鄭 祿

（遼寧省水資源管理集團(tuán)，遼寧 沈陽 110000）

1 TSP原理

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在設(shè)計(jì)的震源點(diǎn)（通常在隧洞的左或右邊墻，大約24個(gè)炮點(diǎn)）用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面（如斷層、破碎帶和巖性變化等）時(shí)，一部分地震信號(hào)反射回來，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的地震檢波器接收。數(shù)據(jù)通過TSPwin軟件處理，便可了解隧洞工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等）、位置及規(guī)模。為下一步的施工提前做好準(zhǔn)備，防止隧洞突發(fā)性涌水、塌方，保證施工安全，為后期開挖及支護(hù)提供詳細(xì)參數(shù)。

2 工作過程

2.1 施工區(qū)地質(zhì)構(gòu)造說明

遼寧省朝陽市屬華北古陸東北部，晚古生代 — 中生代侏羅紀(jì)末處于興蒙復(fù)合造山區(qū)的前峰帶（原內(nèi)蒙地軸）和前陸盆地（遼西臺(tái)陷），北臨西蒙造山帶。中生代白堊紀(jì)以來被環(huán)太平洋構(gòu)造帶所疊加，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜。金嶺寺 —羊山盆地為坳陷盆地，堆積了侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)火山 — 沉積地層，晚侏羅紀(jì)張家口組比較特殊，堆積于金嶺寺 — 羊山盆地隆起帶或斷裂帶上。

開挖掌子面樁號(hào)8 + 531.5 m，距河谷地帶較近，巖性為侏羅系中統(tǒng)髫髻山組火山角礫熔巖，灰黑色，弱風(fēng)化，熔結(jié)角礫結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。拱部巖石點(diǎn)荷載換算成巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為27 MPa，為較軟巖，下部巖石點(diǎn)荷載換算成巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度為33 MPa，為中硬巖，洞室節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理多不為順洞軸線方向，微張 ～ 張開，泥質(zhì)充填，節(jié)理面平直光滑，巖體破碎 ～ 較破碎，洞室圍巖極不穩(wěn)定，地下水活動(dòng)狀態(tài)：線流，圍巖類別：Ⅴ類。

2.2 TSP隧洞地震波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)布置

TSP隧洞地震波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)布置主要包括炮孔布置、傳感器鉆孔布置、測試前準(zhǔn)備、實(shí)際探測過程中的設(shè)備安裝和儀器測試操作。

2.2.1 炮孔布置

布置24個(gè)炮孔在底板1.0 m以上位置，鉆孔呈直線分布，按間距1.5 m、孔深1.4 ～ 1.8 m、孔徑38 mm、垂直軸線并向下傾斜0° ～ 15°設(shè)置，第一爆破孔距掌子面約43.0 m。

2.2.2 接受器鉆孔布置

布置2個(gè)接受器鉆孔在底板1.0 m以上（左右壁各1個(gè)）位置，在距掌子面約63.0 m，距第一爆破孔約20.0 m處，按孔深2.0 m、孔徑50 mm、垂直于軸線設(shè)置（見圖1）。

圖1 觀測系統(tǒng)示意圖

2.3 耗材準(zhǔn)備

采用二級(jí)巖石乳化炸藥需（2 400 ～ 4 000 g），用量根據(jù)現(xiàn)場接收信號(hào)隨時(shí)調(diào)整，使用普通瞬發(fā)電雷管需30枚、引爆電線大約60 m、接收器套管2支。

2.4 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集過程：①測量接收器鉆孔距掌子面距離、深度、傾斜度及距底板高度；②測量第一炮孔距接收器距離及后續(xù)炮孔間距；③測量各炮孔的深度、傾斜度及距底板高度；④測量洞室高度；⑤安裝接收器；⑥啟動(dòng)記錄儀電腦；⑦噪聲檢測；⑧炮孔裝藥；⑨地震波測試；⑩測試結(jié)束。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

采集的數(shù)據(jù)采用配套的TSPwin專用軟件進(jìn)行處理。流程為：數(shù)據(jù)設(shè)置→帶通濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→Q估計(jì)→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→提取反射層。當(dāng)各步驟完成后，即可看到預(yù)報(bào)的掌子面前方圍巖中二維、三維反射界面的圖形。

3.1 設(shè)備布置及調(diào)試參數(shù)

設(shè)備布置：①設(shè)備類型：TSP203；②掌子面樁號(hào)：8 +531.5 m；③輸入的參數(shù)：Vp/Vs = 1.8；搜索角45°；④炮孔和傳感器布置：在隧洞右壁布置24個(gè)炮孔，左右壁各布置1個(gè)傳感器；⑤有效預(yù)報(bào)距離95 m左右。

3.2 地質(zhì)解譯距離

本次TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)測地點(diǎn)是主洞上游，掌子面樁號(hào)8 + 531.5 m，接收器位于8 + 594.5 m，24個(gè)炮孔分布在8 + 574.4 ～ 8 + 539.9 m離底板大約1.0 m處?？紤]到預(yù)報(bào)精度，本次TSP預(yù)報(bào)有效解譯范圍為掌子面前方95.0 m左右。

3.3 地質(zhì)解譯原則

通過分析反射波速度，即可進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換，由隧洞軸的交角及洞面的距離來確定反射層所對(duì)應(yīng)界面的空間位置和規(guī)模，再結(jié)合P波和S波的動(dòng)力學(xué)特征，遵循以下原則來推斷地質(zhì)體的性質(zhì)：

（1）反射振幅越強(qiáng)，反射系數(shù)和波阻抗的差別越大；

（2）正反射振幅（紅色）表明正的反射系數(shù)，表明剛性巖層；負(fù)反射振幅（蘭色）表明負(fù)的反射系數(shù)，表明軟弱巖層；

（3）若橫波（S波）反射比縱波（P波）強(qiáng)，則表明巖層含水；

（4）縱波速度（Vp）/橫波速度（Vs）較大的增加或泊松比δ突然增大，常常因流體的存在而引起；

（5）若縱波速度（Vp）下降，則表明裂隙密度或孔隙度增加。

3.4 地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果

利用TSP203系統(tǒng)對(duì)隧洞進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，測試后得到的巖石力學(xué)性質(zhì)曲線、深度偏移影象圖（見圖2 ～ 3）。根據(jù)TSP巖石力學(xué)性質(zhì)曲線、深度偏移影象圖進(jìn)行解譯，得到地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果并與實(shí)際開挖情況進(jìn)行對(duì)比（見表1）。

圖2 R1 P波深度偏移剖面

圖3 R2 P波深度偏移剖面

表1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果與實(shí)際開挖情況對(duì)比表

續(xù)表1

4 結(jié) 語

通過本工程TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際開挖情況的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，TSP法對(duì)于水工隧洞施工中經(jīng)常遇到的工程地質(zhì)問題，斷層、節(jié)理構(gòu)造、巖溶等具有良好的預(yù)報(bào)效果，能夠有效地防止隧洞施工過程中突發(fā)性涌水、塌方，提高施工效率，確保施工安全。但是TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)圍巖類別的預(yù)報(bào)是近似的而不是精確的，隧洞施工環(huán)境、放炮質(zhì)量等因素對(duì)其有一定影響。因此，在使用過程中，嚴(yán)格控制隧洞施工環(huán)境和放炮的用藥量，確保超前地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度。

參考文獻(xiàn)：

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