TSP技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

樊一平

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

物探法有操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確性高、探測(cè)距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)檢測(cè)方法中占有非常高的使用比例，是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的一個(gè)最重要手段，因此得到了廣泛的推廣應(yīng)用［1-2］。目前隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中最先進(jìn)的物探法，為隧道地震反射波法即Tunnel Seismic Prediction（TSP）。在隧道施工期間，利用TPS技術(shù)對(duì)隧道掌子面前方的地質(zhì)條件進(jìn)行及時(shí)有效的預(yù)測(cè)，是提前準(zhǔn)備預(yù)防措施、避免災(zāi)害發(fā)生或在一定程度上減小因地質(zhì)災(zāi)害造成的損失并保證隧道安全施工的需要，同時(shí)也是當(dāng)今生態(tài)環(huán)境保護(hù)對(duì)隧道工程建設(shè)提出的重要研究課題［3］。

1 隧道地震波反射法（TSP）檢測(cè)原理

炮孔布置在掌子面后方一定范圍內(nèi)，因此在檢測(cè)前要在掌子面后方開挖一段隧道。地震波由少量炸藥卷發(fā)生爆炸時(shí)發(fā)出，且以球形形式在隧道巖體中傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅阶杩馆^差的含水層、斷裂帶、軟基層等介質(zhì)層，一部分地震波會(huì)被反射回來，而另一部分地震波會(huì)沿著巖體介質(zhì)繼續(xù)傳播，隨著傳播距離越來越遠(yuǎn)，能量越來越小，直到接收器接收不到信號(hào)為止。

地震波的反射波信號(hào)用三分量地震波檢測(cè)儀接收，這種檢測(cè)儀靈敏度較高，可以探測(cè)到距離較遠(yuǎn)的巖體介質(zhì)，通過檢測(cè)地震反射波的波速、時(shí)間及波形和能量的強(qiáng)弱，可判斷檢測(cè)段隧道巖體的地質(zhì)組成條件。如圖1。

圖1 地震波反射法的預(yù)報(bào)原理

地震波由特定爆破點(diǎn)通過人工爆破發(fā)射，在隧道一側(cè)每隔1.5～2.0m的距離布置激發(fā)孔（一般小于24），并在離最后一個(gè)發(fā)射孔20m遠(yuǎn)的墻體兩側(cè)墻位置分別布置一個(gè)地震反射波接收器，發(fā)射孔和接收器基本上保持在同一水平高度。當(dāng)?shù)卣鹑肷洳ㄓ龅降貙咏缑妗⒐?jié)理界面，特別是斷層破碎帶、溶洞、地下河等不良地質(zhì)界面時(shí)，反射波由接收器產(chǎn)生和接收，并由數(shù)字記錄儀放大、輸出和記錄。隧道工作面前方TSP探測(cè)距離可達(dá)100m，硬巖探測(cè)距離可達(dá)200m。

2 隧道地震波反射法（TSP）檢測(cè)流程

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測(cè)試過程通過一系列炮點(diǎn)、一到兩個(gè)三維接收傳感器、接收機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成，檢測(cè)流程主要分為6個(gè)步驟： ①隧道檢測(cè)前應(yīng)對(duì)隧道掌子面巖體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，并對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)描述。②根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果選擇合適的儀器布置點(diǎn)，TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2。③記錄檢波器接收孔至炮孔的隧道里程及隧道掌子面里的里程，當(dāng)炮孔間距不等時(shí)還要測(cè)量炮孔間距。④檢波器采用三分量檢波器，并且用定向耦合方式進(jìn)行安裝，炸藥卷根計(jì)時(shí)線一并安裝，且藥量一般控制在60～120g之間。⑤在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)要保證隧洞內(nèi)足夠安靜，停止所有震動(dòng)相關(guān)的施工項(xiàng)目。依據(jù)巖體條件選擇合適的采集參數(shù)，其中硬巖條件采樣率0.05ms，軟巖條件采樣率0.1ms。在采集數(shù)據(jù)過程中保證地震記錄長(zhǎng)度不低于300～400ms。⑥現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集完成后，經(jīng)相關(guān)軟件處理便可以得到P,S波的時(shí)間剖面、深度偏移圖、速度分析圖、反射波相位、反射波層位、反射能量大小等資料，同時(shí)結(jié)合隧道地質(zhì)情況對(duì)掌子面前方的反射波相位、溶洞、斷層、反射波相位、節(jié)理裂隙密集帶及富水情況等不良地質(zhì)情況做出相應(yīng)推斷。

圖2 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)建立

依據(jù)TSP有效資料和圍巖勘察情況，本次選擇巖石完整性系數(shù)Kv、泊松比μ、楊氏模量E、縱波波速Vp和地下水開發(fā)狀況W作為評(píng)價(jià)圍巖地質(zhì)條件的主要因素。

3.1 巖體完整性系數(shù)

巖體完整性是指巖體地質(zhì)界面發(fā)育程度中的各種裂隙，其定量指標(biāo)是巖體工程表征的重要參數(shù)。計(jì)算如式（1）：

式中 Kv為巖體完整性系數(shù)；Vp為巖體縱波速度（km/s）；Vs為巖體橫波速度（km/s）。

3.2 巖石物理力學(xué)參數(shù)

TSP的傳感器可以接收反射波信息，并按不同的日期顯示與界面相關(guān)的特征和發(fā)生情況。隧道的泊松比μ、楊氏模量E等可由式（2）、式（3）求得，以便對(duì)隧道工作面前的不良地質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

式中 μ為泊松比；E為楊氏模量 （GPa）；P為巖體密度（kg/m3）。

3.3 地下水（W）

地下水是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素。水的作用主要是侵蝕可溶性水泥和小顆粒填充巖石和結(jié)構(gòu)表面，軟化和降低巖石的強(qiáng)度。當(dāng)巖體較好，無(wú)含水或承壓水較小時(shí)，地下水對(duì)圍巖的影響較小。當(dāng)巖體質(zhì)量差、有涌水、水壓大時(shí)，地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大，應(yīng)充分考慮地下水的作用。地下水的開發(fā)是一個(gè)定性指標(biāo)，根據(jù)表1進(jìn)行量化。

表1 地下水等級(jí)劃分

3.4 圍巖等級(jí)劃分

影響隧道圍巖質(zhì)量的因素可概括為： 巖石本身的強(qiáng)度、巖體結(jié)構(gòu)面的影響、工程因素和工程地質(zhì)環(huán)境4個(gè)方面。本文按照評(píng)價(jià)因子簡(jiǎn)單、易于確定的原則，對(duì)巖體的縱波波速Vp、巖體完整性指數(shù)Kv、泊松比μ、楊氏模量E和地下水W共5個(gè)因子建立了分類評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)圍巖由好到差，I～V分為5個(gè)等級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2，表3。

表2 圍巖等級(jí)劃分

表3 圍巖等級(jí)劃分

根據(jù)巖體5個(gè)不同指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，得到相應(yīng)的指標(biāo)評(píng)分，再根據(jù)綜合指標(biāo)評(píng)分將圍巖質(zhì)量由好到差分為I～V 5個(gè)等級(jí)，分?jǐn)?shù)越高則代表圍巖質(zhì)量越好。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)地震波場(chǎng)響應(yīng)特征原理，通過選取影響圍巖水平的主要因素，建立分類評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)圍巖等級(jí)進(jìn)行劃分，定量描述了各項(xiàng)指標(biāo)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確。