TSP技术在隧道超前地质预报中的应用

樊一平

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

物探法有操作简便、准确性高、探测距离较远等优点，在隧道超前地质预报检测方法中占有非常高的使用比例，是超前地质预报的一个最重要手段，因此得到了广泛的推广应用［1-2］。目前隧道超前地质预报中最先进的物探法，为隧道地震反射波法即Tunnel Seismic Prediction（TSP）。在隧道施工期间，利用TPS技术对隧道掌子面前方的地质条件进行及时有效的预测，是提前准备预防措施、避免灾害发生或在一定程度上减小因地质灾害造成的损失并保证隧道安全施工的需要，同时也是当今生态环境保护对隧道工程建设提出的重要研究课题［3］。

1 隧道地震波反射法（TSP）检测原理

炮孔布置在掌子面后方一定范围内，因此在检测前要在掌子面后方开挖一段隧道。地震波由少量炸药卷发生爆炸时发出，且以球形形式在隧道岩体中传播，当地震波遇到阻抗较差的含水层、断裂带、软基层等介质层，一部分地震波会被反射回来，而另一部分地震波会沿着岩体介质继续传播，随着传播距离越来越远，能量越来越小，直到接收器接收不到信号为止。

地震波的反射波信号用三分量地震波检测仪接收，这种检测仪灵敏度较高，可以探测到距离较远的岩体介质，通过检测地震反射波的波速、时间及波形和能量的强弱，可判断检测段隧道岩体的地质组成条件。如图1。

图1 地震波反射法的预报原理

地震波由特定爆破点通过人工爆破发射，在隧道一侧每隔1.5～2.0m的距离布置激发孔（一般小于24），并在离最后一个发射孔20m远的墙体两侧墙位置分别布置一个地震反射波接收器，发射孔和接收器基本上保持在同一水平高度。当地震入射波遇到地层界面、节理界面，特别是断层破碎带、溶洞、地下河等不良地质界面时，反射波由接收器产生和接收，并由数字记录仪放大、输出和记录。隧道工作面前方TSP探测距离可达100m，硬岩探测距离可达200m。

2 隧道地震波反射法（TSP）检测流程

TSP超前地质预报测试过程通过一系列炮点、一到两个三维接收传感器、接收机及数据处理系统完成，检测流程主要分为6个步骤： ①隧道检测前应对隧道掌子面岩体进行现场勘查，并对其进行地质描述。②根据地质勘查结果选择合适的仪器布置点，TSP超前地质预报系统的现场布置如图2。③记录检波器接收孔至炮孔的隧道里程及隧道掌子面里的里程，当炮孔间距不等时还要测量炮孔间距。④检波器采用三分量检波器，并且用定向耦合方式进行安装，炸药卷根计时线一并安装，且药量一般控制在60～120g之间。⑤在进行数据采集时要保证隧洞内足够安静，停止所有震动相关的施工项目。依据岩体条件选择合适的采集参数，其中硬岩条件采样率0.05ms，软岩条件采样率0.1ms。在采集数据过程中保证地震记录长度不低于300～400ms。⑥现场数据采集完成后，经相关软件处理便可以得到P,S波的时间剖面、深度偏移图、速度分析图、反射波相位、反射波层位、反射能量大小等资料，同时结合隧道地质情况对掌子面前方的反射波相位、溶洞、断层、反射波相位、节理裂隙密集带及富水情况等不良地质情况做出相应推断。

图2 TSP超前地质预报系统现场布置

3 评价指标建立

依据TSP有效资料和围岩勘察情况，本次选择岩石完整性系数Kv、泊松比μ、杨氏模量E、纵波波速Vp和地下水开发状况W作为评价围岩地质条件的主要因素。

3.1 岩体完整性系数

岩体完整性是指岩体地质界面发育程度中的各种裂隙，其定量指标是岩体工程表征的重要参数。计算如式（1）：

式中 Kv为岩体完整性系数；Vp为岩体纵波速度（km/s）；Vs为岩体横波速度（km/s）。

3.2 岩石物理力学参数

TSP的传感器可以接收反射波信息，并按不同的日期显示与界面相关的特征和发生情况。隧道的泊松比μ、杨氏模量E等可由式（2）、式（3）求得，以便对隧道工作面前的不良地质进行预测。

式中 μ为泊松比；E为杨氏模量 （GPa）；P为岩体密度（kg/m3）。

3.3 地下水（W）

地下水是影响围岩稳定性的重要因素。水的作用主要是侵蚀可溶性水泥和小颗粒填充岩石和结构表面，软化和降低岩石的强度。当岩体较好，无含水或承压水较小时，地下水对围岩的影响较小。当岩体质量差、有涌水、水压大时，地下水对围岩稳定性影响较大，应充分考虑地下水的作用。地下水的开发是一个定性指标，根据表1进行量化。

表1 地下水等级划分

3.4 围岩等级划分

影响隧道围岩质量的因素可概括为： 岩石本身的强度、岩体结构面的影响、工程因素和工程地质环境4个方面。本文按照评价因子简单、易于确定的原则，对岩体的纵波波速Vp、岩体完整性指数Kv、泊松比μ、杨氏模量E和地下水W共5个因子建立了分类评价指标体系。根据围岩由好到差，I～V分为5个等级，分级标准如表2，表3。

表2 围岩等级划分

表3 围岩等级划分

根据岩体5个不同指标进行测量，得到相应的指标评分，再根据综合指标评分将围岩质量由好到差分为I～V 5个等级，分数越高则代表围岩质量越好。

4 结语

根据地震波场响应特征原理，通过选取影响围岩水平的主要因素，建立分类评价指标，对围岩等级进行划分，定量描述了各项指标，使评价结果更加客观准确。