TSP探测精度分析及其在过江隧洞超前预报中的应用

李俊杰，张红纲，何建设，荣 鑫，李剑强，郭佳豪

TSP探测精度分析及其在过江隧洞超前预报中的应用

李俊杰，张红纲，何建设，荣 鑫，李剑强，郭佳豪

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

针对TSP预报工作耗时长、经验依赖性强等问题，以提高TSP探测精度与效率为目标，分析了影响TSP数据采集与处理精度的关键因素，总结了提高TSP探测效率的经验。结合千岛湖配水工程某过江隧洞段地质超前预报工程，在TSP探测分辨率下降的区域开展TSP跟踪预报或地质雷达探测工作，对物探异常区辅以钻探验证。结果表明：岩体完整性差地段的TSP纵波波速、密度及各力学模量值偏低，TSP对破碎带探测较敏感，对基岩裂隙水识别能力相对较弱，纵、横波波速均偏低的区域岩体富水的概率更大；岩体破碎含水区段雷达电磁异常特征表现为反射波振幅强，同相轴错断，主频偏低。综合预报成果发挥了各种预报方法优势互补的作用，为隧洞支护及超前注浆方案的优化提供了重要参考。

TSP；地质雷达；超前钻探；过江隧洞；综合预报

常用隧洞超前预报技术主要有TSP[1](Tunnel Seismic Prediction)、TGP[2](Tunnel Geological Prediction)、TST[3](Tunnel Seismic Tomography)、TRT[4](Tunnel Reflection Tomography)等弹性波法，和GPR[5-6](Ground Penetrating Radar)、TEM[7-8](Transient Electromagnetic Method)等电磁法两类。弹性波法有效探测距离多大于100 m，对断层破碎带反映较灵敏，抗干扰能力强，但工作效率偏低，它们在激发方式、观测系统布置或数据处理流程上存在一定差异，其中TSP数据处理与解释技术相对更成熟，在基岩裂隙水[9-10]、断层破碎带[1,11]、大型溶洞探测[12-13]、岩爆预测[14]及岩体质量等级分类[15]等方面均取得了一定的效果；电磁法探测效率较高，但易受到邻近障碍物(如水泵、台车、挖掘机、铲车)或交流电缆线的干扰，其中TEM对含水体较敏感，其探测距离多小于80 m[16]，而GPR可准确圈定完整性差的围岩(如节理裂隙发育、岩体破碎)分布区域，且对空洞的探测效果好，是隧洞短距离预报(小于30 m)的主流方法。

千岛湖配水工程通过输水隧洞将优质湖水引至杭州闲林水库，途中兼顾建德、桐庐及富阳等县市的供水。输水线路总长约112 km，设计流量38.8 m3/s，为浙江省重点大型水利工程。分水江江底隧洞位于桐庐县横村镇附近，前期地质钻探资料表明：过江隧洞段处于侏罗系亚构造层南侧边缘附近，输水隧洞要穿越分水江河床部位近200 m长度范围内的上覆岩体其厚度薄、断裂构造发育、岩石破碎，左岸坡及坡脚受断层影响，地下水补给丰富，隧洞存在开挖洞段大面积渗水、突泥及因渗水造成掌子面坍塌的安全隐患。开展隧洞超前预报工作，可提前了解掌子面前方不良地质情况，为隧洞安全施工提供保障。

本文以千岛湖配水工程沿线不同地质条件TSP预报经验为依托，讨论了提高TSP预报精度与探测效率的方法，统计了不同质量级别下熔结凝灰岩的TSP常见速度区间。将研究成果用于分水江江底隧洞段的TSP数据采集与分析，剖析了江底断层破碎带对应的TSP异常特征，并制定相应的超前钻探方案，研究成果可为隧洞工程TSP高效精细化探测提供参考。

1 TSP方法

TSP属于纵、横波三分量地震反射技术，在设计于洞壁的炮孔内用少量炸药(如100 g)激发地震波，地震波遭遇岩体波阻抗差异界面时(如断层、节理密集带、破碎带)将发生反射，部分反射信息被高灵敏度检波器接收，将采集数据用TSPwin软件处理，便可分析掌子面前方地质体的规模与性质。TSP的4个接收器需要在隧洞两侧对称布设，R2、R4接收器距S24号炮孔分别为15 m与20 m(图1)，其钻孔直径大于50 mm，呈10°向上倾斜，孔深2 m；爆破时为便于灌水，减小声波干扰，炮孔宜向下20°倾斜，孔深与孔间距均为1.5 m，28个钻孔尽量保持在同一平面，约高出隧洞底部1.0~1.5 m。TSP直接成果为岩体视波速值及其变化特征，密度、泊松比及各种力学模量均由视波速换算而来。纵波波速、密度及杨氏模量值越低对应岩体完整性越差，横波速度低、泊松比高的岩体多含水。

图1 TSP303观测系统

2 影响TSP探测精度因素

高信噪比数据与适宜的计算参数为TSP预报质量的基础，依据千岛湖配水工程预报经验，从数据采集与处理两方面讨论影响TSP探测精度的因素。

2.1 数据采集影响因素

a.观测系统布设偏离标准。如炮孔呈水平状或接收孔下倾，孔深过浅或过深，孔间距或孔高差异较大。水平或角度微上倾的炮孔无法灌水，炸药在空气中激发将产生强烈声波干扰；接收孔下倾易导致孔内积水积泥，降低锚固剂与检波器的耦合效果；孔深不足(如炮孔深度小于1.0 m或接收孔深度小于1.5 m)易导致掌子面附近反射波缺失。此外，由于套管长度固定为2.13 m，接收孔深度超标多采用锚固剂填堵，检波器前方易存在较大间隙，降低耦合效果；炮孔与接收孔不在同一高度，TSP计算将产生近似误差。

b.炮孔布设洞段含避车洞或空腔，易导致反射波缺失，若空腔超过一定规模，对炮孔一侧检波器TSPwin软件将无法计算偏移距。

c.掌子面向后56 m范围内围岩类别显著变化或存在岩性分界(如Ⅱ类灰岩过渡为Ⅳ类泥质粉砂岩)，此时炮孔不应只布设于单一岩性上。因掌子面前方岩体波速以炮孔布置洞段的初至波波速为参考，岩体质量好坏对应的纵波波速与参考值差异一般小于1 000 m/s，间接导致TSP成果各参数显著偏高或偏低，不利于异常区岩体完整性的定量分析。

笔者统计了千岛湖配水工程不同质量级别岩性对应的TSP指标常见区间(表1)。近掌子面23 m范围为钢拱架支护的Ⅲ2或Ⅳ类泥质粉砂岩，为造孔便利，钻孔实际置于素喷混凝土的灰岩段。S1号炮孔距掌子面约25 m，实际开挖证实200 m预报范围内90%为完整性或稳定性差的Ⅳ–Ⅲ2类围岩。如表1所示，TSP波速与各力学模量值显著偏高，远超Ⅳ–Ⅲ2类泥质粉砂岩，甚至优于Ⅲ1–Ⅱ类灰岩。

表1 千岛湖配水工程不同围岩类别相关岩性对应的TSP指标

d.隧洞岩体破碎区段易超挖，由于施工成本、进度等原因，超挖部分有时未回填而直接立钢拱架喷混凝土，装药时炸药易掉入钢拱架与岩体间的空隙，可采用细钢筋插入乳化炸药旁送入炮孔底部。此外，因孔壁粗糙，装药不宜用力过猛以致将炸药捅散，有效爆破能量将显著降低，同时产生强烈声波干扰。

e.初至波延时出错。常见于采用延时电雷管或断路导线未固定于雷管前端，爆破过程产生的电火花可能先将断路导线炸断，造成延时出错。

f.合理分配炸药量。炮孔布设位置岩体条件若不同，炸药量应相应调整，以免信号过载。对硬质岩50~100 g炸药即可获得较好的激发效果，软岩中药量宜适当增加(如75~150 g)。因乳化炸药一支固定为200 g，为兼顾爆破效率，可将24个炮孔分为3组，近掌子面组药量设为2/3支，近接收器组为1/3支，其余炮孔半支。

2.2 数据处理影响因素

TSPwin处理参数多采用默认值，其中带通滤波、初至波拾取、反射波提取等需手动调节参数，对预报成果有重要影响。

带通滤波应保证截取的频带有足够的信噪比，完整性好的硬质岩(如Ⅱ类熔结凝灰岩)中TSP数据主频偏高，频带较宽；相反，完整性差的软质沉积岩(如Ⅳ类泥岩、泥质粉砂岩)高频截点不宜超过2 000 Hz[18-19]，低频截点一般在默认值50 Hz及TSPwin软件计算值中取极小值，若数据存在频率小于333 Hz的低频强声波干扰，宜采用软件计算值。

初至波拾取可获得直达波波速，处理时截距应尽量归零且要保留足够多的地震反射数据，每次爆破激发检波器将接收至一个单道反射波形(建议保留道数大于实际激发总数的1/3)。此外，两检波器拾取的直达波波速应相近，对观测系统布设严重超标的TSP数据截距偏大且难以调零。

反射波提取要求输入最大增益(振幅增益限制)及值(岩石的质量因子)，此步骤旨在恢复地震波在岩体传播过程中损失的部分高频信号，以达到提高探测分辨率的目的，较高的振幅增益限制(如最大增益为20 dB)可在提升有效信号的同时避免背景噪声的放大。

TSP数据处理参数的设置原则在于兼顾波形的平滑度与分辨率(反射层数量的识别)，图2为最大增益与值组合值为(20，20)时的反射波提取结果，类似标注1、2、3形态的反射层能清晰识别，对采集质量差的数据TSPwin提供的默认值多无法采用，经验表明两参数在15~25范围取值预报效果较好。

图2 最大增益与值均取20时的反射波提取结果

Fig.2 The result of reflected wave extraction when Max.gain and-factor are both twenty

3 提高TSP探测效率方法

TSP在铁路系统应用广泛，但水利工程隧洞施工单位对TSP预报必要性认识不足，实施过程常见观测系统布设随意、钻孔规格不达标、爆破不顺利等问题。以千岛湖引水工程预报经验为依据，总结出提高TSP探测效率的建议。

a.排查TSP工作开展的不利因素(如隧洞大角度向上、向下或转弯掘进，观测系统布置洞段存在大型避车洞等)。TSP预报方向为炮孔连线的延伸，非直线水平开挖时应根据洞轴线修正炮孔与接收孔的位置及深度；空腔易造成TSP反射信号缺失，炮孔应避免布设于避车洞一侧。若隧洞积水积泥严重，拱顶或边墙大量涌渗水，可提前准备防水油布，必要时搭建简易平台摆放仪器。

b. TSP前期造孔规范化。钻孔位置确定后用红漆标记，近掌子面炮孔与两侧接收孔边注明孔径、倾斜方向及角度，标记位置若存在钢拱架，孔位可向四周微调，跨度小于0.1 m，完工后检查孔深是否达标，有无堵孔现象，并冲洗两侧接收孔，对于岩体完整性差的隧洞宜尽快开展TSP工作，避免掌子面爆破过程将孔内碎石振落二次堵孔。

c. TSP实施过程优化。建议配置爆破员3名，TSP操作员及民工各2名，进洞前检查起爆装置(起爆针、起爆器电池、起爆线)的有效性，洞内TSP操作员分工协作，前者负责炮孔规格复测及与爆破人员衔接，后者进行检波器安置及仪器的连接，当孔深严重超标(炮孔深小于1.0 m或接收孔孔径小于1.5 m)时应补打或疏通。爆破过程由2人负责接线与孔内灌水，起爆器置于TSP主机附近。此外，隧洞底板多含碎石垫层，爆破过程来回接线易使炮线表皮磨损，隧洞积水时炮线将处于短路状态，仪器无法接收数据，故炮线尽量沿边墙布设或挂于边墙上。接线完毕后可先预触发(将触发线一端与触发单元断开)，检验仪器有无异常。

4 工程实例

分水江江底隧洞位于桐庐县横村镇附近，河床宽度约220 m，输水线路与分水江近乎垂直，设计分水江1号主洞下游及分水江2号主洞上游2个掌子面向江底掘进。前期地质钻探成果表明：过江段基岩以灰色晶屑或熔结凝灰岩为主，分水江1号主洞下游岩体较完整，未见明显断裂构造迹象，仅发育少量中陡倾角节理；分水江2号主洞上游段岩体完整性总体较差，节理发育，以中陡倾角为主，节理面一般铁锰质渲染或方解石脉充填。其中，桩号K55+930~K56+130区段(字母K代表公里标记，K与+号之间的数字对应掌子面公里数，+号之后的数字为米数，即K55+930表示掌子面与隧洞进口相距55 930 m)为江底断层影响带，主要为Ⅳ–Ⅲ类围岩，施工风险大，是全线的重点，故在桩号K56+129位置首先实施了TSP预报，每次预报TSP观测系统均采用如图1所示的方式布置。

4.1 TSP成果与解释(K56+129~K55+999)

图3为分水江2号主洞桩号K56+129~K55+999区段TSP探测结果，对比表1可知，围岩以Ⅲ类为主。其中桩号K56+089~K56+045区段纵波波速、密度及各力学模量值多呈现极小值(图3)，推测此区段岩体完整性差，局部较破碎–破碎，地下水不发育，围岩以Ⅲ2类为主。

图3 分水江2号主洞桩号K56+129~K55+999区段TSP探测结果

根据TSP探测结果，在分水江2号主洞桩号K56+100.2~K56+059.93区段开展超前钻孔取心工作，钻探结果表明：全孔岩心均为灰—青灰色英安玢岩，微风化，岩心以破碎—较破碎为主，且存在蚀变现象。其中K56+093~K56+061区段岩体呈图4所示的破碎状，全孔未见地下水出露，8段压水试验成果显示岩石透水率为0.3~0.7 Lu，为微透水岩体。TSP异常区与超前钻探成果吻合，准确反映了岩体破碎区域的分布。

图4 桩号K56+069~K56+065区段超前钻孔岩心

Fig.4 Cores of advance drilling at stakes K56+069~K56+065

4.2 TSP成果与解释(K56+062~K55+950)

江底断层影响带首次TSP探测时K56+129~ K56+107区段为缓倾角下坡段，且自桩号K56+045起各参数指标不再变化(图3)，为提高预报精度，在掌子面K56+062位置开展TSP补充预报工作。图5为分水江2号主洞桩号K56+062~K55+950区段TSP探测结果，对比表1可知，各物理力学指标普遍较差，推测围岩以Ⅲ2类为主，局部Ⅳ类。如图5所示，桩号K56+024~K56+010区段横波波速偏低，泊松比局部偏高，推测岩体含裂隙水。其中，K56+020.2~K56+017区段波速、密度及各力学模量值多呈现极小值，推测此区段岩体破碎，地下水发育，推测围岩为Ⅳ类；K56+010~K56+006区段纵波波速相对偏低，横波波速未见显著偏低，推测岩体破碎，含裂隙水。依据TSP成果，在桩号K56+062~K56+024.4及K56+037~ K56+004.85区段实施超前钻探工作，钻孔编号分别为ZKF2-3、ZKF2-4。

超前钻探成果表明K56+062~K56+046.4区段为英安玢岩(图6a)，岩体破碎；K56+45.5~K56+004.9区段为熔结凝灰岩(图6b)，岩体节理裂隙发育；K56+ 046.4~K56+045.5区段为岩性接触带，岩心挤压呈碎块状。其中，ZKF2-3号超前钻孔在桩号K56+025.5揭露地下水，初始流量50 L/min，至K56+024.4时稳定流量为65 L/min。ZKF2-4号超前孔在K56+020.3~K56+ 018.8区段出水，水量约53 L/min；钻进至K56+012.9时孔内出水量加大，水量约65 L/min，随后进行了水泥灌浆处理，后恢复钻进至K56+008.3~K56+006.9区段孔内出水，水量约15 L/min。

前文分析表明，TSP异常解释与超前钻探成果基本吻合，K56+062~K56+040区段横波波速偏低，泊松比偏高，但纵波波速未见显著偏低且变化相对均匀(图5)，超前钻探成果表明此区段岩体不含裂隙水，TSP对基岩裂隙水探测精度相对较低，易出现误报。

图5 分水江2号主洞桩号K56+062~K55+950区段TSP探测结果

Fig.5 Detection results of TSP detection at stakes K56+062~K55+950 in Fenshuijiang No.2 main tunnel

图6 桩号K56+062~K56+004.9区段超前钻探部分岩心

分水江2号主洞掘进至桩号K56+004岩体完整性变好，围岩介于Ⅲ1–Ⅱ类之间，掌子面附近局部仅有少量滴渗水，同时分水江1号主洞下游掘进至桩号K55+957，K56+062~K55+950区段TSP探测成果显示自桩号K55+996起反射层面显著减少(图5)，分辨率降低，为此在掌子面K56+004位置开展地质雷达预报工作。

4.3 雷达探测成果与解释(K56+004~K55+974)

地质雷达超前预报多采用100 MHz屏蔽天线，考虑隧洞不良作业环境影响(如粉尘、洞壁渗水、底板积水积泥)，为减小仪器损耗，雷达系统各部件间的连接口应尽量少。千岛湖配水工程选用仅含天线–电缆、电缆–主机两个连接口的SIR-4000雷达探测系统。此外，水工隧洞洞径偏小且掌子面平整度较差，为保证一定的数据采集量，同时提高信噪比，采用点测模式，道间距控制在0.1~0.2 m，采集道数大于60。

图7为分水江2号主洞桩号K56+004~K55+974区段地质雷达剖面及典型单道时间–频率谱。如图7a所示，雷达异常区域集中于桩号K55+974~ K55+ 986区段，其反射波振幅强、波形杂乱、同相轴局部错断，图7a椭圆框标注异常区主频为50~160 MHz，局部偏低，推测岩体节理裂隙发育或较破碎，多含裂隙水。此外，K55+994~K55+987区段掌子面左侧反射信号稍强，频率以中高频为主，推测岩体完整性较差。

图7 分水江2号主洞地质雷达剖面及典型单道时间–频率谱

依据雷达预报结果，超前钻探置于桩号K55+ 957.3~K55+994.7区段，钻探成果表明：岩心为灰–灰黑色熔结凝灰岩，微风化–新鲜为主，K55+957.3~ 972.5区段岩体完整，地下水不发育；K55+972.5~ 985.6区段岩体完整性差—破碎，地下水较发育，其中K55+978.7~980.2处揭露一宽约1.5 m的节理密集带(图8)，张开为主，倾角大于45°；K55+ 985.6~994.7区段岩体较破碎，地下水不发育。雷达预报成果准确反映了岩体含水破碎区域的分布。

分水江过江隧洞段预报成果表明以TSP预报为先导，在TSP探测分辨率下降的桩号附近开展TSP二次预报工作并辅以超前钻探验证的综合预报体系可有效揭露出隧洞前方不良地质体的性质及分布规律，当隧洞剩余长度较小时，亦可采用基于频谱分析技术的地质雷达探测方法来圈定掌子面前方含水破碎岩体的范围。

图8 桩号K55+980.3~K55+975.4区段超前钻探部分岩心

Fig.8 Some cores of advanced drilling at stakes K55+980.3~K55+975.4

5 结论

a.为获得高质量的地震反射数据，TSP观测系统应规范布置，炮孔布设区段不宜有大型空腔，注意断路导线与雷管的连接、固定，提高装药水平，保证炮孔内灌水效果。

b. TSP反射波提取宜多次调试获得相对优化的计算参数，最大增益与值建议在15~25区间取值。

c. TSP对破碎带的探测灵敏度较基岩裂隙水高，岩体含水破碎区域对应TSP成果表现为波速、密度及力学模量值偏低，在雷达电磁异常中表现为反射波振幅强，同相轴局部错断，主频偏低。

d.综合超前预报技术可有效探测出掌子面前方不良地质体的分布与性质，提高了预报精度，弥补了单一预报方法的不足，为隧洞超前支护方案的优化提供了重要参考。

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Detection accuracy analysis of TSP and its application in a river-crossing tunnel construction

LI Junjie, ZHANG Honggang, HE Jianshe, RONG Xin, LI Jianqiang, GUO Jiahao

(Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Hangzhou 310002, China)

Aiming at the problems of TSP such as long detection time and strong experience-depending, in order to improve the accuracy and the efficiency of TSP detection, we analyzed the key factors which affect data acquisition and processing accuracy of TSP and summarized the experiences of improving the detection efficiency of TSP. In combination with the TSP advanced geological prediction work in a river-crossing tunnel for water distribution project in Qiandaohu lake, the TSP tracing prediction or GPR detection in the area where the TSP resolution decreases were carried out and the geophysical abnormal area was verified by drilling. The results show that in the section with poor integrity of rock mass the values of longitudinal wave velocity, density and various mechanics modulus were low, TSP was sensitive to the detection of fracture zone but its identification ability of bedrock fracture water was relatively weak, the rock mass in the area where both longitudinal wave and shear wave velocities were lower had higher water-bearing probability, the GPR anomaly in the section of fractured water-bearing rock mass was characterized by strong reflection amplitude, event dislocation and lower dominant frequency. In the comprehensive prediction results, the advantages of various detection methods were complementary to each other, which provides important reference for the optimization of tunnel support and advance grouting scheme.

TSP; ground penetrating radar; advance drilling; river-crossing tunnel; comprehensive prediction

P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.029

1001-1986(2019)04-0193-08

2018-07-03

国家自然科学基金项目(41641040)；浙江省水利厅科技基金项目(RC1729)

National Natural Science Foundation of China(41641040)；Technology Project of Water Resources Department of Zhejiang Province(RC1729)

李俊杰，1989年生，男，江西上饶人，工程师，硕士，从事地球物理电磁法正演及工程物探方法研究. E-mail：lijunjiecsu@163.com

李俊杰，张红纲，何建设，等. TSP探测精度分析及其在过江隧洞超前预报中的应用[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(4)：193–200.

LI Junjie，ZHANG Honggang，HE Jianshe，et al. Detection accuracy analysis of TSP and its application in a river-crossing tunnel construction[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：193–200.

(责任编辑 聂爱兰)