TSP與TST工程應(yīng)用對比研究

鄭苗苗 姚海波 劉玉潔 聶忠權(quán)

摘 要：目的：為比較Tunnel Seismic Prediction（TSP）與Tunnel Seismic Tomography（TST）在工程應(yīng)用中的技術(shù)特點(diǎn)，研究二者在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的適用性。方法：本文選擇崗烏、丫口寨和坡桑三條地質(zhì)條件較為復(fù)雜的隧道作為研究對象，通過TST與TSP的探測結(jié)果進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對比研究。結(jié)果：結(jié)果表明，TSP操作簡單，進(jìn)度快，結(jié)果較為準(zhǔn)確，但存在漏判。TST探測結(jié)果與實(shí)際開挖結(jié)果接近，進(jìn)度快，但造價(jià)高，工作量較大。結(jié)論：因此，建議采用多種手段相結(jié)合的方式進(jìn)行隧道超前預(yù)報(bào)。

關(guān)鍵詞：TSP;TST;工程應(yīng)用;超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，公路、鐵路交通網(wǎng)的不斷發(fā)展，礦山資源開采的不斷加快。由于西部山區(qū)深部地質(zhì)條件相對復(fù)雜，在隧道施工、探采深部資源的同時，也面臨著嚴(yán)峻的安全問題。為了防止安全事故的發(fā)生，及時、有效地掌握施工期間掌子面前方的地質(zhì)情況，以減少或杜絕施工過程中的地質(zhì)災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全，采用合理的施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，可有效地減少安全事故的發(fā)生，提高隧道工程的綜合效益[1]-[3]。目前，TSP技術(shù)在世界范圍內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，但未進(jìn)行波場分離和方向?yàn)V波，未濾除側(cè)向波和面波，不可避免地在縱橫波中包含側(cè)向波干擾，預(yù)報(bào)圖像中包含虛假成分，造成誤報(bào)，存在較嚴(yán)重的技術(shù)缺陷。TST系統(tǒng)2007年投入市場，也已成功地解決了一系列超前預(yù)報(bào)的技術(shù)問題，成就了國際領(lǐng)先水平[4]-[7]。因此，在工程施工中如何選擇高效可靠的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)，使其在復(fù)雜地層條件、不良地質(zhì)體等方面發(fā)揮重要作用，確保山區(qū)深部開拓工程的施工工期，減少安全事故的發(fā)生，對比研究TSP與TST對隧道超前預(yù)報(bào)的適用性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 TSP與TST技術(shù)概況

1.1 TSP技術(shù)特點(diǎn)

TSP作為一種比較先進(jìn)的探測手段，已它具有預(yù)報(bào)距離相對較長、精度較高、提交資料及時、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，尤其與隧洞軸線或呈大角度相交的面狀軟弱帶，如斷層、破碎帶、軟弱夾層、地下洞穴（溶洞）以及地層的分界面等效果較好。

數(shù)據(jù)采集時，在隧洞一邊側(cè)墻等間隔鉆制20余個炮孔，兩側(cè)壁鉆取2個檢波器孔，使檢波器置入套管中，依次激發(fā)，從掌子面前方任一波阻抗差異界面反射的信號及直達(dá)波信號將被2個三分量檢波器接收，該過程所需時間約1小時。TSP三分量檢波器埋入隧道側(cè)壁1.5～1.9m，炮點(diǎn)設(shè)置在側(cè)壁巖體內(nèi)1.5m，等間距排列，與接收點(diǎn)在一條平行隧道走向的直線上，這與國內(nèi)的采用“負(fù)視速度法”的觀測方式基本相同。TSP系統(tǒng)炮孔布置于面向掌子面方向右側(cè)，炮孔和接收器孔的布置位置見圖1。

TSP采用深度偏移成像方法。在偏移成像之前進(jìn)行二維Radon變換，利用視速度的差異，消除與隧道走向近乎平行的反射界面，利用TSPwin軟件對縱、橫波（P、SV、SH）分別進(jìn)行處理，可得P波和S波波場分布規(guī)律。

TSP技術(shù)在隧道反射地震方面是做得比較好，有較好的實(shí)用性。但是由于受觀測方式的限制，不可能對與隧道特小角度相交或平行的斷層產(chǎn)狀、位置進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，仍存在很多技術(shù)缺陷，如：對不規(guī)則形態(tài)的地質(zhì)缺陷或與隧洞軸線平行的不良地質(zhì)體，如幾何形狀為圓柱體或圓錐體的溶洞、暗河及含水情況探測有一定的局限性，不能進(jìn)行三維波場分離，消除側(cè)向干擾波，TSP不能準(zhǔn)確地確定圍巖波速等[8]-[11]。

1.2 TST技術(shù)優(yōu)勢

TSTTST技術(shù)采用F-K變換進(jìn)行波場分離和方向?yàn)V波，其系統(tǒng)硬件主要由地震信號采集器、地震信號記錄器、檢波器及連接線纜、震源等幾部分組成，詳見圖2。測試時可在隧洞內(nèi)掌子面、兩側(cè)、上頂和下底面，也可在隧洞外山頂布置8個炮孔和8個檢波器孔，洞內(nèi)觀測時檢波器埋入巖體1.5～2m，以避免聲波和面波干擾?？刹捎帽ɑ蚩煽卣鹪醇ぐl(fā)地震波。

TST軟件包括地震數(shù)據(jù)預(yù)處理、方向?yàn)V波、偏移成像、速度掃描四大模塊。在深入地研究地下三維波場特征的基礎(chǔ)上，從觀測方案、三維波場分離、圍巖波速分析、散射波場原理、偏移成像等方面進(jìn)行了理論研究與軟件技術(shù)開發(fā)，成功地解決了超前預(yù)報(bào)的技術(shù)問題，成就了國際領(lǐng)先水平[8][12]-[14]。

2 TSP與TST工程對比研究

TSP與TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，均采用地球物理方法中的地震波法原理進(jìn)行地質(zhì)探測，能夠預(yù)報(bào)斷層帶、巖性接觸帶、軟弱夾層、采空區(qū)、涌水、溶洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象，有效預(yù)報(bào)距離100～200m。為了研究二者在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的適宜性，本文選擇崗烏、丫口寨和坡桑三條地質(zhì)條件較為復(fù)雜的隧道作為研究對象，進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對比研究。

2.1 崗烏隧道進(jìn)口超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對比

首先采用TSP對進(jìn)口D1K868+565～D1K868+665段進(jìn)行預(yù)報(bào);然后使用TST對進(jìn)口D1K868+575～D1K868+725段進(jìn)行對比，預(yù)報(bào)結(jié)果見圖3，效果對照見表1。

表1中超前地質(zhì)對比預(yù)報(bào)結(jié)果表明：TSP操作簡單，進(jìn)度快，結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是存在漏判;TST探測結(jié)果與實(shí)際開挖結(jié)果接近，進(jìn)度快。

2.2 丫口寨隧道出口超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對比

先采用TSP對出口D1K849+812～D1K849+712段進(jìn)行預(yù)報(bào)，再用TST對出口D1K868+805～D1K868+655段進(jìn)行對比，預(yù)報(bào)結(jié)果表明TSP仍存在漏判，見圖4和表2。

2.3 坡桑隧道進(jìn)口超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對比

同樣先用TSP對進(jìn)口D1K835+380～D1K835+480段進(jìn)行預(yù)報(bào)，再用TST對進(jìn)口D1K835+385～D1K868+535段進(jìn)行對比，預(yù)報(bào)結(jié)果見圖5和表3，預(yù)報(bào)結(jié)果亦表明TST探測結(jié)果與實(shí)際開挖結(jié)果接近，TSP結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是存在漏判。

3 結(jié)論與建議

TSP操作簡單，進(jìn)度快，結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是存在漏判。TST探測結(jié)果與實(shí)際開挖結(jié)果接近，進(jìn)度快，但造價(jià)高、工作量較大。因此，建議采用多種手段進(jìn)行隧道超前預(yù)報(bào)。

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作者簡介：鄭苗苗（1984—），女，漢族，陜西西安人，博士，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害、礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)方面的研究工作。