張世杰

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司, 北京 100055)

1 簡(jiǎn)介

TSP由瑞士Amberg測(cè)量技術(shù)公司研發(fā),該測(cè)量系統(tǒng)利用地震波在不均勻的地質(zhì)構(gòu)造中產(chǎn)生的反射波特性來準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧道施工前方幾百米范圍內(nèi)地質(zhì)條件和巖石特性變化,一切工作均在工作面后方和毛洞中進(jìn)行,不會(huì)影響連續(xù)施工的進(jìn)程,僅在采集數(shù)據(jù)時(shí)為降低環(huán)境噪聲對(duì)結(jié)果分析產(chǎn)生的負(fù)面影響,需要暫停工作半小時(shí)左右。這是一種測(cè)試面與探測(cè)面互為垂直的觀測(cè)系統(tǒng)。

2 TSP探測(cè)原理

該系統(tǒng)建立在對(duì)反射地震波信號(hào)的接受和處理的物探基礎(chǔ)上,它的基本原理是利用震動(dòng)波的反射在隧道的邊墻上布置一定數(shù)量的炮孔,通過小藥量爆炸時(shí)激發(fā)產(chǎn)生的地震波。地震波在周圍巖石以球面波的形式傳播,地震波遇到波阻抗異界面(即波速產(chǎn)生變化的界面),有一部分信號(hào)會(huì)產(chǎn)生反射,反射信號(hào)將被高靈敏度的三分量加速地震檢波器所接受并記錄下來(如圖1所示)。

圖1 TSP203原理

2.1 理論基礎(chǔ)

在爆炸過程中,地震波以直達(dá)波和反射波兩種形式傳到傳感器,該系統(tǒng)由測(cè)得從震源直達(dá)波傳播到傳感器的時(shí)間換算成地震波的波速。

在已知地震波波速的條件下,可以通過測(cè)出反射波傳播時(shí)間推出反射面與接受氣的距離,及與隧道斷面的距離。有

式中T2——反射波的傳播時(shí)間；

X2——震源與反射界面的距離；

X3——傳感器與反射界面的距離。

地震波反射的振幅與反射界面的發(fā)射系數(shù)有關(guān)。一般情況下,當(dāng)簡(jiǎn)諧波垂直入射到平面發(fā)射街面上,其上的反射波振幅和直達(dá)波振幅分別為

式中R——反射系數(shù)；

Ar——反射波振幅；

Ad——直達(dá)波振幅；

ρ1,ρ2——反射界面兩側(cè)介質(zhì)的密度；

Vp1,Vp2——反射界面兩側(cè)介質(zhì)的速度。

當(dāng)直達(dá)波振幅Ad一定時(shí),反射波振幅Ar與反射系數(shù)R成正比。而波阻抗越大,反射波振幅就越大。當(dāng)介質(zhì)Ⅱ的波阻抗大于介質(zhì)Ⅰ的波阻抗,即地震波從較疏松介質(zhì)傳播到致密介質(zhì)時(shí),反射系數(shù)R>0,此時(shí)反射波振幅與入射波振幅同號(hào)；反之,如果波從致密介質(zhì)傳播到較疏松介質(zhì)時(shí),反射系數(shù)R<0,反射波與入射波之間存在180°的相位差。

2.2 TSP處理成果的解釋,遵循下述原則

①正反射振幅表明硬巖層,負(fù)反射振幅表明是軟巖層；

②若S波反射較P波強(qiáng),則表明巖層飽含水；

③若Vp/Vs增加或泊松比突然增加,表明有流體存在；

④若Vp下降,則表明裂隙或孔隙度增加。

3 TSP的優(yōu)缺點(diǎn)比較

3.1 優(yōu)點(diǎn)

①預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)。一般能預(yù)報(bào)工作面前方100～350 m范圍內(nèi)的地質(zhì)狀況,圍巖越穩(wěn)定預(yù)報(bào)的距離越長(zhǎng)。地質(zhì)雷達(dá)通常小于30 m,沖擊鉆機(jī)和地質(zhì)鉆機(jī)通常也在50 m內(nèi)。

②能適用于極軟巖至極硬巖的任何地質(zhì)狀況。

③在精度范圍內(nèi),TSP能測(cè)出工作面前方內(nèi)的斷層帶,含水層的空間位置,而地質(zhì)雷達(dá)和沖擊鉆機(jī)均無此功能,不能給出斷層帶、含水層的三維分布信息。

④能及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,節(jié)省了時(shí)間,能自動(dòng)繪出波速有差異的地質(zhì)界面相對(duì)隧道軸線的地質(zhì)平面圖和縱斷面圖。

3.2 缺點(diǎn)

①TSP探測(cè)出巖性變化的軟弱面或水層的位置有一定的差異。

②TSP在探測(cè)有害氣體、含水層地下水壓力及流量等方面顯得力不從心。

③在溶洞的探測(cè)上,由于喀斯特溶洞大小不定,形態(tài)各異,幾何形狀變化較大,有些溶洞有可能探測(cè)不到,會(huì)造成危險(xiǎn)地質(zhì)情況的忽略。

4 應(yīng)用實(shí)例及結(jié)果分析

該隧道及兩岸接線工程全長(zhǎng)8.695 km,其中隧道長(zhǎng)5.948 km,兩岸接線長(zhǎng)2.747 km。

圖2 2D成果顯示

本標(biāo)段陸域?yàn)轱L(fēng)化剝蝕型微丘地貌,兩岸地勢(shì)開闊平坦,主要為殘丘—紅土臺(tái)地,丘頂高程20～35 m,丘體多呈橢圓體,坡度和緩。丘間洼地高程一般5～15 m,溝、塘較多。海岸帶為海蝕海岸及堆積海灘地貌,岸線曲折,岸坡以土質(zhì)陡坎為主,坎高7～20 m,部分地段坎底基巖裸露,多為侵蝕海岸,海灘多礁石。五通側(cè)海域水下岸坡稍陡,一般水深20 m,最深處25 m,海底起伏,多有礁石分布。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪和鉆探揭示,本標(biāo)段地層主要為第四系覆蓋層及燕山期侵入巖兩大類。第四系地層以侵入巖殘積土為主,其次為上更新統(tǒng)沖洪積、以白色基調(diào)為主的黏性土(當(dāng)?shù)胤Q白土)和黏土質(zhì)砂為主間有少量全新世沖坡積或海積砂土、黏性土、淤泥等。

基巖以燕山早期第二次侵入的花崗閃長(zhǎng)巖及中粗粒黑云母花崗巖為主,其內(nèi)穿插二長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)玢巖、輝綠巖(玢巖)等巖脈,巖脈以輝綠巖最為多見,多沿本標(biāo)段最為發(fā)育的近南北向及北北東向高角度裂隙侵入,脈寬一般不足1 m,個(gè)別部位寬達(dá)10～20 m；二長(zhǎng)巖脈多分布于斷層F1和F4深槽。基巖按風(fēng)化程度可分為全、強(qiáng)、弱、微四個(gè)風(fēng)化帶。

在探測(cè)段NK6+778～NK6+908范圍內(nèi),工作面前方為全強(qiáng)風(fēng)化的圍巖,與目前隧道已開挖段相同,風(fēng)化不均勻,風(fēng)化界線起伏較大,局部存在大孤石，此段圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。其中NK6+808～NK6+855段風(fēng)化基巖裂隙水較發(fā)育,為弱含水層,巖體濕潤(rùn)局部有少量滲水。整段圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

該探測(cè)的情況與實(shí)際開挖情況基本一致。特別是根據(jù)深度偏移剖面的特征及提取的相應(yīng)反射層的資料,準(zhǔn)確的解釋和預(yù)報(bào)了該段所存在的地質(zhì)情況(如圖2所示)。

5 結(jié)束語

使用該系統(tǒng)能及時(shí)了解和掌握工作面前方的地質(zhì)情況,為隧道施工及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)提供理論依據(jù),可有效控制地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。但是,任何事物都應(yīng)一分為二的看待,TSP同樣也有缺陷,對(duì)于某些地質(zhì)信息反映不出。所以在使用過程中應(yīng)結(jié)合多方面的信息，采用多種方法進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào),將風(fēng)險(xiǎn)減到最小。

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