曹旭華

摘 要：在隧道開挖過程中不可避免的會遇到諸如斷層破碎帶、溶洞、軟弱地層等不良地質(zhì)體，易出現(xiàn)塌方、冒頂、突水突泥以及巖爆等地質(zhì)災(zāi)害，給隧道施工帶來重大的安全事故和質(zhì)量問題，造成的損失巨大。所以，采用多種手段、多方法進行綜合超前地質(zhì)預(yù)報，對施工安全、進度和質(zhì)量具有十分重大的意義。

關(guān)鍵詞：TSP法;超前地質(zhì);隧道

中圖分類號：U452.11 文獻標識碼：A

隨著近年來我國交通、水利水電事業(yè)的快速發(fā)展，長大山嶺隧道工程數(shù)量不斷增加，隧址區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜多變，地表勘察工作受多方面因素的影響，要詳細反映出隧道地質(zhì)情況的難度大，施工中直接開挖掘進存在很大的不確定性和危險性。在眾多超前預(yù)報方法中，TSP法超前地質(zhì)預(yù)報具有使用范圍廣、預(yù)報距離長、對施工干擾小、預(yù)報結(jié)果信息豐富等優(yōu)點，被大量使用并具有很好的發(fā)展前景。

1 TSP法工作原理

TSP法（Tunnel Seismic Prediction），其原理與其它反射地震波法相同，工作基礎(chǔ)是地震波在介質(zhì)中的傳播與反射原理。地震波源采用少量炸藥在隧道側(cè)壁人工激發(fā)產(chǎn)生，激發(fā)的地震波在介質(zhì)中以球面形式傳播，當遇到介質(zhì)界面或不良地質(zhì)體（如斷層、構(gòu)造破碎帶等）時，部分地震波被反射回來，反射回來的地震波被高靈敏度地震檢波器所接收。反射地震波在介質(zhì)中的傳播時間與檢波器與介質(zhì)界面的距離成正比關(guān)系，根據(jù)檢波器接收地震波返回的時間與方向等參數(shù)，通過軟件處理，即可以計算得到介質(zhì)界面的位置。

隧道地震波地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)分為洞內(nèi)數(shù)據(jù)采集和室內(nèi)計算機分析兩部分。洞內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有傳感器、數(shù)據(jù)記錄儀以及起爆設(shè)備等組成。傳感器主要用來接收地震波信號;記錄儀是將接收到的信號放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換并進行測量過程控制;起爆設(shè)備主要用來起爆電雷管和炸藥。室內(nèi)計算機分析系統(tǒng)是將洞內(nèi)采集的原始數(shù)據(jù)輸入到計算機上，應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件進行地震波分析處理，主要由三個程序塊組成，即：數(shù)據(jù)庫部分、震動數(shù)據(jù)處理部分、確定反射界面部分。

2 影響TSP法隧道超前地質(zhì)預(yù)報效果的主要因素

2.1 原始數(shù)據(jù)采集質(zhì)量差

觀測系統(tǒng)建立不滿足要求，如激發(fā)孔與檢波孔間距與孔深不滿足預(yù)報要求，造成原始數(shù)據(jù)的有效性和可靠性降低。傳感器未與圍巖充分耦合或耦合不好，造成反射信號能量損失，同時在一定程度上會產(chǎn)生干擾信號，降低采集信號的信噪比，影響預(yù)報效果。激發(fā)能量選擇不合理，激發(fā)能量過小，接收的反射信號弱，影響探測距離與探測深度，激發(fā)能量過大，影響探測的分辨率和精度。激發(fā)孔未封堵或封堵不密實，爆破形成的“隧道管波”對有效波干擾，影響預(yù)報成果的真實性。此外，采集現(xiàn)場的機械振動、其它噪聲干擾及雷管選擇不當帶來的時間誤差都會影響原始數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2 預(yù)報數(shù)據(jù)處理與解譯不準確合理

隧道超前地質(zhì)預(yù)報要求預(yù)報人員具有相應(yīng)的物探和地質(zhì)知識，對隧道基本地質(zhì)和水文情況有充分的了解，對各類地質(zhì)模型的分及布發(fā)育規(guī)律熟悉。如預(yù)報人員不具備以上專業(yè)技能，照本宣科，預(yù)報數(shù)據(jù)處理過程中軟件應(yīng)用、參數(shù)設(shè)置不合理，數(shù)據(jù)解譯過程中忽視實際地質(zhì)情況，對層位圖、速度圖和其它相應(yīng)的物性參數(shù)分析不充分，漏掉異?；蛟黾恿颂摷佼惓?，出現(xiàn)漏報和錯報。致使解譯結(jié)論的片面和失準，處理結(jié)果失真或有效性大大降低。預(yù)報數(shù)據(jù)處理與解譯不準確合理，造成解譯結(jié)論與實際開挖情況相差甚遠，對工程施工不具指導(dǎo)意義。

3 TSP法數(shù)據(jù)處理與解譯

TSP法數(shù)據(jù)處理在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中尤為重要，將采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)多步驟處理，提取出其中有效、有用信息，利用這些信息解譯出掌子面前方一定范圍內(nèi)不良地質(zhì)體的賦存狀態(tài)、規(guī)模、范圍以及其產(chǎn)出形狀等信息，為隧道施工提供指導(dǎo)。

TSP數(shù)據(jù)處理可分為預(yù)處理、常規(guī)處理和解譯處理三個步驟，具體分析如下：

3.1 預(yù)處理

預(yù)處理的步驟有數(shù)據(jù)合并、建立觀測系統(tǒng)。數(shù)據(jù)合并時要求按炮檢距由小到大按自然序號排序、每炮記錄中各記錄道的方向（即選定記錄的X、Y、Z方向?qū)傩裕?，如果有記錄質(zhì)量不滿足要求的需要刪除。上述記錄合并參數(shù)確定后進入觀測系統(tǒng)設(shè)置界面，在該界面內(nèi)確定檢波點的樁號、掌子面的樁號以及各炮點到檢波點的距離等重要信息。需要注意的是在對記錄進行排序時，需將所有記錄根據(jù)文件名中的數(shù)字按“升序”、“降序”排列。

3.2 常規(guī)處理

①初至拾?。浩渲饕康氖菍ふ鹋谟|發(fā)延時進行校正，去除觸發(fā)干擾信號，為數(shù)據(jù)分析過程時的速度建模提供基礎(chǔ)參數(shù)。

②能量平衡：用于校正由于各個激震炮的炸藥量不相同，耦合條件不同等原因造成的各道原始數(shù)據(jù)存在較大差異的問題。利用初至拾取的初至時間信息，以初至時間開始取全時窗或者固定的時間窗口，然后按各激發(fā)道空間位置計算所得的能量值繪制成圖并擬合。

③擴散補償：用于補償由于激發(fā)的地震波在球面擴散中引起的能量損失，非必須步驟。

④頻率濾波：在頻率域內(nèi)進一步提取有效信號抑制干擾波的方法。該功能可應(yīng)用到處理流程中的任何地方、即在任何處理功能模塊后均可進行濾波。亦可在原始記錄調(diào)入、初至拾取完畢后先濾波再做其它處理。該功能根據(jù)信號頻率將信號加以約束，使有效的信號從噪聲中分離出來，有效信號頻率顯示在地震振幅頻譜中“能量”集中的區(qū)域，建議在一組數(shù)據(jù)處理中所有的濾波操作選擇相同的濾波參數(shù)。

⑤自動增益控制：自動增益控制是信號道內(nèi)能量均衡處理方法。根據(jù)相應(yīng)的算法實現(xiàn)在記錄道中將能量較強的信號乘一個小的放大倍數(shù)、而信號弱的地方乘一個大的放大倍數(shù)，最終使整道的記錄從早期信號到晚期信號其能量分布相對較均勻，該功能為非必須步驟。

⑥波場分離：根據(jù)有效反射波與干擾波的視速度差異，利用角度濾波的方法提取有效波、濾除干擾波。

⑦PS波分離：此功能用于從X、Y和Z分量記錄中提取P波、SH波和SV波記錄，以進一步獲取縱、橫波速度分布圖，是數(shù)據(jù)處理流程中的必須步驟。

3.3 解譯處理

①速度掃描：通過迭代計算確定測量距離內(nèi)震動波的速度分布。

②偏移成像：利用速度掃描計算得到的速度模型進行深度偏移計算，用于計算激發(fā)點和接收點在速度模型上傳播時間及反射系數(shù)，將目標體的位置投影到空間域，確定目標體的空間信息。

③地質(zhì)解譯：根據(jù)偏移成像提取的目標體位置信息，綜合速度分析成果，將縱波速度Vp、橫波速度Vs、縱橫波速度比Vp/Vs、泊松比和動彈性模量等參數(shù)以及反射界面均成圖于“成果解釋”界面中，根據(jù)以上信息對隧道地質(zhì)信息及不良地質(zhì)體進行推斷與預(yù)報。

4 相關(guān)建議

實踐證明，想要提高TSP預(yù)報系統(tǒng)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的實際效果，需要做到以下幾方面：

（1）預(yù)報人員要有相應(yīng)的物探理論知識和工程地質(zhì)專業(yè)知識，熟悉隧道施工流程、不良地質(zhì)體發(fā)育規(guī)律。

（2）在原始數(shù)據(jù)采集中，預(yù)報人員需深入現(xiàn)場，認真觀察和記錄相關(guān)地質(zhì)信息，嚴格控制激發(fā)炮爆破質(zhì)量，保證原始數(shù)據(jù)采集有效性。

（3）原始數(shù)據(jù)處理時選擇合理的參數(shù)，多次處理分析對比，總結(jié)經(jīng)驗。

（4）數(shù)據(jù)解譯中，仔細分析各成果圖，結(jié)合掌子面地質(zhì)情況等進行綜合分析判識。預(yù)報后跟蹤隧道開挖情況，對比總結(jié)解譯準則，在實際工作中進行動態(tài)修正，以期提高預(yù)報水平和預(yù)報準確度。