TSP隧道超前地质预报技术及其3D成果研究与应用

周黎明，邱东明，付代光，肖国强，王法刚

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.中国水利水电第十四工程局有限公司 广东分公司，广州 510800)



TSP隧道超前地质预报技术及其3D成果研究与应用

周黎明1，邱东明2，付代光1，肖国强1，王法刚1

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.中国水利水电第十四工程局有限公司 广东分公司，广州 510800)

水利水电洞室具有规模大、尺寸大的特点，如果开挖隧洞发育大型不良地质(断层破碎带、溶腔、突水突泥等)，则更容易引发大型的安全生产事故，而水电隧洞超前地质预报工作相对薄弱，因此开展水电洞室超前地质工作是一种新的应用和研究。首先介绍了TSP技术的发展现状和基本原理，探讨了影响TSP数据采集的几点关键因素；之后，将TSP方法应用到乌东德水电站的泄洪洞和导流洞中，获得了大尺寸工作面水工洞室超前地质预报结果，并绘制出不良地质体3D空间分布成果。该结果与随后施工开挖揭露出的溶洞以及工作面前方存在的导流洞水体分布基本一致，验证了TSP技术在水电水利地下工程中应用的可行性和有效性，具有一定的应用推广意义。

TSP；隧道地质超前预报；3D成果；乌东德水电站；数据采集

1 研究背景

近年来，随着我国交通、矿山、水利、市政及其他工程建设的快速发展，作为隐蔽工程的公路隧道、铁路隧道、矿山隧道、输水隧道等大量出现。由于复杂隧道的长度越来越长、埋深越来越深、工程地质和水文地质条件越来越复杂，在该类隧道施工中经常会因遇到岩溶、断裂带、破碎带、暗河等不良地质体而导致塌方、涌水、冒顶、突水等地质灾害发生[1-2]。利用准确、有效、及时的超前地质预报可以修正隧道支护和开挖设计的方案，降低工程造价、减少施工中的盲目性、消除工程安全隐患，避免施工中的诸多事故发生，具有非常重要的经济意义和社会意义。

目前，国内外隧道超前地质预报采用的地球物理方法主要分为地震类[3]和电磁类2大类。其中，地震类方法主要包括水平声波剖面法(HSP法)[4]、地震波反射负视速度法(TVSP法)[5]、面波法[6]、陆地声纳法[7]、隧道地质超前预报系统(TGP)[8]、隧道真反射成像技术(TRT)[9]、隧道地震成像技术(TST)[10-11]；地震波法以人工激发的弹性波在岩体中的传播理论为基础，当不良地质体与围岩存在弹性差异时,通过获取和分析地震波的运动学(波传播时间和空间的关系)和动力学(波的振幅、频率、相位)特征，推断不良地质体的分布、几何形态、产状等构造特征。电磁类方法主要包括地质雷达(GPR)、瞬变电磁(TEM)、高分辨率直流电法等；电磁法主要通过介电常数、电阻率等物性差异来推断隧道前方不良地质体[12]。

TSP隧道超前地质预报系统由瑞士Amberg公司在20世纪90年代初研制，发展至今已开发出TSP202，TSP203，TSP203PLUS，TSP200等一系列产品[13-14]。TSP研制后，最初主要在欧洲应用，包括瑞士的Gotthard基础隧道和Vereina隧道、德国Zuckerberg输水隧洞和冰岛的Karahn-jukar隧道；亚洲国家包括日本的Ritto隧道和Kazunogawa水电隧道、伊朗的Cheshmeh-Langan供水隧洞、韩国的Anmin公路隧道等工程[15-16]；我国在1996年首次引进TSP202，随后在2001年和2004年分别引进了TSP203和TSP203PLUS，在2007年开始引进TSP200型设备。

TSP作为我国超前预报重要方法之一，已经有了广泛的应用。国内对于该方法的原理、观测系统的设置和改进、资料的采集和处理、图像的解译和分析等方面都有了较深入的研究[17]。杨天春等[18]通过研究TSP数据存储格式，将国产地震仪数据格式转换成TSP数据格式，可以直接利用TSPwin软件内的各功能版块处理。许振浩等[19]在TSP的触发方式方面使用了组合爆破法，引进延时微秒级的瞬发雷管，同时利用延时测量仪修改直达波的初至时间，提高了探测精度。刘秀峰等[20-21]就TSP数据采集和处理中的雷管选择、炮检点位置、套管埋设和参数选择等方面进行了讨论；在TSP图像的解译方面，分析了不良地质体(如空洞的高度和跨度)等在剖面上的特征，为资料解释提供依据。丁万涛等[22]在利用TSP法探测与隧道轴线倾斜的岩层反射界面时，探测结果出现误差，针对误差来源进行分析，探讨了隧道轴线与倾斜岩层不同夹角所形成误差的对应规律。

TSP隧道超前地质预报技术是属于反射地震波法，观测系统充分利用了隧道空间来进行布置，数据处理采用深度偏移成像技术。该方法具有预报结果精度较高、预报距离相对较长、提交资料及时、能够提供围岩物性力学信息等优点。在探测与隧洞轴线夹角较大的面状不良地质体(如破碎带、断层、软弱夹层、溶洞)时应用效果较好。在探测与隧洞轴线平行的界面和形态不规则的地质缺陷(如几何形态为圆锥体或圆柱体的暗河和溶洞)时，试验结果有一定的局限性。利用TSP法的3D成果进行超前地质预报，可以更加直观、完整地观测到不良地质体在隧道工作面前方的分布形态。

本文介绍了TSP技术的发展现状和基本原理，讨论了影响TSP数据采集的几点关键因素，提供了不良地质体3D空间分布成果。在乌东德水电站的泄洪洞和导流洞中分别进行一次TSP试验，获得了大尺寸工作面洞室的超前地质预报结果。该结果与随后施工开挖揭露出的溶洞，以及工作面前方存在的导流洞水体分布基本一致，验证了TSP技术在水电水利地下工程中应用的可行性和有效性，具有一定应用推广意义。

2 TSP法原理

TSP法是一种多波多分量的高分辨率地震反射波探测方法，其基本原理是当人工激发的地震波在隧道岩体中传播时，遇到不良地质体界面会产生反射，通过对反射波的运动学和动力学特性分析来探测隧道工作面前方岩体以及周围临近区域的地质状况(见图1)。TSP法观测系统的布置为：在工作面后方55 m左右距离的两侧边墙上钻孔用来安装接收传感器和炸药，其中左右边墙各安置1个传感器，一侧边墙布置24个激发炸点。当爆破引发的地震波在岩体中向四周传播时，向隧道前方传播的那一部分，会经过隧道前方的不良地质体界面反射回来，将反射信号接收，转换成电信号放大。地震波从激发到反射回传感器这段旅行时间可以用来计算反射界面与传感器间的距离。因此，可以通过反射时间和地震波传播速度来将反射界面的位置、与隧道工作面的距离以及同隧道轴线之间的夹角计算出来，同时还能对隧道岩体中存在的不同岩性接触面的位置进行探测。

图1 TSP系统原理Fig.1 Principle of TSP (tunnel seismic prediction)

TSP法探测得到的原始数据是由专门的软件TSPwin处理。TSPwin处理流程的11个主要步骤包括：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-S波分离→速度分析→深度偏移→提取反射层。反射地震波信号的传播旅行时经过速度分析可以转化为距离(深度)表示。

TSPwin处理结果包括：深度偏移剖面、P波时间剖面、SH波时间剖面、SV波时间剖面、反射层提取结果、反射层能量、岩石物理力学参数表，以及在探测范围内代表不良地质界面的反射层的2D和3D的空间分布图。

关于TSP结果的解译，可以利用不良地质体界面与隧道轴线的交角，以及与隧道掌子面的距离之间的关系来确定它在隧道内的空间方位。对于不良地质体的力学性质可以根据反射波的波组特征以及其动力学参数来进行解释。

3 TSP现场采集的几个关键点

TSP预报结果的准确性和精度与现场数据采集质量密切相关。笔者根据长期开展TSP预报工作的现场经历，总结了TSP数据采集需要注意的几个关键点，列出了相应采集数据的实例波形，分析了其所造成的影响。

3.1 接收孔倾角

TSP接收器孔需向上倾斜5°，防止孔内积水影响锚固剂固结，降低接收传感器与围岩耦合程度，获取的地震波记录存在高频干扰，图2为含水接收孔不良记录。

图2 含水接收孔地震记录Fig.2 Seismic waves of receiving hole which contains water

3.2 非瞬发电雷管

TSP震源采用瞬发电雷管和乳化炸药，如果电雷管存在延时情况，会造成地震波延后到达，影响各道的直达波初至时间拟合，回归的岩体波速值存在较大误差，需要重新测试，如图3。

图3 延迟电雷管地震记录Fig.3 Seismic waves of electric detonator that delays

3.3 炸药量

炸药量要根据围岩情况现场确定。当围岩完整性较差，为Ⅴ级岩体时，加大偏移距较大的几道炮孔的药量；当围岩完整性较好，为Ⅲ级以下岩体时，对小偏移距的几道炮孔减少药量。TSP信号电平应该不超过5 000 mV，当炸药量过大，如图4所示，地震记录剖面接收信号x分量振幅输入过载，导致记录为无效信号，需要重新测量。

图4 炸药量过大地震记录Fig.4 Seismic waves in the presence of exceedingly large explosive quantity

图5 接收孔-炮孔间夹不良地质体地震波Fig.5 Seismic waves of defective geologic body between receiving hole and blasting hole

3.4 接收孔-炮孔间不良地质体

避免在已出露溶洞、软弱夹层和破碎带等不良体附近边墙上布置炮孔和接收孔。施工单位在对上述不良地质体注浆处理时，未必会注浆完全，有的甚至存在空腔，如果将接收孔和炮孔分别布置于不良地质体两侧，则会对接收地震波产生严重影响(如图5)，大偏移距的初至波很难拾取，建议跨过此类区域。

3.5 检波器的布置

现场测试时，需要在左右边墙各布置1个接收孔。由于TSP数据采集时采用单侧放炮式必然会产生反射波接收盲区，当只在一侧边墙的单孔内接收时，盲区范围可能扩大。当隧道开挖路线弯度较大时，如接收孔和炮孔均布置在隧道的外侧边墙上，会造成预报结果偏离隧道开挖方向，尤其在远距离的预报结果影响会更大，此时要结合2个接收传感器的地震记录，综合判断预报结果。

4 工程实例

乌东德水电站位于金沙江河段下游，以发电为主，兼顾防洪，水库总库容74.08亿m3，电站装机容量10 200 MW，多年平均年发电量389.3亿kW·h。 乌东德电站主要岩性为中厚-厚层变质灰岩、大理岩、千枚岩、白云岩及白云质灰岩等。坝址建坝岩体主要为昆阳群落雪组中厚-厚层变质灰岩、大理岩，岩层近直立微倾下游。乌东德水电站地质情况复杂，发育大量的溶洞、软弱夹层以及破碎带等不良地质体。为保证隧洞施工安全，研究TSP隧道超前预报技术在水利水电地下工程施工中的应用效果，在水电站泄洪洞和尾水洞分别进行了一次TSP超前地质预报试验。

4.1 泄洪洞TSP超前预报结果

泄洪洞采用有压洞平面转弯接明流隧洞的型式，平行布置于左岸靠山侧，进口位于左岸导流洞进口左上方，出口位于左岸导流洞(尾水洞)左侧。进口布置岸塔式进水检修塔，有压洞为圆形断面，净断面直径14 m，有压洞平面投影长度分别为1 254.57，1 206.32，1 158.08 m，转弯段转角59°，最小转弯半径150 m，出口流道控制尺寸为14 m×10 m，出口采用挑流消能，下方设置人工水垫塘消能，水垫塘末端开挖尾渠将泄洪水流引入河床。本次试验地点位于泄洪洞的有压洞内，试验现场见图6。

图6 试验现场Fig.6 Field test

工作面尺寸为9 m×9 m。接收位置桩号0+347，工作面位置桩号0+404，预报里程为0+404—0+540，设计为24炮，实际为24炮。图7为左右边墙接收器采集的原始地震记录，图8为泄洪洞预报成果。

图7 泄洪洞原始地震记录Fig.7Original records of seismic waves of spillway tunnel

图8 泄洪洞预报成果Fig.8 Results of prediction for spillway tunnel

在本次对TSP数据的解译过程中，以P波资料为主对岩层进行划分，结合横波波速以及由此计算出的密度和弹性模量等岩体力学参数对工作面前方不良地质体进行预报。其中隧洞围岩纵波波速为4 300～5 500 m/s；纵横波速度比为1.55～2.04；密度为2.63～2.72 g/cm3；动态杨氏模量为44～58 GPa。

图8(a)给出了泄洪洞围岩的物理力学参数曲线。在桩号0+455—0+475范围内，纵波速度值变化较大，横波波速值降低，纵横波波速比增大，推断该区域为溶洞重点发育段；图8(b)给出了不良地质结构分层区间，在桩号0+465—0+475区间，为软硬层分界处，裂隙发育密集，大部分呈陡倾角分布，其中红色代表弹模值较大、较坚硬的岩体，蓝色代表弹模值较小、硬度较弱的岩体。图8(a)和图8(b)从岩体力学参数和结构特征这2方面验证了该区间可能存在小的溶洞、溶蚀区，岩体较破碎，力学特性有较大差异。图8(c)为3D成果图，从中可以清楚地看到，在桩号0+465—0+475区间内存在软硬岩层接触面，该接触面呈陡倾角状态。

实际开挖情况：桩号0+465—0+470区间内发现溶洞，见图9(a)，溶洞较小，且局部发育夹泥层；桩号0+470—0+475处发现溶洞，见图9(b)，洞内无泥质或流体充填；桩号0+480—0+540围岩较完整。

图9 溶洞出露照片Fig.9 Photographs of exposed karst caves

4.2 尾水洞TSP超前预报结果

尾水系统采用两机一室一洞，尾水隧洞采用调压室前一机一洞、调压室后两机一洞布置，出口底板高程800 m。尾水支洞(主厂房与调压室之间洞段)最大断面尺寸12 m×23 m，尾水主洞断面尺寸14 m×23 m至16.5 m×24 m。工作面尺寸为17 m×17 m。接收位置桩号0+091，工作面位置桩号0+151。预报里程为0+151—0+250，设计为24炮，实际为24炮。图10为左右边墙接收器采集的原始地震记录，图11为尾水洞预报成果。

图10 尾水洞原始地震记录Fig.10 Original records of seismic wavesof tailrace tunnel

图11 尾水洞预报成果Fig.11 Results of prediction for tailrace tunnel

尾水洞围岩纵波波速为3 500 ～4 300 m/s；纵横波波速比为1.6～1.98；密度为2.36 ～2.53 g/cm3；动态杨氏模量为27～37 GPa。

图11(a)中，在桩号0+185—0+195范围内，由于横波波速值减小，导致纵横波速比增大，推断该区域有流体存在。图11(b)中，在桩号0+190—0+210区间，存在反射层层间接触面，推断为岩层分界面，裂隙发育密集。图11(c)中，蓝色区间代表弹性模量和岩体硬度急剧减小区间，推断该10 m左右范围内存在水体。

预报开挖掌子面前方实际情况如图12所示，在掌子面前方20～38 m处，有2#导流洞经过，洞内有水流通过，该区域与预报的水体存在区域(桩号0+185—0+195)基本一致，证明了TSP通过横波波速和纵横波速比的变化判断水体存在的准确性和有效性。

图12 尾水洞与导流洞位置Fig.12 Location of tailrace tunnel and diversion tunnel

4.3 预报结果分析

TSP方法既能够对隧道不良地质体的结构、分布及几何特征进行预报，又能提供不良地质体的物性特征。本次试验结果表明：乌东德泄洪洞存在溶洞或溶蚀区3处，发育范围分别为4，5，14 m；岩体裂隙发育区和破碎带3处，厚度分别为11，8，5 m；大小为2 m的孤石或硬夹层1处。尾水洞存在充填流体的溶洞2处，发育范围分别为6 m和2 m；充填有裂隙水的岩体裂隙发育带1处，范围6 m；岩体破碎带2处，发育范围分别为9 m和4 m；硬夹层1处，厚度2 m；软硬夹层发育1处，范围7 m。

TSP方法能够提供隧洞围岩的力学参数情况。本次试验结果表明泄洪洞隧洞围岩强度、弹性模量、密度均大于尾水洞围岩。TSP通过横波波速值变化情况和纵横波波速比值可以推断围岩中流体的存在情况。本次试验结果表明在尾水洞掌子面前方有1处存在流体的位置，工作面前方34～40 m范围内，桩号为0+185—0+195，推断为导流洞水体所在区域，与设计布置基本一致。

5 结论与建议

(1) TSP现场试验对随后的数据处理与解译至关重要，影响TSP原始记录采集质量的因素主要有接收器孔角度、电雷管延时性、炸药药量大小、布孔区域岩体完整性和接收传感器数量等。

(2) TSP法可以在水利水电地下工程中的大尺度工作面洞室开展超前地质预报试验，能够有效预报溶洞、破碎带、软弱夹层、暗河等不良地质体。

(3) TSP的3D成果可以更加直观、完整地反映不良地质体在隧道工作面前方的分布形态，是对于2D预报成果的一种有效补充和验证。

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(编辑：姜小兰)

Application of Technology of Advanced Tunnel Seismic Predictionand Its 3D Renderings

ZHOU Li-ming1，QIU Dong-ming2，FU Dai-guang1，XIAO Guo-qiang1，WANG Fa-gang1

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2. Guangdong Branch, Sinohydro Bureau 14 Co. Ltd., Guangzhou 510800, China)

Large-scale safety accidents are prone to be triggered by large geological defectives (broken fault zone, cave, and water gushing and mud) in large hydropower caverns. Advanced geological prediction for hydroelectric tunnel is relatively weak. In this research, the development status and basic principle of TSP (tunnel seismic prediction) technology are firstly introduced, and some key factors that affect TSP data acquisition are discussed. Furthermore, TSP technology is applied to the geological prediction for the discharge tunnels and diversion tunnels of Wudongde Hydropower Station. The geological prediction result of large working face is obtained, and the 3D spatial distribution of the geological defectives is given. The forecast results are basically in accordance with the excavation results which exposed karst caves and water distribution in front of excavation face. The prediction results verify the feasibility and effectiveness of the application of TSP technology in underground engineering of water conservancy and hydropower projects.

TSP; advanced tunnel geological prediction; 3D result; Wudongde hydropower station; data acquisition

2016-02-13；

2016-04-26

国家自然科学基金青年基金项目(41202223)；中央级公益性财政项目长江科学院院所基金(CKSF2013043/YT)

周黎明(1977-)，男，吉林辉南人，高级工程师，博士，主要从事工程物探方面的研究工作，(电话)027-82927247(电子信箱)brian5396@126.com。

10.11988/ckyyb.20160118

2016,33(10):72-78

TU457

A

1001-5485(2016)10-0072-07