锤击TSP预报系统在凝灰岩隧洞渗水精细预报中的应用

陈 亮，李俊杰

(浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，浙江 杭州 310002)

瓯江流域是浙江省第二大流域，瓯江引水工程主要任务是将瓯江上游优质水源引入温州市城区，是温州市优化流域水资源配置，提高优质水资源利用效率的重要手段。瓯江引水工程输水线路以渡船头取水枢纽为起点，经瓯江翻水站后到达龙湾区丰台出口，沿程分别向鹿城区、瓯海区及龙湾区部分水厂配水。该工程为Ⅱ等工程，设计多年平均引水流量25m3/s，输水线全长61.0km，其中隧洞段59.7km、埋管段0.6km，顶管段0.7km。隧洞采用钻爆法结合盾构、TBM法施工，干线钻爆法施工段56.2km，盾构法施工段0.8km，TBM法施工段2.7km。长距离输水隧洞因隧洞埋深差异大，洞线常穿越复杂地形地貌，沿线地质条件多样化，采用超前地质预报手段可事先预判隧洞前方不良地质的分布情况，保障施工安全。

地震反射波法是隧洞预报最常用的物探手段之一，同时也是铁路隧道施工的重要环节。其通过在隧洞壁人工激发的弹性波的反射特征来推断掌子面前方不良地质(如溶洞发育区、含泥富水断层)的空间分布形态，继而为隧洞后续隧洞施工与围岩支护提供指导。TSP是最早引入国内的隧洞地震预报系统，该系统配备了高精度加速度传感器，能接收隧洞空间百米范围内的微弱地震反射信号，辅以成熟的商业处理软件，在大型溶洞、构造发育区及地下水富集区的预报均获得了良好的效果[1-6]。随着TSP最新一代产品TSP303的发布，国内类似隧洞地震预报系统也快速发展起来，如TGP、TST、TETSP、TSP-SK、AGI-T3、TSEP。针对TSP只可用于基于炸药震源的钻爆法施工隧洞，国内预报设备多采用人工锤击震源或可控震源，使其可进一步尝试于TBM或盾构方式掘进的隧洞超前预报。通过大量文献查询可知TSP预报成功案例远超国内方法。本文讨论了一种少见文献报导的锤击TSP预报系统，分析了锤击方式与传统爆破激发方式下TSP反射数据的差异，总结了锤击TSP系统在大小隧洞洞径下检波器的数量及观测系统的布置方式。本文的隧洞预报案例显示TSP在横波异常区与岩体渗水区范围较一致，可为未来TBM掘进方式下TSP预报工作的研究打下基础。

1 锤击系统简介

TSP303其采用锚固剂与塑料锚栓耦合地震检波器。该设计优势在于装有检波器的塑料套管可重复使用，相对TSP203采用一次性钢管固定检波器的方式，极大地节约了TSP预报成本。TSP303在设计之初预留了锤击震源接口，但在2021年中下旬推出的TSPplus3.0软件中才集成了锤击激发采集数据模块，此前研究者目光几乎聚焦于钻爆法施工的TSP超前地质预报，有关锤击型TSP的研究工作仍处于起步阶段。

锤击TSP观测系统与爆破方式下的观测系统大体类似，图1为锤击TSP观测系统布置图，如图1所示，锤击TSP观测系统检波器布置于距掌子面30m左右(传统TSP观测系统此距离约在50～55m)的两侧隧洞壁上。笔者大量预报经验表明，当隧洞洞径大于6m时，因锤击产生的地震波能量较小，与锤击点对侧的检波器接收数据信噪比偏低，此时考虑布置一个检波器即可。为尽可能显示出24道地震数据的初至波延时及原始振幅，锤击型TSP偏移距宜控制在7m左右(传统TSP为15～20m)，炮间距宜控制在1m(传统TSP为1.5m)。采集数据时锤击点高度与检波器高度尽量一致，约高出隧洞地面1～1.5m。对隧洞洞壁喷浆厚度较薄的Ⅱ—Ⅲ类围岩，锤击点可直接作用于隧洞壁上，若洞壁喷浆尚未凝固，还需将锤击点附近湿润的水泥凿除。对于Ⅳ—Ⅴ类围岩，通常设计喷浆厚度较大，此时开展锤击TSP工作需在锤击点附近打孔，孔深需大于设计喷浆厚度，并采用直径略小于孔径的粗钢钎插入孔底并以类似“敲钉子”的方式激发地震波。

2 锤击TSP数据分析

本文的锤击TSP工作开展于呈岸隧洞，该隧洞局部穿越沟谷段，上覆岩体薄，地面有常年流水的河流，成洞地质条件差，属不稳定性岩体易冒顶，隧洞开挖时有较大的渗水可能性，故在施工期开展了TSP预报工作。因隧洞洞径较大，仅布置了与隧洞地震波激发点同侧的单一接收器。图2为呈岸隧洞段锤击TSP采集原始波形图，如图2所示，反射波总体“毛刺”状高频干扰小，反射波初至清晰、时间上也未见明显过早或过晚触发导致单道反射波形延时错误等问题，原始数据的信噪比较高。图3为锤击TSP采集原始数据频谱图，如图3所示，在主频带50～1500Hz范围内，检波器接收的地震反射数据x、y、z三分量归一化振幅均大于1，其中x方向为隧洞掘进方向，y方向为垂直洞壁远离洞轴线方向，z方向垂直向上。对锤击激发地震波能量而言，接收的反射信号振幅总体较大，其中y分量反射波能量最大，说明锤击隧洞壁激发地震波的方式下，可接收到的横波能量较强，因横波多对流体敏感，锤击TSP系统很适合隧洞含水体的预报。

如图4所示为锤击TSP采集原始数据能谱及二维滤波处理后能谱，采用二维滤波处理可有效去除高频声波干扰。TSP系统默认地震波在隧洞传播过程中能量以指数形式规律衰减，故指数曲线右侧的信号将被切除，但当高频声波干扰严重时，指数曲线右侧仍会有大量能量团残留，继而影响TSP预报准确性。此现象在爆破型TSP系统中较常出现，而文中的锤击TSP数据经二维滤波处理后指数曲线右侧的能量被完全去除，间接体现了锤击TSP原始数据采集效果好。

图4 锤击TSP采集原始数据能谱及二维滤波处理后能谱

图5为锤击TSP数据直达波拾取处理后地震波波形，该处理步骤旨在获得纵波波速的参考值，后期计算的TSP波速成果均以此为参考，且最大最小值均不会超出参考值1000m/s，故波速参考值应尽量接近岩体真实波速。如图5所示，隧洞壁直达波波速约5637m/s，此数值与该隧洞段勘探时期声波波速成果大体较吻合，岩体完整性较好，为Ⅱ类围岩。

图5 锤击TSP数据直达波拾取处理后地震波波形

图6为锤击TSP数据反射波提取处理后地震波波形，此步骤为TSP数据处理的核心内容之一，是影响TSP预报准确性的关键。该步骤由最大增益与Q值2个参数组成，笔者大量成功预报经验表明，前者取值区间建议为20～25，后者建议为15～20，文中采用的数值分别为25，20。如图6所示，数据处理后反射剖面中的反射波被很好地识别出来。

3 TSP预报成果及隧洞实际开挖情况比对

图7为锤击TSP预报成果，如图7所示，掌子面前方145m范围内(桩号0+104～0+249)围岩纵波速度为4928～6041m/s；横波速度为3097～3403m/s；纵横波波速比为1.53～1.88；泊松比为0.13～0.3；密度为2.74～2.93g/cm3；静态杨氏模量为51～82GPa；动态杨氏模量为64～86GPa；剪切模量为26～34GPa；体积模量为29～62GPa。就凝灰岩隧洞探测而言各物理力学指标总体较好，局部稍差，表明TSP预报范围内岩体完整性总体较好，局部节理裂隙发育或较破碎，局部岩体含少量裂隙水，推测TSP探测区域内岩体多以Ⅲ～Ⅱ类为主，可能存在少量Ⅲ～Ⅳ类围岩。其中0+104～0+121与0+131～0+137区域纵横波波速、密度及各物理力学指标多呈现极小值，0+208～0+222区段横波波速呈现极小值，TSP预报异常区域地质解释及推断详见表1。

表1 锤击TSP预报成果与开挖实际对比表

图7 锤击TSP预报成果

以上分析结果表明锤击TSP预报范围内岩体完整性与稳定性总体较好，后期隧洞开挖至桩号0+211附近洞壁开始出现股状流水(如图8所示画圈处)，TSP波速与各力学指标的变化与隧洞围岩变化相吻合。

图8 桩号0+211附近洞壁渗水

4 结论与建议

(1)本文采用锤击TSP预报系统实现了凝灰岩隧洞渗水区域的精细探测，详细说明了锤击TSP观测系统设计以及采集原始数据的特点，介绍了锤击TSP系统数据处理流程及重要处理步骤参数的建议值。TSP预报成果显示距离大于100m区域存在明显横波低值异常区，经开挖证实此处异常区隧洞壁多处存在渗水现象，说明了锤击TSP预报在隧洞长距离预报中的有效性。

(2)锤击TSP系统尤其适合观测系统洞壁段地质条件为Ⅱ—Ⅲ类围岩的超前预报，此条件下采集的原始数据能量虽不及爆破型TSP数据，但前者不易产生高频声波干扰，接收的地震反射信号更为纯净。

(3)锤击TSP预报系统避免了炸药的使用，极大地节约了TSP预报工作前期沟通及数据采集的时间成本，且其观测系统长度约为爆破型TSP系统的一半，适用条件更广泛。