錘擊TSP預(yù)報系統(tǒng)在凝灰?guī)r隧洞滲水精細(xì)預(yù)報中的應(yīng)用

陳 亮，李俊杰

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310002)

甌江流域是浙江省第二大流域，甌江引水工程主要任務(wù)是將甌江上游優(yōu)質(zhì)水源引入溫州市城區(qū)，是溫州市優(yōu)化流域水資源配置，提高優(yōu)質(zhì)水資源利用效率的重要手段。甌江引水工程輸水線路以渡船頭取水樞紐為起點，經(jīng)甌江翻水站后到達(dá)龍灣區(qū)豐臺出口，沿程分別向鹿城區(qū)、甌海區(qū)及龍灣區(qū)部分水廠配水。該工程為Ⅱ等工程，設(shè)計多年平均引水流量25m3/s，輸水線全長61.0km，其中隧洞段59.7km、埋管段0.6km，頂管段0.7km。隧洞采用鉆爆法結(jié)合盾構(gòu)、TBM法施工，干線鉆爆法施工段56.2km，盾構(gòu)法施工段0.8km，TBM法施工段2.7km。長距離輸水隧洞因隧洞埋深差異大，洞線常穿越復(fù)雜地形地貌，沿線地質(zhì)條件多樣化，采用超前地質(zhì)預(yù)報手段可事先預(yù)判隧洞前方不良地質(zhì)的分布情況，保障施工安全。

地震反射波法是隧洞預(yù)報最常用的物探手段之一，同時也是鐵路隧道施工的重要環(huán)節(jié)。其通過在隧洞壁人工激發(fā)的彈性波的反射特征來推斷掌子面前方不良地質(zhì)(如溶洞發(fā)育區(qū)、含泥富水?dāng)鄬?的空間分布形態(tài)，繼而為隧洞后續(xù)隧洞施工與圍巖支護(hù)提供指導(dǎo)。TSP是最早引入國內(nèi)的隧洞地震預(yù)報系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備了高精度加速度傳感器，能接收隧洞空間百米范圍內(nèi)的微弱地震反射信號，輔以成熟的商業(yè)處理軟件，在大型溶洞、構(gòu)造發(fā)育區(qū)及地下水富集區(qū)的預(yù)報均獲得了良好的效果[1-6]。隨著TSP最新一代產(chǎn)品TSP303的發(fā)布，國內(nèi)類似隧洞地震預(yù)報系統(tǒng)也快速發(fā)展起來，如TGP、TST、TETSP、TSP-SK、AGI-T3、TSEP。針對TSP只可用于基于炸藥震源的鉆爆法施工隧洞，國內(nèi)預(yù)報設(shè)備多采用人工錘擊震源或可控震源，使其可進(jìn)一步嘗試于TBM或盾構(gòu)方式掘進(jìn)的隧洞超前預(yù)報。通過大量文獻(xiàn)查詢可知TSP預(yù)報成功案例遠(yuǎn)超國內(nèi)方法。本文討論了一種少見文獻(xiàn)報導(dǎo)的錘擊TSP預(yù)報系統(tǒng)，分析了錘擊方式與傳統(tǒng)爆破激發(fā)方式下TSP反射數(shù)據(jù)的差異，總結(jié)了錘擊TSP系統(tǒng)在大小隧洞洞徑下檢波器的數(shù)量及觀測系統(tǒng)的布置方式。本文的隧洞預(yù)報案例顯示TSP在橫波異常區(qū)與巖體滲水區(qū)范圍較一致，可為未來TBM掘進(jìn)方式下TSP預(yù)報工作的研究打下基礎(chǔ)。

1 錘擊系統(tǒng)簡介

TSP303其采用錨固劑與塑料錨栓耦合地震檢波器。該設(shè)計優(yōu)勢在于裝有檢波器的塑料套管可重復(fù)使用，相對TSP203采用一次性鋼管固定檢波器的方式，極大地節(jié)約了TSP預(yù)報成本。TSP303在設(shè)計之初預(yù)留了錘擊震源接口，但在2021年中下旬推出的TSPplus3.0軟件中才集成了錘擊激發(fā)采集數(shù)據(jù)模塊，此前研究者目光幾乎聚焦于鉆爆法施工的TSP超前地質(zhì)預(yù)報，有關(guān)錘擊型TSP的研究工作仍處于起步階段。

錘擊TSP觀測系統(tǒng)與爆破方式下的觀測系統(tǒng)大體類似，圖1為錘擊TSP觀測系統(tǒng)布置圖，如圖1所示，錘擊TSP觀測系統(tǒng)檢波器布置于距掌子面30m左右(傳統(tǒng)TSP觀測系統(tǒng)此距離約在50～55m)的兩側(cè)隧洞壁上。筆者大量預(yù)報經(jīng)驗表明，當(dāng)隧洞洞徑大于6m時，因錘擊產(chǎn)生的地震波能量較小，與錘擊點對側(cè)的檢波器接收數(shù)據(jù)信噪比偏低，此時考慮布置一個檢波器即可。為盡可能顯示出24道地震數(shù)據(jù)的初至波延時及原始振幅，錘擊型TSP偏移距宜控制在7m左右(傳統(tǒng)TSP為15～20m)，炮間距宜控制在1m(傳統(tǒng)TSP為1.5m)。采集數(shù)據(jù)時錘擊點高度與檢波器高度盡量一致，約高出隧洞地面1～1.5m。對隧洞洞壁噴漿厚度較薄的Ⅱ—Ⅲ類圍巖，錘擊點可直接作用于隧洞壁上，若洞壁噴漿尚未凝固，還需將錘擊點附近濕潤的水泥鑿除。對于Ⅳ—Ⅴ類圍巖，通常設(shè)計噴漿厚度較大，此時開展錘擊TSP工作需在錘擊點附近打孔，孔深需大于設(shè)計噴漿厚度，并采用直徑略小于孔徑的粗鋼釬插入孔底并以類似“敲釘子”的方式激發(fā)地震波。

2 錘擊TSP數(shù)據(jù)分析

本文的錘擊TSP工作開展于呈岸隧洞，該隧洞局部穿越溝谷段，上覆巖體薄，地面有常年流水的河流，成洞地質(zhì)條件差，屬不穩(wěn)定性巖體易冒頂，隧洞開挖時有較大的滲水可能性，故在施工期開展了TSP預(yù)報工作。因隧洞洞徑較大，僅布置了與隧洞地震波激發(fā)點同側(cè)的單一接收器。圖2為呈岸隧洞段錘擊TSP采集原始波形圖，如圖2所示，反射波總體“毛刺”狀高頻干擾小，反射波初至清晰、時間上也未見明顯過早或過晚觸發(fā)導(dǎo)致單道反射波形延時錯誤等問題，原始數(shù)據(jù)的信噪比較高。圖3為錘擊TSP采集原始數(shù)據(jù)頻譜圖，如圖3所示，在主頻帶50～1500Hz范圍內(nèi)，檢波器接收的地震反射數(shù)據(jù)x、y、z三分量歸一化振幅均大于1，其中x方向為隧洞掘進(jìn)方向，y方向為垂直洞壁遠(yuǎn)離洞軸線方向，z方向垂直向上。對錘擊激發(fā)地震波能量而言，接收的反射信號振幅總體較大，其中y分量反射波能量最大，說明錘擊隧洞壁激發(fā)地震波的方式下，可接收到的橫波能量較強(qiáng)，因橫波多對流體敏感，錘擊TSP系統(tǒng)很適合隧洞含水體的預(yù)報。

如圖4所示為錘擊TSP采集原始數(shù)據(jù)能譜及二維濾波處理后能譜，采用二維濾波處理可有效去除高頻聲波干擾。TSP系統(tǒng)默認(rèn)地震波在隧洞傳播過程中能量以指數(shù)形式規(guī)律衰減，故指數(shù)曲線右側(cè)的信號將被切除，但當(dāng)高頻聲波干擾嚴(yán)重時，指數(shù)曲線右側(cè)仍會有大量能量團(tuán)殘留，繼而影響TSP預(yù)報準(zhǔn)確性。此現(xiàn)象在爆破型TSP系統(tǒng)中較常出現(xiàn)，而文中的錘擊TSP數(shù)據(jù)經(jīng)二維濾波處理后指數(shù)曲線右側(cè)的能量被完全去除，間接體現(xiàn)了錘擊TSP原始數(shù)據(jù)采集效果好。

圖4 錘擊TSP采集原始數(shù)據(jù)能譜及二維濾波處理后能譜

圖5為錘擊TSP數(shù)據(jù)直達(dá)波拾取處理后地震波波形，該處理步驟旨在獲得縱波波速的參考值，后期計算的TSP波速成果均以此為參考，且最大最小值均不會超出參考值1000m/s，故波速參考值應(yīng)盡量接近巖體真實波速。如圖5所示，隧洞壁直達(dá)波波速約5637m/s，此數(shù)值與該隧洞段勘探時期聲波波速成果大體較吻合，巖體完整性較好，為Ⅱ類圍巖。

圖5 錘擊TSP數(shù)據(jù)直達(dá)波拾取處理后地震波波形

圖6為錘擊TSP數(shù)據(jù)反射波提取處理后地震波波形，此步驟為TSP數(shù)據(jù)處理的核心內(nèi)容之一，是影響TSP預(yù)報準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。該步驟由最大增益與Q值2個參數(shù)組成，筆者大量成功預(yù)報經(jīng)驗表明，前者取值區(qū)間建議為20～25，后者建議為15～20，文中采用的數(shù)值分別為25，20。如圖6所示，數(shù)據(jù)處理后反射剖面中的反射波被很好地識別出來。

3 TSP預(yù)報成果及隧洞實際開挖情況比對

圖7為錘擊TSP預(yù)報成果，如圖7所示，掌子面前方145m范圍內(nèi)(樁號0+104～0+249)圍巖縱波速度為4928～6041m/s；橫波速度為3097～3403m/s；縱橫波波速比為1.53～1.88；泊松比為0.13～0.3；密度為2.74～2.93g/cm3；靜態(tài)楊氏模量為51～82GPa；動態(tài)楊氏模量為64～86GPa；剪切模量為26～34GPa；體積模量為29～62GPa。就凝灰?guī)r隧洞探測而言各物理力學(xué)指標(biāo)總體較好，局部稍差，表明TSP預(yù)報范圍內(nèi)巖體完整性總體較好，局部節(jié)理裂隙發(fā)育或較破碎，局部巖體含少量裂隙水，推測TSP探測區(qū)域內(nèi)巖體多以Ⅲ～Ⅱ類為主，可能存在少量Ⅲ～Ⅳ類圍巖。其中0+104～0+121與0+131～0+137區(qū)域縱橫波波速、密度及各物理力學(xué)指標(biāo)多呈現(xiàn)極小值，0+208～0+222區(qū)段橫波波速呈現(xiàn)極小值，TSP預(yù)報異常區(qū)域地質(zhì)解釋及推斷詳見表1。

表1 錘擊TSP預(yù)報成果與開挖實際對比表

圖7 錘擊TSP預(yù)報成果

以上分析結(jié)果表明錘擊TSP預(yù)報范圍內(nèi)巖體完整性與穩(wěn)定性總體較好，后期隧洞開挖至樁號0+211附近洞壁開始出現(xiàn)股狀流水(如圖8所示畫圈處)，TSP波速與各力學(xué)指標(biāo)的變化與隧洞圍巖變化相吻合。

圖8 樁號0+211附近洞壁滲水

4 結(jié)論與建議

(1)本文采用錘擊TSP預(yù)報系統(tǒng)實現(xiàn)了凝灰?guī)r隧洞滲水區(qū)域的精細(xì)探測，詳細(xì)說明了錘擊TSP觀測系統(tǒng)設(shè)計以及采集原始數(shù)據(jù)的特點，介紹了錘擊TSP系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程及重要處理步驟參數(shù)的建議值。TSP預(yù)報成果顯示距離大于100m區(qū)域存在明顯橫波低值異常區(qū)，經(jīng)開挖證實此處異常區(qū)隧洞壁多處存在滲水現(xiàn)象，說明了錘擊TSP預(yù)報在隧洞長距離預(yù)報中的有效性。

(2)錘擊TSP系統(tǒng)尤其適合觀測系統(tǒng)洞壁段地質(zhì)條件為Ⅱ—Ⅲ類圍巖的超前預(yù)報，此條件下采集的原始數(shù)據(jù)能量雖不及爆破型TSP數(shù)據(jù)，但前者不易產(chǎn)生高頻聲波干擾，接收的地震反射信號更為純凈。

(3)錘擊TSP預(yù)報系統(tǒng)避免了炸藥的使用，極大地節(jié)約了TSP預(yù)報工作前期溝通及數(shù)據(jù)采集的時間成本，且其觀測系統(tǒng)長度約為爆破型TSP系統(tǒng)的一半，適用條件更廣泛。