TSP地震波法隧道超前探測(cè)工程應(yīng)用與對(duì)比分析

（中交一公局土木工程建筑研究院有限公司，北京 101102）

當(dāng)前，如何做到定量準(zhǔn)確的超前探測(cè)，仍是隧道施工過(guò)程中需要優(yōu)化和改進(jìn)的技術(shù)性難題。以往大量隧道施工實(shí)踐表明，由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)的復(fù)雜性、地勘的精度及經(jīng)費(fèi)等各種其他條件的限制，經(jīng)常出現(xiàn)基于地勘資料做出的設(shè)計(jì)與實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中揭露的地質(zhì)條件不一致，因而在隧道掘進(jìn)中，常常會(huì)發(fā)生突水、突泥、塌方等現(xiàn)象，這對(duì)隧道施工安全影響極大。因此，如何進(jìn)行超前探測(cè)，得到準(zhǔn)確的掌子面前方地質(zhì)條件尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)TSP超前探測(cè)的準(zhǔn)確性做了一些研究，丁國(guó)華等以雪峰山公路隧道超前探測(cè)結(jié)果與開挖的對(duì)比分析為例，展示了TSP超前探測(cè)的應(yīng)用前景；舒森等在云南某鐵路隧道巖溶預(yù)報(bào)的應(yīng)用實(shí)例中，發(fā)現(xiàn)TSP系統(tǒng)能夠在隧道探測(cè)中起到較好的作用；謝平等以某隧道TSP探測(cè)為例，介紹了對(duì)隧道數(shù)據(jù)的處理。

本文依托在建華麗高速公路中的營(yíng)盤山隧道的TSP探測(cè)工程實(shí)例，通過(guò)TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道不良地質(zhì)體的判定和解釋，并與實(shí)際開挖揭露的地質(zhì)情況進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了提高TSP超前探測(cè)準(zhǔn)確性的一些有效方法和措施，研究成果可為今后的TSP超前探測(cè)工作提供重要的指導(dǎo)作用。

一、依托工程概況

（一）營(yíng)盤山隧道工程概況

營(yíng)盤山特長(zhǎng)隧道隸屬于國(guó)家高速公路網(wǎng)G4216的蓉麗高速公路中的華坪至麗江段高速公路。該隧道位于云南省西北部，全長(zhǎng)11.3km，是華麗高速公路項(xiàng)目的“咽喉”工程。

（二）工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

營(yíng)盤山隧道地質(zhì)條件極其復(fù)雜多變，突泥、涌水、巖爆及瓦斯情況嚴(yán)重。營(yíng)盤山隧道以大斷裂為主，縱貫全區(qū)，發(fā)育多條斷層，規(guī)模較大的褶皺構(gòu)造區(qū)主要有華坪至六德短軸褶皺區(qū)、廣羊村至平川街褶皺區(qū)。由于地表?xiàng)l件差，缺少詳細(xì)的物探、地質(zhì)資料。因此在隧道的開挖過(guò)程中，TSP超前探測(cè)極其重要，肩負(fù)著施工關(guān)鍵性的指導(dǎo)工作。

隧道區(qū)域內(nèi)地表水主要的來(lái)源為沖溝中的溪流，屬季節(jié)性溪流，水量變化大，具有暴漲暴落的特點(diǎn)。地下水主要來(lái)源于第四紀(jì)松散覆蓋層中包含的孔隙水、基巖中的裂隙水及巖溶水。

二、TSP法超前探測(cè)原理及數(shù)據(jù)分析

（一）TSP法探測(cè)原理

TSP（Tunnel Seismic Prediction ahead）方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波由在設(shè)計(jì)的震源點(diǎn)用小當(dāng)量炸藥激發(fā)產(chǎn)生（一般在構(gòu)造走向與隧道軸向小角度相交的邊墻上布置24個(gè)炮點(diǎn)）。如圖1所示，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ミ^(guò)程中，遇到巖性變化、斷層、破碎帶等波阻抗差異界面，一部分地震信號(hào)反射而回，另一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射而回的地震波信號(hào)由三分量傳感器接收。通過(guò)TSPwin軟件處理及分析數(shù)據(jù)判定，從而掌握掌子面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（含水巖層、軟弱巖帶、斷層、破碎帶等）、位置和規(guī)模。

圖1 TSP法隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)原理

（二）TSP法現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集之前，從掌子面附近的邊墻上開始布置檢測(cè)用孔；其中接收器孔2個(gè)，深2m；炮孔24個(gè)，深1.5m，如圖2所示。數(shù)據(jù)開始采集前，測(cè)量各孔實(shí)際相對(duì)位置及深度、傾角并做好記錄，裝填炸藥，安裝接收器，連接好儀器。準(zhǔn)備完畢后進(jìn)行爆破，采集震動(dòng)信號(hào)。

圖2 數(shù)據(jù)采集布置

（三）TSP探測(cè)數(shù)據(jù)分析解譯

數(shù)據(jù)采集完成后，使用TSPwin軟件處理，得到以下結(jié)果：1.反射振幅越強(qiáng)，表明反射系數(shù)和波阻抗的差別越大；2.正反射振幅通常表現(xiàn)為正反射系數(shù)，代表剛性巖層；負(fù)反射振幅指向軟弱巖層。在同一地質(zhì)構(gòu)造中，對(duì)巖體中的P波和S波反射振幅進(jìn)行比較有特殊作用；3.S波反射明顯強(qiáng)于P波，則表明巖層中飽含地下水。比較任何反射振幅時(shí)必須小心，因?yàn)榉瓷湔穹菀资艿诫S機(jī)噪音的干擾及數(shù)據(jù)處理的影響；4.當(dāng)Vp/Vs變大或泊松比δ突然增加，通常是因?yàn)橛辛黧w的存在；5.Vp降低，則表明節(jié)理、裂隙的發(fā)育程度或孔隙度增加；6.探測(cè)結(jié)果的最終判定必須結(jié)合數(shù)據(jù)處理、各項(xiàng)視圖及隧道地質(zhì)調(diào)查得到的成果確定。

三、TSP超前探測(cè)工程案例對(duì)比分析

（一）進(jìn)口右線涌水案例

1.預(yù)報(bào)段落設(shè)計(jì)地勘資料

設(shè)計(jì)圖紙上K19+223～K19+338里程范圍內(nèi)圍巖以中風(fēng)化砂巖及片麻巖和石英閃長(zhǎng)巖為主；砂巖及片麻巖為侵入關(guān)系。該段圍巖的巖質(zhì)較硬，節(jié)理、裂隙發(fā)育，圍巖較破碎。

2.TSP超前探測(cè)分析結(jié)果

對(duì)營(yíng)盤山隧道進(jìn)口右線K19+223～K19+338地段進(jìn)行了TSP檢測(cè)。通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到二維預(yù)報(bào)成果圖，如圖4所示；縱橫波深度偏移圖，如圖5所示。

圖3 采集原始數(shù)據(jù)圖

圖4 TSP203二維預(yù)報(bào)成果圖

圖5 縱橫波深度偏移圖

3.隧道開挖驗(yàn)證對(duì)比分析

結(jié)合分析成果，并對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中揭露的圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行跟蹤觀察和工程驗(yàn)證對(duì)比分析：

（1）K19+223～K19+236段內(nèi)探測(cè)結(jié)果：巖體內(nèi)縱、橫波波速變化較小，密度及靜態(tài)楊氏模量無(wú)明顯變化，推斷該段圍巖情況與掌子面類似，無(wú)明顯變化，以弱～中風(fēng)化中厚～厚層狀砂巖為主，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)較破碎；巖層層間結(jié)合較差，局部存在基巖裂隙水。

實(shí)際開挖揭示：開挖過(guò)程中所揭露地質(zhì)情況與掌子面對(duì)比，無(wú)明顯變化，由此得到該段的探測(cè)結(jié)果實(shí)際情況完全一致，達(dá)到了探測(cè)目的。

（2）K19+236～K19+298段內(nèi)探測(cè)結(jié)果：巖體內(nèi)縱、橫波波速下降，該段圍巖Vp/Vs由1.3至2.0，顯示出圍巖充滿裂隙水；橫波深度偏移以強(qiáng)烈的負(fù)反射開始，以強(qiáng)烈的負(fù)反射結(jié)束。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查資料推斷此段為圍巖富水區(qū)，巖體結(jié)構(gòu)較破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，裂隙水發(fā)育，建議采取防排水預(yù)案，做好加深炮孔及超前水平鉆探測(cè)工作。

實(shí)際開挖揭示：如圖5所示，當(dāng)掌子面掘進(jìn)到K19+240時(shí)，掌子面開始出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，呈線狀流出，隨后掘進(jìn)過(guò)程中水量增大，掘進(jìn)至K19+245時(shí)，掌子面呈淋雨?duì)?；到K19+252時(shí)掌子面出現(xiàn)涌水，股狀流出，日流量達(dá)3000m3。隨后開挖過(guò)程中，裂隙水沿掌子面整體流出，水量較大，平均日流量維持3000m3。經(jīng)追蹤對(duì)比該段實(shí)際由K19+240開始水量逐步增加，與探測(cè)結(jié)果存在4m里程偏差；與探測(cè)結(jié)果基本吻合，TSP超前探測(cè)效果良好。

圖5 K19+245掌子面情況

（3）K19+298～K19+338段探測(cè)結(jié)果：巖體縱、橫波波速下降?？v波深度偏移以負(fù)反射為主，橫波深度偏移以強(qiáng)烈的負(fù)反射開始，以強(qiáng)烈的正反射結(jié)束，反射帶內(nèi)正負(fù)反射層多而雜亂，以負(fù)反射為主。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查資料推斷該段為不整合接觸帶，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)破碎，存在軟弱夾層，裂隙水發(fā)育，做好超前水平鉆探測(cè)工作，并加強(qiáng)支護(hù)做好防排水工作。

圖7 K19+305掌子面情況

實(shí)際開挖揭示：如圖7所示，掌子面掘進(jìn)到K19+305時(shí)，掌子面巖性發(fā)生變化，夾有片麻巖及砂巖，掌子面超前鉆孔中出水量達(dá)4000m3，后續(xù)面狀出水，維持4000m3左右，掌子面掘進(jìn)至K19+335時(shí)，巖性基本以石英閃長(zhǎng)巖為主，與探測(cè)結(jié)果基本吻合。

四.結(jié)論

TSP203系統(tǒng)是一種基于地震波反射獲取物性差異界面的探測(cè)方法，其預(yù)報(bào)成果的準(zhǔn)確性與前期數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的處理方法及解釋人員對(duì)物探及地質(zhì)知識(shí)的掌握程度均密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)TSP工程案例探測(cè)結(jié)果與開挖揭示結(jié)果的對(duì)比分析，能提高探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性，并得出如下結(jié)論。

1.TSP地震波反射法能準(zhǔn)確探測(cè)和預(yù)報(bào)隧道前方不良地質(zhì)情況，指導(dǎo)隧道安全施工并規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)。

2.采用TSP法隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，對(duì)超前探測(cè)分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)開挖情況需進(jìn)行跟蹤和工程驗(yàn)證對(duì)比分析，才能提高超前探測(cè)準(zhǔn)確性。

3.確?，F(xiàn)場(chǎng)取得高質(zhì)量的原始采集數(shù)據(jù)是提高探測(cè)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)過(guò)程須牢固安裝接收器套管，嚴(yán)格設(shè)置參數(shù)、控制地震波爆破的質(zhì)量、減少震蕩產(chǎn)生的干擾信號(hào)。

4.數(shù)據(jù)解譯是核心。物探具有多解性，對(duì)于Vp、Vs、Vp/Vs及泊松比四項(xiàng)參數(shù)要有深入的了解，提高解譯的準(zhǔn)確性。預(yù)報(bào)前要了解隧道的地勘資料，沿隧道軸線在地表進(jìn)行踏勘，掌握隧道基本地質(zhì)情況；預(yù)報(bào)后要在隧道掘進(jìn)過(guò)程中跟蹤地質(zhì)調(diào)查，對(duì)比預(yù)報(bào)結(jié)論與實(shí)際開挖結(jié)果，積累經(jīng)驗(yàn)，為后期更準(zhǔn)確地作出預(yù)報(bào)結(jié)論夯實(shí)基礎(chǔ)。