TSP203Plus數(shù)據(jù)質(zhì)量影響因素分析與解決方法

鄭小洋　吉銳　羅雪濤

摘要 文章以瑞士安伯格TSP203Plus使用情況為例，在隧道超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用中，對預(yù)報中影響TSP數(shù)據(jù)質(zhì)量的常見因素進行分析，并提出了相關(guān)解決方法。TSP數(shù)據(jù)質(zhì)量的提高，有利于降低數(shù)據(jù)處理過程中的難度，提高TSP在預(yù)報時的準確性，以便更好地指導施工，避免風險地段出現(xiàn)誤報、漏報等情況，減少地質(zhì)風險對隧道施工安全的影響，保障隧道施工安全。

關(guān)鍵詞 TSP；數(shù)據(jù)質(zhì)量；因素分析；解決方法

中圖分類號 U452.11文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0070-03

0 引言

近年來隨著公路隧道的快速發(fā)展，新修建隧道難度越來越大，地質(zhì)情況更加復雜，風險程度也越來越高。在這種背景下，建設(shè)單位、設(shè)計單位對地質(zhì)預(yù)報的要求也隨之變高，長距離預(yù)報作為宏觀把控前方地質(zhì)風險的重要手段，對預(yù)報的準確性有了更高要求。TSP（Tunnel Seismic Prediction）作為地震波反射法[1]的一種，實際應(yīng)用中要求的準確性比較高，但數(shù)據(jù)采集時會遇到各種影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素，且直接影響數(shù)據(jù)分析結(jié)果的質(zhì)量，這些因素成為人們在數(shù)據(jù)采集中勢必要避免和要解決的問題。

1 TSP203Plus測試原理及方法

1.1 測試原理及方法

TSP屬于多波多分量的高分辨率地震反射法。沿著隧道邊墻的巖體引爆少量炸藥，便可產(chǎn)生地震波信號。信號在巖石中以球面波前的形式傳播。當巖石強度（波阻抗）發(fā)生變化[2]，如破碎帶或巖層變化，一部分信號發(fā)生反射，而其余信號繼續(xù)在巖體中傳播。反射信號到達高靈敏度接收器的時間可以測量，通過分析波在巖層中的傳播速度，就可以將反射信號的傳播時間轉(zhuǎn)換成距離（深度）。因此，根據(jù)這些信息，就可以確定巖性不連續(xù)的位置、與隧道軸的交角及其到掌子面的距離，從而掌握隧道掌子面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等）[3]和位置及規(guī)模。

1.2 觀測系統(tǒng)設(shè)計

TSP觀測系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)[4-5]及示意圖分別如表1和圖1所示。

2 TSP測試中影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的常見因素

2.1 炮孔及接收孔的成孔質(zhì)量差

（1）影響炮孔成孔質(zhì)量的主要因素是炮孔深度。根據(jù)觀測系統(tǒng)設(shè)計的炮孔深度為1.5 m，而在實施過程經(jīng)常出現(xiàn)炮孔深度不足的問題，主要原因有兩點：一是在打孔時未打到要求深度；二是因圍巖差導致塌孔，造成深度不足。深度不足會造成擊震炸藥裝不進或裝不到位，數(shù)據(jù)將受到聲波和面波噪聲[6]的干擾。炮孔深度不足的地震波信號見圖2所示。

（2）影響接收孔成孔質(zhì)量的因素主要有接收孔深度不足或不垂直、接收管安裝不到位、地震波呈鋸齒形且能量信號小。接收孔深度不足的地震波和能量信號見圖3所示。

2.2 炮孔注水的封孔效果不好

炮孔注水效果差主要有兩方面原因：一是炮孔傾角未按要求的下傾約15 °～20 °進行打孔；二是初支背后存在空洞或不密實，測試時無法注水封孔。測試也經(jīng)常存在受隧道現(xiàn)場條件影響而未進行注水封孔，造成擊震能量的損耗。未注水封孔能量效果見圖4所示。

2.3 接收套管的錨固效果不佳

接收套管是特制鋼管用于放置TSP信號接收單元接收返回的地震信號，套管必須固定在接收孔中，并與接收孔錨固牢固。目前主要采用雙組分環(huán)氧樹脂或錨固劑進行錨固。影響錨固效果的因素主要有兩方面：一是接收孔內(nèi)的巖渣未清除干凈，造成錨固效果差；二是接收孔內(nèi)有積水，造成環(huán)氧樹脂或錨固劑凝固時間長或無法凝固影響錨固的牢固性。無錨固或耦合地震波見圖5所示。

2.4 炸藥的用量不合理

受檢測條件和時間的影響，在大多情況下都按經(jīng)驗使每個炮孔炸藥的用量一樣，或是根據(jù)炮孔距接收孔的距離逐漸減少炸藥量進行裝藥。檢測時經(jīng)常出現(xiàn)藥量過少，能量小、信號差；藥量過大，造成信號振幅太強或溢出，地震波異常；而如果距離檢波器太近，還有可能對檢波器造成損傷。這些都會造成數(shù)據(jù)效果差、分析難度大、有效數(shù)據(jù)量少等問題。典型地震波見圖6所示。

3 影響因素的解決方法

3.1 提高成孔質(zhì)量和保障封孔效果

地質(zhì)預(yù)報人員應(yīng)在前期實施前，按要求與隧道現(xiàn)場管理人員和技術(shù)員進行技術(shù)交底，第一次應(yīng)在現(xiàn)場指導布點的要求及打孔時的注意事項，可以按標準要求用噴漆在邊墻上標出孔的位置，注明孔徑、深度、傾角信息，對不規(guī)范的情況及時指導并糾正錯誤，以保證接收孔及炮孔的深度和垂直度、傾角能滿足檢測要求；還應(yīng)加強溝通和反饋，以避免成孔后質(zhì)量差或無法使用的情況發(fā)生。成孔后應(yīng)吹孔將巖渣吹出，避免炸藥無法裝到孔底的情況發(fā)生；如遇到圍巖很差的情況，應(yīng)準備孔徑大小的PVC管，成孔后將管插入以避免塌孔后無法裝藥。成孔后應(yīng)及時開展預(yù)報工作。

3.2 提高接收套管錨固效果

提高套管錨固效果，應(yīng)首先將接收孔按φ42～45 mm孔徑和垂直隧道軸向、上傾約5 °～10 °布置，以保障成孔質(zhì)量?，F(xiàn)場布點時可以將接收孔位置標記出來，注明孔徑、深度、傾角信息，不滿足要求則應(yīng)重新打孔。必須保證環(huán)氧樹脂或錨固劑、套管都能深入孔底。

3.3 合理選擇炸藥的用量

為了獲取較強的信號振幅，必須使用高能的爆炸材料，所使用炸藥的爆炸速度應(yīng)控制在5 600 m/s以上，隧道開挖使用的乳化炸藥均應(yīng)滿足要求。在進行數(shù)據(jù)采集時，炸藥量應(yīng)結(jié)合隧道圍巖的堅硬和破碎程度進行選取。第一次預(yù)報應(yīng)在第一個炮孔進行試炮，以確定炸藥的使用量是否滿足要求，避免用量不合理導致信號振幅不理想而影響數(shù)據(jù)質(zhì)量?，F(xiàn)場檢測時可以多總結(jié)，對炸藥用量的使用可以結(jié)合炮孔距離接收孔的遠近進行炸藥量的調(diào)整。

4 對TSP接收套管耦合方式的思考

目前接收套管采用環(huán)氧樹脂或錨固劑進行錨固，套管為一次性耗材，預(yù)報成本高。通過對耦合方式的總結(jié)和實驗發(fā)現(xiàn)，采用黃油對套管進行耦合，不僅數(shù)據(jù)質(zhì)量效果較好，套管也能重復使用，直接降低了預(yù)報成本，同時數(shù)據(jù)質(zhì)量也有所保障。黃油耦合地震波效果見圖7所示。

5 結(jié)論

（1）TSP作為行業(yè)內(nèi)長距離預(yù)報認可度最高的設(shè)備，做好數(shù)據(jù)采集、保障數(shù)據(jù)質(zhì)量才能有效提高預(yù)報的準確性，避免誤報、漏報，從而更好地指導施工，減少或避免重大地質(zhì)風險對隧道施工安全的影響。

（2）TSP地質(zhì)預(yù)報中采用黃油耦合，不僅效果好，而且可以降低成本，可以在預(yù)報中廣泛運用。

參考文獻

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