TSP技术在隧道超前地质预报中的应用

詹龙飞

(中铁隧道勘测设计院有限公司,天津 300133)

TSP超前地质预报系统是瑞士Amberg工程技术公司最新研制并拥有专利的隧道地质超前预报探测系统。该系统从数据采集、处理和成果评估高度智能化,相对于其他地质超前预报手段具有适用范围广、预报距离长、对施工干扰小、提交资料及时、预报费用更经济等优点。目前,TSP探测技术在我国的隧道建设中被广泛引进和使用,但在探测过程中数据采集的质量及对数据分析处理成果的判释往往成为影响预报精确度的关键,有必要对TSP超前预报现场数据采集时存在的一些问题以及对成果进行地质判释的准则作进一步的探讨。

1 TSP超前地质预报系统工作原理

TSP超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域的地质状况,属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点(设计为24个炮点,通常布置在隧道的左或右边墙)由少量炸药激发产生,当地震波遇到岩石波阻抗差异界面(如断层、破碎带和岩性变化等)时,一部分地震信号反射回来,一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收,数据通过TSPwin软件处理,通过地质解译,就可以了解隧道工作面前方不良地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、含水等)、发育位置及规模。

2 现场数据采集时影响数据质量的情况

2.1 爆破孔未采用水封或水封效果不好

现场数据采集时对爆破孔采用水封能大幅度提高有效地震波的振幅,同时能够大大提升信噪比,有效减小声波、面波、多次波等干扰波的影响。较低的信噪比会给后续数据的处理带来诸多不利因素,导致结果的错误；同时，振幅太低地震波探测距离非常有限。

图1为爆破孔水封效果不好与较好情况下的原始记录对比。

图1 爆破孔水封效果对比

图2为现场数据采集的24炮中前9炮未采用水封、后15炮采用水封的X、Y分量地震波信号对比。

图2 水封及未水封信号对比

2.2 接收器套管耦合不好

一个地震波原始数据好坏的判别依据就是地震波的振幅包络线呈指数衰减趋势,波形无变异情况,初至直达波明显(见图3(a))；而接收器套管未耦合好所接收到的数据,大部分为声波、面波的干扰波(见图3(b))。

图3 耦合情况对比

2.3 爆破炸药用量过大

在探测过程中,炸药用量过大,会导致检波器震动超幅,波形出现严重变异(如图4),此时应减少药量。

图4 药量过大时的波形

2.4 未采用瞬发电雷管

使用瞬发电雷管才能准确地记录直达波的到达时间,这样探测到各炮孔的直达波到达时间会呈线性增加趋势。在探测过程中如果雷管不合格有延时的话,会导致直达波时间出现变异,此种情况下采集的数据为不合格数据。

3 数据分析处理成果的判释准则

(1)反射波振幅越高,反射系数和波阻抗的差别越大,说明围岩在此处的变化越大。

这是一个相对的概念。譬如在完整岩体与破碎岩体、硬质岩石与土状岩体、干燥围岩与饱水围岩等的交界处,围岩情况差异性较大,反映在此处的反射波振幅也就越高；波阻抗相差不大的地层、岩性分界处,反射波振幅往往较低；如果不同岩体的波阻抗相等,虽然地质情况发生了变化,但地震波并不会反射,也就探测不到此变化界面。

(2)正反射振幅(红色)表明正的反射系数,也就是刚性岩层；负反射振幅(蓝色)指向软弱岩层。

图5为TSP探测结果二维图的一部分,+771处有一条蓝色反射界面(负反射振幅),判定此处有一软弱夹层；在其前后有多条红色反射界面(正反射振幅),判定岩质较硬。实际开挖情况：探测段岩性为石英砂岩,其中在+769～+754(对应+771蓝色反射界面)段为千枚岩,岩体相对较软弱。

图5 TSP探测二维图局部

需要注意的是,有时正(负)反射振幅仅能代表反射界面这一点的地质情况,并不能代表此反射界面到下一反射界面的地质情况。

(3)若横波S反射比纵波P强,则表明岩层饱含地下水。比较任何反射振幅必须小心,因为反射振幅易受随机噪音和数据处理的影响。

图6 几种反射界面

(4)Vp/Vs有较大的增加或泊松比突然增大,常常是因有流体的存在而引起的。

通常情况下,Vp/Vs和泊松比的变化趋势是一致的。Vp/Vs较大的增加或泊松比突然增大,常常是因流体的存在而引起的。由于Vs在流体中不传播,所以当Vs下降时,通常是由于地下水存在的原因,与之相对应,Vp/Vs和泊松比增大。

(5)若Vp下降,则表明裂隙密度或孔隙度增加。

Vp与岩体完整程度的关系：

岩体裂隙密度增加,也就代表岩体破碎,Vp就相应下降；相反裂隙密度减小,岩体完整时,Vp就上升。如图7所示，在+253～+214段,有多组反射界面存在,节理裂隙发育,岩体破碎,Vp下降；在+214～+185段有极少反射界面存在,岩体完整,Vp上升。由此可以得知：岩体越完整,Vp越高。

图7 Vp与岩体完整程度关系

Vp与孔隙度的关系：

在同等条件下,当孔隙度增加时,岩体密度下降；当孔隙度降低时,岩体密度上升。从图8阴影部分可以很清晰地看到：探测段岩性没有任何的变化,当岩体密度上升时(孔隙度降低),Vp随之上升；当岩体密度下降时(孔隙度增加),Vp随之下降。由此可以得知：相同岩石孔隙度越低,密度越高,Vp也越高；孔隙度越高,密度越低,Vp也越低。

图8 Vp与孔隙度关系

(6)杨氏模量下降,表明岩体变软弱。

图9中+750～+790段杨氏模量下降明显,说明岩体抗形变能力变弱,岩体软弱,同时Vp、Vs在此段也下降,综合判定此段为一软弱破碎带。实际揭露此段围岩处于一断层破碎带内,岩体呈泥夹碎石状。

图9 杨氏模量下降

4 结束语

从大量的工程实践来看,采用TSP系统进行超前地质预报,为了保证现场采集的数据质量,接收器套管的耦合、炮孔内的水封、瞬发电雷管的使用及炸药量的选择是过程当中必需做好的环节,否则,采集到的数据会直接影响到预报的精度；在对数据处理分析成果的地质解译方面,本文中提出了一些成果对应地质情况的判释准则,但在实际预报过程中,由于地质情况的千变万化,并不是就这些准则能解决所有的判释问题,需要我们进行更进一步的研究和探讨,确保把物探成果解译成准确的地质语言,更很好地指导隧道安全施工。

[1]姚 姚.地震波场与地震勘探[M].北京：地质出版社,2006

[2]詹正彬,姚 姚.多波及横波地震勘探[M].北京：地质出版社,1994