湯 博，李志剛

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津300250）

1 基本原理

TSP24地質(zhì)超前預(yù)報探測系統(tǒng)作為無碳方法的一種，其基本原理是利用地震波的反射，人工形成一系列有規(guī)則排列的輕微震源，通過微量炸藥形成的震源發(fā)出的地震聲波能夠沿著隧道的前方及洞身四周傳播。當(dāng)遇到某些不良地質(zhì)體（節(jié)理面、裂隙面、富水性巖層，特別是斷層破碎帶界面等波阻抗界面）時，產(chǎn)生反射地震波信號，其準(zhǔn)確預(yù)報范圍為掌子面前方100～150m。這些反射波信號的傳播速度、延遲時間、波形、強(qiáng)度和方向是與相應(yīng)的不良地質(zhì)體的性質(zhì)和分布狀況緊密相關(guān)的，由三分量地震波接收器采集反射的地震波，通過分析可以得出前方地層的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)。

TSP24 是一種專門為隧道超前預(yù)報而設(shè)計的檢測系統(tǒng)，其在應(yīng)用中需要充分考慮巖層的地質(zhì)邊界條件。當(dāng)被探測巖層存在能夠使地震波反射的界面，而且這個界面的法線與隧道軸線的夾角越小效果越好；探測富水性巖層時，需要含水巖層具有一定的延伸形成界面，才能達(dá)到最好的探測效果；另外探測效果還與溶槽洞穴的發(fā)育狀態(tài)及走向有關(guān)。

TSP24探測的分辨率與探測深度成反比，與探測不良地質(zhì)體的體積成正比，物探稱之為洞徑比，即探測深度與被探測物的直徑之比，一般洞徑比大于20時分辨率會嚴(yán)重降低，最終影響判釋結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 現(xiàn)場布置及成果解釋

2.1 測線測點布置

在隧道掘進(jìn)方向左邊墻的同一水平線上從外向里布置1個傳感器接收鉆孔和24個炮孔，傳感器接收鉆孔距第1個炮孔20m，炮孔間距1.5m，炮孔高度1.0m，最后1個炮孔距掌子面8m，接收孔、炮孔深度均為2m，如圖1。

圖1 TSP24 測線布置示意圖

2.2 資料分析

在資料整理分析中，主要用P 波剖面資料對巖層進(jìn)行劃分，并結(jié)合S 波資料對地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行比對分析解釋，并遵循以下準(zhǔn)則：

（1）正反射振幅表明硬巖層，負(fù)反射振幅表明軟巖層；

（2）若S 波反射較P 波強(qiáng)，則表明巖層飽含水；

（3）Vp/Vs增加或δ 突然增大，則是由于裂隙水的存在而引起；

（4）若Vp下降，則表明巖層的裂隙或孔隙度增加。

誤差分析：在TSP 記錄到地震波信號時，由于地震波速的離散性較大，在后續(xù)進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理時需要取震源的波速平均值，并進(jìn)行強(qiáng)制校正；當(dāng)出現(xiàn)兩個地震反射面的間距小于1m 時，則需要合并為一個界面，并且要控制預(yù)報誤差在預(yù)報范圍的5%以內(nèi)。

3 工程實例

3.1 大廟隧道工程概況

大廟隧道位于承德市圍場縣與隆化縣交界的位置，起始位置位于茅荊壩鄉(xiāng)，尾端位于蘭旗卡倫鄉(xiāng)，屬于大廣高速承赤段，隧道為西北-東南走向，兩條分離式單行曲線隧道，洞身寬10.25m，洞高5.0m，隧道左線起始里程樁號ZK4 ＋565 ～ZK10 ＋200，長5635m，隧道右線起始里程樁號YK4＋555～YK10＋200，長5645m，屬特長隧道。

隧道以北臨近內(nèi)蒙高原，受高壓控制影響較大，屬大陸性季風(fēng)氣候，春秋干旱多風(fēng)，冬季干寒漫長，夏季短促，雨量充沛，晝夜溫差懸殊。經(jīng)地表踏勘及鉆探，隧道區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)地下水。隧道區(qū)屬中山區(qū)，地形較簡單，洞口兩側(cè)為坡積地，溝壑較發(fā)育，洞口兩側(cè)坡度較緩，為5°～15°。山體呈西北-東南走向，最高海拔1140m，最低海拔790m，相對高差344.2m。

隧道區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)洪坡積（Q4p1＋d1）碎石、角礫土，白堊系大北溝組（K1d）凝灰?guī)r、火山角礫巖。

在探測段ZK9+493～ZK9+353 范圍內(nèi)，掌子面前方為弱風(fēng)化圍巖，與隧道開挖段相同，風(fēng)化比較均勻，巖體較完整，局部存在較大裂隙，此段圍巖級別為Ⅲ級。

3.2 測量資料處理

通過TSP24 地震波法隧道地質(zhì)超前探測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理，獲得P 波、SH 波、SV 波的時間剖面、深度偏移剖面和反射層提取及巖石物性參數(shù)等一系列結(jié)果。

利用TSP24 地震波法隧道地質(zhì)超前探測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件可得P 波和S 波波場分布規(guī)律，通過建立觀測系統(tǒng)→初至拾取→炮能量均衡→擴(kuò)散補(bǔ)償→頻率濾波→自動增益控制→波場分離→P、S 波分離→速度掃描→深度偏移成像→地質(zhì)解釋等11 步分析處理過程，最終顯示掌子面前方與隧道軸線相交的反射同相軸及地質(zhì)解譯的二維成果如圖2～圖3。

圖2 TSP 深度偏移圖

圖3 TSP 隧道超前預(yù)報二維成果圖

成果及判釋準(zhǔn)則，解釋成果如表1。

表1 TSP 解釋成果

后經(jīng)開挖驗證，ZK9+463 處為一巖溶裂隙，現(xiàn)場出水量較大，掌子面炮眼處成瀑布狀涌水，該結(jié)果與TSP 探測結(jié)果相符。

4 結(jié)語

（1）TSP 探測系統(tǒng)具有預(yù)報距離長的優(yōu)點，能及時了解和掌握掌子面前方的地質(zhì)情況，而且使用范圍廣，能適用于極軟巖至極硬巖的任何地質(zhì)情況，為隧道施工及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)提供理論依據(jù)。

（2）不影響施工進(jìn)度的同時能有效防止洞頂坍塌的發(fā)生。但是TSP 同樣也有缺陷，存在判斷距離誤差，不能定量分析巖溶涌水水量情況，因此需要在TSP 提示存在破碎帶或含水層之前，利用其他預(yù)報方法相互驗證，才能將風(fēng)險減到最小。

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