TSP探測技術(shù)在引漢濟渭工程秦嶺隧洞S段上游突發(fā)涌水事故中的應用

王宗旭

(鐵道第一勘察設(shè)計院陜勘公司，陜西寶雞 721000)

引漢濟渭工程秦嶺隧洞S段上游工作面突發(fā)涌水，涌水將工作面約80 cm厚圍巖擊穿，噴射距離接近4 m，經(jīng)測量涌水量約6 000～7 200 m3/d。很短時間里主隧洞開挖段700余米全部被淹，水深超過3 m。施工方及設(shè)計方迫切需要查清此次突發(fā)涌水的原因，以便采取應對措施。為此，在該隧洞中使用了瑞士安伯格技術(shù)公司的TSP探測技術(shù)［1-2］，取得了良好的效果。

1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

秦嶺隧洞S段位于秦嶺中低山區(qū)，地形起伏，主洞洞室最大埋深約1 000 m。工程范圍內(nèi)主要涉及巖性為石英巖及片麻巖、花崗巖，巖石呈微風化—未風化，以Ⅲ類、Ⅱ類圍巖為主，受地質(zhì)構(gòu)造影響較嚴重，節(jié)理裂隙較發(fā)育，片理、片麻理較發(fā)育，巖體完整性較差—較完整。

地下水為基巖裂隙水，水量較豐富，受大氣降水補給，水質(zhì)良好，對混凝土無侵蝕性，屬于地下水弱富水區(qū)。無區(qū)域性斷裂通過，片麻巖、石英巖、花崗巖多為中厚層狀或巨塊狀，巖質(zhì)堅硬而脆。原生層理、淺層風化節(jié)理、裂隙較發(fā)育，構(gòu)造節(jié)理、裂隙較發(fā)育—發(fā)育，以密閉—微張為主。地下水主要儲存于層理、風化及構(gòu)造節(jié)理裂隙中，泉水不發(fā)育。

本次涌水工作面處揭露巖性為下元古界長角壩巖群黑龍?zhí)稁r組石英巖，巖石呈微風化-未風化，受構(gòu)造影響較重，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部較破碎，屬于Ⅲ類圍巖，施工中工作面中央突然發(fā)生涌水。

2 TSP探測技術(shù)原理

TSP探測技術(shù)屬地震反射波法超前探測技術(shù)［3］，其原理如圖1，地震波在指定的震源點(通常在隧道的左邊墻或右邊墻，大約24個炮點布成一條直線)用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，產(chǎn)生的地震波在巖石中以球面波的形式向前傳播，當?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(即波阻抗界面，例如斷層、巖石破碎帶、巖性突變等)時，一部分地震信號反射回來，一部分地震信號透射進入前方介質(zhì)，反射的地震信號被兩個三維高靈敏度的地震檢波器(左邊墻、右邊墻各一個)接收。通過對接收信號的運動學和動力學特征進行分析，便可推斷斷層及巖石破碎帶等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀和巖土力學參數(shù)。

圖1 TSP探測技術(shù)原理

3 探測結(jié)果分析

測線位于隧洞左邊墻，采用激發(fā)孔24個，孔深1.5 m，孔間距1.5 m;接收孔2個，孔深1.9 m，對稱分布隧洞左右邊墻。由于本次涌水較大，無法接近工作面，接收孔距工作面79 m，距離第一個激發(fā)孔19 m，第24個激發(fā)孔距離工作面28 m。激發(fā)孔與接收孔處于同一高度。測試時逐個引爆激發(fā)孔中炸藥(20～50 g)，2個檢波器同時接收。

在經(jīng)過TSP系統(tǒng)自帶的分析處理軟件TSPWIN PLUS2.1處理后，得到2維深度偏移成像(圖2)、2維巖石特性曲線與反射層顯示(圖3)等圖件。

圖2 2維深度偏移成像

圖2顯示在70～85 m段存在較多反射界面且以負反射居多，圖3顯示在工作面前方25767～25761段物性參數(shù)波動較大、泊松比呈變大趨勢、橫波速度呈變小趨勢，反映該段巖體物性極不均，裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖體富水。25744～25737段亦有這種情況。其余段只有局部有反射界面，預示圍巖完整性較好。

該段無區(qū)域性斷裂通過，此次涌水應以節(jié)理、裂隙密集帶形成的基巖裂隙水為主。25767～25761段約6m巖體因受區(qū)域構(gòu)造擠壓作用形成大量節(jié)理、裂隙，可能存在微型褶皺，巖體破碎，巖層富水。25744～25737段約7 m巖體破碎，巖層富水。這兩段無明顯水力聯(lián)系。25767～25761段是造成本次涌水的主要原因，建議施工中加大排水措施進行短進尺、強支護爆破施工。

在后續(xù)施工中，開挖揭示25767～25762段石英巖巖體破碎、裂隙極發(fā)育，裂隙多以張裂隙為主，裂隙最寬約7 cm，該段是此次涌水的主要原因。施工通過這一地段后，隧洞開挖順利，此段出水量逐漸變小趨于穩(wěn)定。開挖結(jié)果與預測結(jié)果較符。

圖3 2維巖石特性曲線與反射層顯示

4 TSP探測技術(shù)存在的幾個問題

TSP探測技術(shù)在該次涌水事故處理中準確高效地判斷出涌水原因，為指導施工提供了有力的依據(jù)。但筆者在多次TSP探測中發(fā)現(xiàn)該技術(shù)存在以下問題:

①處理參數(shù)稍有變化，結(jié)果差異可能很大。這就要求解譯人員有豐富的實踐經(jīng)驗，合理使用處理參數(shù)(如濾波窗口、速度拾取、Q濾波等)，緊密結(jié)合實際地質(zhì)情況，合理分析，大膽預測。筆者在研究了地震負視速度法［4］后，認為將地震負視速度法與TSP處理方法結(jié)合，結(jié)果直觀準確，可顯著提高解譯準確度。

②計算所得物性參數(shù)不具有實際意義。在對比了多次探測結(jié)果后，發(fā)現(xiàn)TSP處理所得物性參數(shù)大多不符合實際地質(zhì)體情況，具體表現(xiàn)在波速、泊松比等參數(shù)與經(jīng)驗值差異較大。這些物性參數(shù)直接用于圍巖分類、設(shè)計變動等無疑是不合理的。但不能否認的一點是:用這些參數(shù)形成的成果圖進行相對分析，基本可以較準確地判斷出圍巖的大致地質(zhì)情況。

③TSP探測技術(shù)的常見觀測系統(tǒng)為“一側(cè)激發(fā)——兩側(cè)接受”，但實踐中發(fā)現(xiàn)，激發(fā)孔同側(cè)接收器采集的信號處理后所得結(jié)果與另外一側(cè)接收器采集的信號處理后所得結(jié)果往往有一定差距，而往往前者是與實際開挖情況比較相符的。這一方面可能是隧道兩側(cè)地質(zhì)情況不是完全一致的，另外一方面，筆者認為造成這種現(xiàn)象的原因是TSP探測技術(shù)過于簡單的觀測方式。它采用一維觀測方式，注定無法獲取3維地質(zhì)信息，軟件處理獲取的3維成果也不合理，這是該技術(shù)的“軟肋”，使用兩個檢波器基本上無必要。對于地質(zhì)情況簡單的隧道，建議使用一個接收器，采取“一側(cè)邊墻放炮——一個接收器接收”;而對于地質(zhì)情況較復雜(巖溶、采空等)的隧道，建議采用“兩側(cè)邊墻都放炮——兩個接收器接收”的觀測方式。

④提高隧道施工期地質(zhì)超前預報的準確率，是隧道施工期地質(zhì)超前預報工作者的愿望和努力的方向，也是隧道工程建設(shè)對隧道施工期地質(zhì)超前預報提出的要求。應該指出的是，對隧道地質(zhì)超前預報準確率應有一個正確的理解。影響隧道施工期地質(zhì)超前預報準確率的因素眾多，一方面是從業(yè)人員知識面的問題，另一方面則是嚴密的理論應用于極為復雜的地質(zhì)體所造成［5］。

培養(yǎng)具有扎實地質(zhì)基礎(chǔ)理論知識、地質(zhì)工作經(jīng)驗又能熟練掌握地球物理探測手段的隧道施工期地質(zhì)超前預報人員乃當務(wù)之急，地質(zhì)學家與地球物理學家的聯(lián)合在當前條件下亦不失為解決間題的捷徑［5］。

［1］ 趙永貴，劉浩，孫宇，等．隧道地質(zhì)超前預報研究進展［J］．地球物理學進展，2003，18:460-464

［2］ 趙永貴．隧道地質(zhì)超前預報研究進展［J］．地球物理學進展，2003，18

［3］ 周緒文．反射波地震勘探方法［M］．北京:石油工業(yè)出版社，1981

［4］ 曾昭璜．隧道地震反射法超前預報［J］．地球物理學報，1994(2)

［5］ 何發(fā)亮，李蒼松，陳成宗．隧道地質(zhì)超前預報［M］．成都:西南交通大學出版社，2006