic body between receiving hole and blasting hole

3.4 接收孔-炮孔間不良地質(zhì)體

避免在已出露溶洞、軟弱夾層和破碎帶等不良體附近邊墻上布置炮孔和接收孔。施工單位在對(duì)上述不良地質(zhì)體注漿處理時(shí)，未必會(huì)注漿完全，有的甚至存在空腔，如果將接收孔和炮孔分別布置于不良地質(zhì)體兩側(cè)，則會(huì)對(duì)接收地震波產(chǎn)生嚴(yán)重影響(如圖5)，大偏移距的初至波很難拾取，建議跨過(guò)此類(lèi)區(qū)域。

3.5 檢波器的布置

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，需要在左右邊墻各布置1個(gè)接收孔。由于TSP數(shù)據(jù)采集時(shí)采用單側(cè)放炮式必然會(huì)產(chǎn)生反射波接收盲區(qū)，當(dāng)只在一側(cè)邊墻的單孔內(nèi)接收時(shí)，盲區(qū)范圍可能擴(kuò)大。當(dāng)隧道開(kāi)挖路線(xiàn)彎度較大時(shí)，如接收孔和炮孔均布置在隧道的外側(cè)邊墻上，會(huì)造成預(yù)報(bào)結(jié)果偏離隧道開(kāi)挖方向，尤其在遠(yuǎn)距離的預(yù)報(bào)結(jié)果影響會(huì)更大，此時(shí)要結(jié)合2個(gè)接收傳感器的地震記錄，綜合判斷預(yù)報(bào)結(jié)果。

4 工程實(shí)例

烏東德水電站位于金沙江河段下游，以發(fā)電為主，兼顧防洪，水庫(kù)總庫(kù)容74.08億m3，電站裝機(jī)容量10 200 MW，多年平均年發(fā)電量389.3億kW·h。 烏東德電站主要巖性為中厚-厚層變質(zhì)灰?guī)r、大理巖、千枚巖、白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r等。壩址建壩巖體主要為昆陽(yáng)群落雪組中厚-厚層變質(zhì)灰?guī)r、大理巖，巖層近直立微傾下游。烏東德水電站地質(zhì)情況復(fù)雜，發(fā)育大量的溶洞、軟弱夾層以及破碎帶等不良地質(zhì)體。為保證隧洞施工安全，研究TSP隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)在水利水電地下工程施工中的應(yīng)用效果，在水電站泄洪洞和尾水洞分別進(jìn)行了一次TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)試驗(yàn)。

4.1 泄洪洞TSP超前預(yù)報(bào)結(jié)果

泄洪洞采用有壓洞平面轉(zhuǎn)彎接明流隧洞的型式，平行布置于左岸靠山側(cè)，進(jìn)口位于左岸導(dǎo)流洞進(jìn)口左上方，出口位于左岸導(dǎo)流洞(尾水洞)左側(cè)。進(jìn)口布置岸塔式進(jìn)水檢修塔，有壓洞為圓形斷面，凈斷面直徑14 m，有壓洞平面投影長(zhǎng)度分別為1 254.57，1 206.32，1 158.08 m，轉(zhuǎn)彎段轉(zhuǎn)角59°，最小轉(zhuǎn)彎半徑150 m，出口流道控制尺寸為14 m×10 m，出口采用挑流消能，下方設(shè)置人工水墊塘消能，水墊塘末端開(kāi)挖尾渠將泄洪水流引入河床。本次試驗(yàn)地點(diǎn)位于泄洪洞的有壓洞內(nèi)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖6。

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Field test

工作面尺寸為9 m×9 m。接收位置樁號(hào)0+347，工作面位置樁號(hào)0+404，預(yù)報(bào)里程為0+404—0+540，設(shè)計(jì)為24炮，實(shí)際為24炮。圖7為左右邊墻接收器采集的原始地震記錄，圖8為泄洪洞預(yù)報(bào)成果。

圖7 泄洪洞原始地震記錄Fig.7Original records of seismic waves of spillway tunnel

圖8 泄洪洞預(yù)報(bào)成果Fig.8 Results of prediction for spillway tunnel

在本次對(duì)TSP數(shù)據(jù)的解譯過(guò)程中，以P波資料為主對(duì)巖層進(jìn)行劃分，結(jié)合橫波波速以及由此計(jì)算出的密度和彈性模量等巖體力學(xué)參數(shù)對(duì)工作面前方不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報(bào)。其中隧洞圍巖縱波波速為4 300～5 500 m/s；縱橫波速度比為1.55～2.04；密度為2.63～2.72 g/cm3；動(dòng)態(tài)楊氏模量為44～58 GPa。

圖8(a)給出了泄洪洞圍巖的物理力學(xué)參數(shù)曲線(xiàn)。在樁號(hào)0+455—0+475范圍內(nèi)，縱波速度值變化較大，橫波波速值降低，縱橫波波速比增大，推斷該區(qū)域?yàn)槿芏粗攸c(diǎn)發(fā)育段；圖8(b)給出了不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)分層區(qū)間，在樁號(hào)0+465—0+475區(qū)間，為軟硬層分界處，裂隙發(fā)育密集，大部分呈陡傾角分布，其中紅色代表彈模值較大、較堅(jiān)硬的巖體，藍(lán)色代表彈模值較小、硬度較弱的巖體。圖8(a)和圖8(b)從巖體力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特征這2方面驗(yàn)證了該區(qū)間可能存在小的溶洞、溶蝕區(qū)，巖體較破碎，力學(xué)特性有較大差異。圖8(c)為3D成果圖，從中可以清楚地看到，在樁號(hào)0+465—0+475區(qū)間內(nèi)存在軟硬巖層接觸面，該接觸面呈陡傾角狀態(tài)。

實(shí)際開(kāi)挖情況：樁號(hào)0+465—0+470區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)溶洞，見(jiàn)圖9(a)，溶洞較小，且局部發(fā)育夾泥層；樁號(hào)0+470—0+475處發(fā)現(xiàn)溶洞，見(jiàn)圖9(b)，洞內(nèi)無(wú)泥質(zhì)或流體充填；樁號(hào)0+480—0+540圍巖較完整。

圖9 溶洞出露照片F(xiàn)ig.9 Photographs of exposed karst caves

4.2 尾水洞TSP超前預(yù)報(bào)結(jié)果

尾水系統(tǒng)采用兩機(jī)一室一洞，尾水隧洞采用調(diào)壓室前一機(jī)一洞、調(diào)壓室后兩機(jī)一洞布置，出口底板高程800 m。尾水支洞(主廠(chǎng)房與調(diào)壓室之間洞段)最大斷面尺寸12 m×23 m，尾水主洞斷面尺寸14 m×23 m至16.5 m×24 m。工作面尺寸為17 m×17 m。接收位置樁號(hào)0+091，工作面位置樁號(hào)0+151。預(yù)報(bào)里程為0+151—0+250，設(shè)計(jì)為24炮，實(shí)際為24炮。圖10為左右邊墻接收器采集的原始地震記錄，圖11為尾水洞預(yù)報(bào)成果。

圖10 尾水洞原始地震記錄Fig.10 Original records of seismic wavesof tailrace tunnel

圖11 尾水洞預(yù)報(bào)成果Fig.11 Results of prediction for tailrace tunnel

尾水洞圍巖縱波波速為3 500 ～4 300 m/s；縱橫波波速比為1.6～1.98；密度為2.36 ～2.53 g/cm3；動(dòng)態(tài)楊氏模量為27～37 GPa。

圖11(a)中，在樁號(hào)0+185—0+195范圍內(nèi)，由于橫波波速值減小，導(dǎo)致縱橫波速比增大，推斷該區(qū)域有流體存在。圖11(b)中，在樁號(hào)0+190—0+210區(qū)間，存在反射層層間接觸面，推斷為巖層分界面，裂隙發(fā)育密集。圖11(c)中，藍(lán)色區(qū)間代表彈性模量和巖體硬度急劇減小區(qū)間，推斷該10 m左右范圍內(nèi)存在水體。

預(yù)報(bào)開(kāi)挖掌子面前方實(shí)際情況如圖12所示，在掌子面前方20～38 m處，有2#導(dǎo)流洞經(jīng)過(guò)，洞內(nèi)有水流通過(guò)，該區(qū)域與預(yù)報(bào)的水體存在區(qū)域(樁號(hào)0+185—0+195)基本一致，證明了TSP通過(guò)橫波波速和縱橫波速比的變化判斷水體存在的準(zhǔn)確性和有效性。

圖12 尾水洞與導(dǎo)流洞位置Fig.12 Location of tailrace tunnel and diversion tunnel

4.3 預(yù)報(bào)結(jié)果分析

TSP方法既能夠?qū)λ淼啦涣嫉刭|(zhì)體的結(jié)構(gòu)、分布及幾何特征進(jìn)行預(yù)報(bào)，又能提供不良地質(zhì)體的物性特征。本次試驗(yàn)結(jié)果表明：烏東德泄洪洞存在溶洞或溶蝕區(qū)3處，發(fā)育范圍分別為4，5，14 m；巖體裂隙發(fā)育區(qū)和破碎帶3處，厚度分別為11，8，5 m；大小為2 m的孤石或硬夾層1處。尾水洞存在充填流體的溶洞2處，發(fā)育范圍分別為6 m和2 m；充填有裂隙水的巖體裂隙發(fā)育帶1處，范圍6 m；巖體破碎帶2處，發(fā)育范圍分別為9 m和4 m；硬夾層1處，厚度2 m；軟硬夾層發(fā)育1處，范圍7 m。

TSP方法能夠提供隧洞圍巖的力學(xué)參數(shù)情況。本次試驗(yàn)結(jié)果表明泄洪洞隧洞圍巖強(qiáng)度、彈性模量、密度均大于尾水洞圍巖。TSP通過(guò)橫波波速值變化情況和縱橫波波速比值可以推斷圍巖中流體的存在情況。本次試驗(yàn)結(jié)果表明在尾水洞掌子面前方有1處存在流體的位置，工作面前方34～40 m范圍內(nèi)，樁號(hào)為0+185—0+195，推斷為導(dǎo)流洞水體所在區(qū)域，與設(shè)計(jì)布置基本一致。

5 結(jié)論與建議

(1) TSP現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)隨后的數(shù)據(jù)處理與解譯至關(guān)重要，影響TSP原始記錄采集質(zhì)量的因素主要有接收器孔角度、電雷管延時(shí)性、炸藥藥量大小、布孔區(qū)域巖體完整性和接收傳感器數(shù)量等。

(2) TSP法可以在水利水電地下工程中的大尺度工作面洞室開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)試驗(yàn)，能夠有效預(yù)報(bào)溶洞、破碎帶、軟弱夾層、暗河等不良地質(zhì)體。

(3) TSP的3D成果可以更加直觀、完整地反映不良地質(zhì)體在隧道工作面前方的分布形態(tài)，是對(duì)于2D預(yù)報(bào)成果的一種有效補(bǔ)充和驗(yàn)證。

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(編輯：姜小蘭)

Application of Technology of Advanced Tunnel Seismic Predictionand Its 3D Renderings

ZHOU Li-ming1，QIU Dong-ming2，F(xiàn)U Dai-guang1，XIAO Guo-qiang1，WANG Fa-gang1

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2. Guangdong Branch, Sinohydro Bureau 14 Co. Ltd., Guangzhou 510800, China)

Large-scale safety accidents are prone to be triggered by large geological defectives (broken fault zone, cave, and water gushing and mud) in large hydropower caverns. Advanced geological prediction for hydroelectric tunnel is relatively weak. In this research, the development status and basic principle of TSP (tunnel seismic prediction) technology are firstly introduced, and some key factors that affect TSP data acquisition are discussed. Furthermore, TSP technology is applied to the geological prediction for the discharge tunnels and diversion tunnels of Wudongde Hydropower Station. The geological prediction result of large working face is obtained, and the 3D spatial distribution of the geological defectives is given. The forecast results are basically in accordance with the excavation results which exposed karst caves and water distribution in front of excavation face. The prediction results verify the feasibility and effectiveness of the application of TSP technology in underground engineering of water conservancy and hydropower projects.

TSP; advanced tunnel geological prediction; 3D result; Wudongde hydropower station; data acquisition

2016-02-13；

2016-04-26

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(41202223)；中央級(jí)公益性財(cái)政項(xiàng)目長(zhǎng)江科學(xué)院院所基金(CKSF2013043/YT)

周黎明(1977-)，男，吉林輝南人，高級(jí)工程師，博士，主要從事工程物探方面的研究工作，(電話(huà))027-82927247(電子信箱)brian5396@126.com。

10.11988/ckyyb.20160118

2016,33(10):72-78

TU457

A

1001-5485(2016)10-0072-07