提高隧道地震波地质预报（TSP）精度方法研究

吕乔森，徐 颖，胡志强

提高隧道地震波地质预报（TSP）精度方法研究

吕乔森1，2，徐 颖2，胡志强3

（1.新疆地矿局第一水文工程地质大队，乌鲁木齐 830000；2.中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074；3.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌 443002）

TSP（Tunnel Seismic Prediction）作为应用最广泛的隧道弹性地震波反射方法之一，在现场使用上经常存在不规范操作，导致预报精度无法满足安全施工要求。基于TSP预报系统的工作原理，从反射地震波接收质量与触发地震波强度两方面出发，提出了多种方法来提高预报精度，主要包括：确定最佳搜索角、传感器孔与炮孔的高质量耦合、提供良好的作业环境、选择延时误差小的瞬发电雷管、确定合适的炮孔装药量等，再将研究成果应用于现场实践中，旨在积累经验，为隧道地质预报工作提供参考。

隧道地质预报；TSP；预报精度

1 研究背景

TSP（Tunnel Seismic Prediction）预报系统属于隧道弹性地震反射波法的一种，是目前隧道施工地质预报应用最为广泛的物探方法之一。其在对断层破碎带的判定和对于岩体完整性方面的综合分析是高效和准确的，对岩溶和含水体的判定可起长距离的粗略定位和指导作用。

然而，在现场应用TSP进行隧道地质预报时，常常马虎大意、忽视工作细节，存在不规范操作，直接导致预报精度的降低，甚至出现错报、漏报的案例，严重影响隧道施工安全［1］。常见的不规范操作主要包括两方面：一方面是对物探法结果的盲从而忽视地质调查分析的主体地位；另一方面是在操作物探仪器时粗心大意，往往应付了事，未能做到在操作细节上谨小慎微，因此使得预报效果大打折扣。针对后者，本文在引用已有研究成果与总结大量现场应用实践的基础上，对提高TSP预报精度的相关方法进行研究，旨在积累经验，为隧道地质预报工作提供参考。

2 TSP地质预报系统基本原理与方法

2.1 TSP系统基本原理

TSP预报系统采用的是地震波回声测量原理，由少量炸药激发产生的地震波在岩石中以球面波的形式在岩石中传播，当遇到波阻抗差异界面时，一部分被反射回来，一部分透射进入前方介质，继续向前传播并重复发生反射与透射；掌子面后方的高灵敏度的三分量传感器将接受被反射的地震波。反射波能量的大小、波形的性质反映了反射界面的位置和性质，加上反射波之间相互检验是该系统精确预报的保证［2］。

2.2 TSP系统操作方法

（1）前期准备工作：该系统采用多孔激发、一孔或两孔接收地震波。在现场实际的预报中，需要在隧道边墙上从外向里布置一个传感器钻孔和24个炮孔，其布置参数如表1所示。

表1 TSP地质预报系统接收器孔与炮孔布置参数Table 1 Parameters of TSP receivers and boreholes

（2）数据采集：进行数据采集时，采用x－y－z三分量同时接收，采样间隔62.5μs，记录长度450 ms（7 218采样数）。激发地震波时，一般采用瞬发电雷管、防水乳化炸药（药卷包装，200 g／卷），激发药量一般为50～80 g／孔，起爆前注水封堵炮孔。

（3）数据处理：地震反射波的数据处理是对采集的地震波信号进行加工处理，进一步减少数据采集时未能消除的干扰信号，进一步提高地震波信号的信噪比和分辨率。地震波数据经处理后，可以得到隧道围岩二维振幅分布图，纵横波的二维和三维反射面提取图和围岩力学参数图等。最后，根据采集到的岩体力学参数与得出的二维成果图来对掌子面前方的围岩地质情况进行判断，从而达到实现超前预报的目的。

3 提高TSP地质预报精度的方法

3.1 提高反射地震波接收质量

由炸药爆破产生的应力波其传播形式以及能量分配在不同范围内是不一样的［3］，如图1所示，其中R为药包半径。由图1可知，在离爆源3～7倍药包半径的距离内，应力波的主要形式是爆轰波，为爆破总能量的60%左右；在离爆源120～150倍药包半径的距离内，应力波的主要形式则变为压缩波，为爆破总能量的30%左右；当离爆源的距离φ大于150倍药包半径时，应力波的形式才体现为地震波，但其能量只为爆破总能量的10%左右。地震波在介质中的传播通常是比较稳定的，衰减较慢，但由于其只占爆破总能量很小的一部分，且在传播过程中，部分地震波将透过介质继续向前传递，因此地震波在遇到岩层界面或不良地质体时所产生的反射波能量就更加微弱了。如上所述可知，必须提高反射地震波的接收质量，才能保证TSP的预报精度。

图1 爆炸应力波及其分布作用范围Fig.1 Blasting stress wave and its distribution and affecting range

3.1.1 确定最佳搜索角

虽然TSP本身的传感器是高度灵敏的，但在整个操作过程中，必须使传感器的接收方式和展布角度（即搜索角）最佳，才能使反射纵波得到最大程度地接收。另外，在进行长距离施工地质预报工作时，还需要延长采样时间，使传感器在接收远距离传播而来的反射纵波时有足够的等待与记录时间。

图2所示为TSP传感器最佳探测位置［4］。由图2可知，应将传感器布置在地质调查分析得出的可能不良地质界面（如图2中所示断层）与隧道掘进方向夹角φ大于90°的侧壁一侧，并尽量使传感器的延伸方向与主要不良地质界面保持近似平行，这样才能保证最大程度地采集到反射纵波，有效地提高预报精度。

图2 TSP传感器布置的最佳位置Fig.2 The best position of TSP receiver

3.1.2 传感器孔的高质量耦合

TSP预报系统的传感器孔一般由3筒环氧树脂卷做耦合剂，再安装接收器套管；在没有环氧树脂的情况下，也可以采用药卷锚固剂进行耦合。

大量的现场预报实践表明，TSP地质预报所采集的信号质量与传感器孔、炮孔的耦合质量有着极大的关系。必须保证传感器孔良好的耦合效果，才能提高反射地震波的接收质量。

如果传感器孔耦合质量达不到要求时，将会严重影响所接收的地震波信号的质量。如图3所示为传感器耦合欠佳时接收到的地震波信号［2］，图中所接收到的地震波信号中出现许多高频振幅干扰，对TSP预报成果的后期解译工作带来不良影响。由此可见，传感器孔的耦合质量的好坏关键到TSP地质预报最终精度的高低，是整个预报工作中重要的环节。

图3 传感器耦合不良时接收到的地震波信号Fig.3 Seism ic signals in the presence of bad receiver coup ling

3.1.3 良好的作业环境

由于TSP采用的是三分量高精度传感器，而且反射回来的有效地震纵波的能量十分微弱，因此，在进行TSP预报信号采集时，要求作业环境中不能有施工噪音、脉冲信号、振动源等干扰场，否则将会叠加在接收到的地震波信号上，对预报效果造成影响。

图4所示为TSP采集信号过程中隧道内有干扰源（掌子面施工）时的原始地震波信号［5］，图中所示22道地震波信号在初始记录时均出现峰值，即为隧道内掌子面施工时产生的干扰信号。

图4 隧道内存在干扰源时接收到的原始地震波信号Fig.4 Original seism ic signals in the presence of interference in the tunnel

3.2 确保所触发地震波的强度

除了以上所述的提高地震波接收质量以外，还需要保证足够的地震波强度，使良好的地震波信号可以传递到TSP预报系统的传感器。

3.2.1 电雷管的选择

在进行TSP施工地质预报时应尽可能选择高质量、延时误差小的瞬发雷管，避免使用毫秒雷管。

图5所示为炮点爆破延时不一致时接收到的原始地震波信号［5］。其中第11，12，13与19道信号形态与其它信号明显不同，原因在电雷管存在质量问题（存放时间过长或受潮等）导致第11炮未响（接收到的只是隧道内的其它干扰信号），第12，13与19炮延时；即便如此，其余18道信号也有一定的延时不一致的问题，解译这样的信号不仅难度大，而且预报效果亦难以令人信服。

3.2.2 合适装药量的选择

炮孔装药量决定了地震波的触发强度。装药量过少，将导致地震波能量不足，使TSP的传感器无法接收到足够的反射纵波，无法保证预报精度；装药量过大，将使炮孔周围的岩体发生强烈的塑性变形并粉碎，并在空气中产生空气冲击波和剧烈声响，形成干扰信号。从严格意义上来说，合适的装药量选择与研究区内的围岩条件、构造条件、隧道形式都有着紧密的关联，需要通过多次TSP预报试验，不断地调整，才能最终确定最佳的炮孔装药量。此外，由于TSP预报所需的24个炮孔与传感器孔的距离不同，因此，一般炮孔装药量遵循“由远及近，由多变少”的原则。

图5 炮点爆破延时不一致时接收到的原始地震波信号Fig.5 Original seism ic signals in the presence of different blasting delays

3.2.3 炮孔的高质量耦合

一般而言，水不耦合装药有几个特点［6］：①水不耦合装药的不耦合系数较空气不耦合装药的耦合系数要大许多，在炮孔直径、装药直径、装药量一致的情况下，水不耦合装药可以达到更大的初始冲击能；②水不耦合装药可以有效地降低爆破噪声、减小爆破振动与粉尘；③由于水较空气而言难于压缩，水不耦合装药爆破所形成能量的利用率更高、准静态应力场强度更强、作用时间也更均匀持久。

因此，在TSP施工地质预报中，推荐采用炮孔注水来进行耦合，一方面可以提高触发地震波强度，另一方面可以降低爆破噪音，从而减小干扰信号的产生。在现场实践中发现，注水耦合良好的炮孔，其引爆后声响低沉，所接收到地震波信号良好；由于岩体裂隙的存在，有时有的炮孔虽注水耦合，但水均从裂隙中缓缓流走，导致引爆后声响巨大，引发隧道岩体结构强烈振动，所接收到的地震波信号则出现许多高频振幅，影响解译精度。

图6所示为传感器、炮孔耦合良好，炮孔炸药量选取得当，采集信号时隧道内干扰较少时接收到的23道地震波信号。

4 应用实例

4.1 工程概况

图6 良好的原始地震波信号Fig.6 Qualified original seism ic signals

长乐山隧道为大广南高速公路工程湖北黄石至通山段的重要组成部分。隧道处属构造剥蚀丘陵地貌，南北两侧为宽缓的垄岗洼地。隧道围岩主要为三叠系下统大冶组微风化灰岩，分布于整个隧道段。隧道顶部山体岩溶发育，局部平坦处发育岩溶洼地和岩溶竖井。受下陆—姜桥断陷带的影响，区域地层被一系列与褶皱为同一构造应力场的北西向多期活动断裂和横向断裂所破坏。隧址区内发育长乐山断裂，均为压性逆断层（F4，F5），断裂内围岩破碎，其与隧道相交的直接影响长度近百米。隧道区地下水较发育，主要为基岩裂隙水、岩溶裂隙水与构造裂隙水。隧道采用矿山法单向掘进。

以长乐山隧道ZK169＋367至ZK169＋500段TSP地质预报为例，介绍整个应用过程。

4.2 TSP现场操作与数据处理

4.2.1 现场操作

依据前期地面踏勘与洞内掌子面地质分析成果，确定TSP传感器的最佳搜索角，并采用3筒环氧树脂卷耦合；对激发地震波的24个炮孔进行检查与测量，其倾角基本为5.6°～12.7°（向上），深度1.4～1.6 m，无塌孔，符合预报要求。装药完毕后，对各个炮孔进行注水耦合，检查完毕后，下达掌子面停工指令，然后开始地震波数据采集。

4.2.2 数据处理

TSP预报系统的基本处理流程包括11个主要步骤，即：数据设置→带通滤波→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→Q估计→反射波提取→P波、S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。

图7所示为现场采集的三分量原始地震波信号，对该原始地震波信号进行滤波、P波、S波分离等常规处理后可得到P波、SH波、SV波形图。

分别对P波、SH波、SV波进行速度扫描建模和深度偏移分析后，可得到深度偏移图像，如图8所示。图中x代表隧道轴线方向上距检波器的距离，R代表在测线平面上偏离隧道轴线的距离。

4.3 TSP预报结果分析

图9与图10所示为TSP预报成果。经过数据处理与解释，TSP地质预报结论如下：

图7 TSP预报原始地震波信号Fig.7 Original seism ic signals by TSP

图8 TSP深度偏移图Fig.8 Depth offset by TSP

图9 岩石力学参数曲线成果Fig.9 Curves of rock mechanical parameters

（1）ZK169＋367～380，长13 m，纵波、横波波速均较大，反射界面稍多，推测岩质较坚硬，节理裂隙较发育，岩体含水量可能性较小。

（2）ZK169＋380～415，长35 m，纵波、横波波速存在下降趋势，泊松比以上升为主，反射界面集中，推测该段为岩溶、裂隙密集发育带，局部溶蚀裂隙可能饱含水，充泥。

图10 TSP预报二维成果Fig.10 Two-dimensional prediction results by TSP

（3）ZK169＋415～420，长5 m，横波速度升高，泊松比变小，密度变大，反射界面少，推测岩体较完整、稳定。

（4）ZK169＋420～442，长22 m，纵波速度相对变大，趋势主要为上升，横波速度变小，泊松比呈上升趋势，前半段反射界面较多，推测该段发育一构造破碎带，岩体完整性差，岩体破碎，含一定量裂隙水。

（5）ZK169＋442～467，长25 m，纵波、横波波速均较大，泊松比整体下降，密度较大，推测岩体整体较完整、稳定。ZK169＋453，458附近横波速度突然变小，反射面密集，可能发育小的构造破碎带，岩体破碎。

（6）ZK169＋467～486，长19 m，纵波速度下降为主，泊松比变小，前半段反射界面较多，推测岩体完整性较差，节理裂隙较发育；ZK169＋484附近纵波波速骤然下降，泊松比、密度也跟随下降，反射界面较多推测可能发育一小构造破碎带，岩体破碎。

（7）ZK169＋486～500，长14 m，纵横波波速较大、平稳，密度呈上升趋势，反射界面少，推测岩体较完整、节理裂隙稍发育，岩质坚硬，岩体整体稳定。

后经开挖揭示，TSP预报对构造破碎带、岩溶裂隙的预报基本准确；上述提高精度研究成果的应用对解译工作与预报精度的提高效果显著，对预报距离100m内不良地质体的定位精度可提高至1 m以内。

5 结论与建议

对于TSP地质预报系统而言，可以从提高对反射地震波的接收质量与保证所触发的地震波强度两方面出发，提高预报精度。

提高反射地震波接收质量的手段包括：确定传感器的最佳搜索角，确保传感器孔的高质量耦合，提供良好的作业环境；保证所触发地震波强度的手段包括：选择高质量、延时误差小的瞬发电雷管，确定合适的炮孔装药量，确保炮孔的高质量耦合。

［1］ 钟世航.TSP作隧道掌子面前方地质预报几例失误原因分析［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（增刊1）：2443－2446.（ZHONG Shi-hang.Analysis on the Failure Reasons in Survey Forward from Working Face of Tunnels by Means of TSP［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22（Sup.1）：2443－2446.（in Chinese））

［2］ 吕乔森，罗学东，任 浩.综合超前地质预报技术在穿河隧道中的应用［J］.隧道建设，2009，29（2）：189－193.（LV Qiao-sen，LUO Xue-dong，REN Hao.Application of Integrated Advance Geology Forecast Technology in a River-Crossing Tunnel［J］.Tunnel Construction，2009，29（2）：189－193.（in Chinese））

［3］ 彭正勇.提高TSP超前地质预报精度的方法研究［J］.铁道建筑技术，2007，（2）：22－24.（PENG Zhengyong.Research on the Method of Improving the Precision of the TSP in Beforehand Geological Forecast［J］.Railway Construction Technology，2007，（2）：22－24.（in Chinese））

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［6］ 罗 勇，崔晓荣，陆 华.炮孔水介质不耦合装药爆破的研究［J］.有色金属（矿山部分），2009，61（1）：46－49.（LUO Yong，CUIXiao-rong，LU Hua.Study on Blasting with Water Decoupling Charging in Borehole［J］.Non-ferrous Metal（Mine Section），2009，61（1）：46－49.（in Chinese） ）

（编辑：王 慰）

M ethods of Improving Tunnel Seism ic Prediction Accuracy

LV Qiao-sen1，2，XU Ying2，HU Zhi-qiang3
（1.No.1 Hydrology＆Engineering Geology Department，Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resource，Urumqi 830000，China；2.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；3.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area under Ministry of Education，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

As one of themostwidely used tunnel seismic reflectionmethods，TSP（tunnel seismic prediction）is often improperly operated in its field application，which reduces the prediction accuracy and exerts unfavorable influence on the tunnel construction.Based on the theory of TSP，methods of improving prediction accuracy are put forward from aspects of the receiving quality of reflection seismic wave and the blasting seismic strength.The main methods include the determination of best searching angles，the qualified coupling of receiving hole and boreholes，the satisfactory working circumstance，the selection of short delay-error electric detonator and appropriate borehole explosive dosage.The research results are applied to field practice，and helps accumulate experience and provide reference for tunnel geological prediction.

tunnel geological prediction；TSP；prediction accuracy

P631.521

A

1001－5485（2012）12－0041－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.009 2012，29（12）：41－45，52

2011－09－22

国家自然科学基金项目资助（41202201）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（CUGL110215，CUGL100214）

吕乔森（1986－），男，福建古田人，工程师，硕士，主要从事隧道与边坡地质灾害预测与防治方面的研究工作，（电话）18699191405（电子信箱）267222871＠qq.com。