TSP技术对隧道隐伏断层预报效果研究
——以沪昆客运专线铁路隧道为例

马振华

(中铁第一勘察设计院集团试验检测中心，陕西西安 710043)

1 TSP研究现状

TSP为20世纪90年代中期由铁路系统最早引入我国的一种专门应用于隧道和地下工程超前地质预报的地震勘探仪器。我国先后从瑞士Amberg测量公司引进了TSP202、TSP203和TSP203 plus等型号的产品,分别应用于铁路、公路、水电站、煤矿等领域,通过近年来的工程实践,得到了较好的预报效果。

经过多年实践经验的总结,普遍认为TSP能预测出软弱层，断层破碎带，岩溶等不良地质体的性质、位置和规模。TSP预报原理和计算模型是基于异常结构面为一平面,在预报过程中消减了隧道洞壁面波和正前方反射信号的干扰,主要利用隧道周围反射信号来计算隧道前方异常结构面的位置[5]。因此,TSP对于前方截面远大于隧道工作面如断层一类地质体的探测结果比较可靠,而对溶腔、暗河等不良地质体,只能判定其位置,而不能判定其规模,更不能判定溶腔的充填物特性[7],对小溶洞及顺层溶洞还会出现漏判的情况[8]。 基于这种事实,以沪昆客运专线隧道超前地质预报为例,进行隧道隐伏断层预报效果的研究就具有一定的理论价值。

2 TSP超前地质预报技术

2.1 TSP超前地质预报原理

图1 TSP工作原理示意

TSP超前地质预报技术是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域地质状况的一种方法,属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点(通常在隧道的左或右边墙,大约24个炮点)用小炮激发产生(见图1),当地震波遇到岩石波阻抗差异界面(如断层、破碎带和岩性变化等)时,一部分地震信号反射回来,一部分信号透射进入前方介质继续传播。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收并被转化为电子信号,该信号被数据记录器记录下来,再通过TSPwin软件处理,就可以了解隧道工作面前方不良地质体(软弱带、破碎带、断层等)的性质、位置及规模。

当岩层界面两侧介质波阻抗有差异,即ρ1ν1≠ρ2ν2时,即可产生反射波,这是反射波法研究地质构造的物质基础。地震波由震源点出发向外传播,直接到达接收点的波叫直达波,直达波由炮点沿最快的有效途径传播到接受器。测得直达波的行进时间(T1),即可求出弹性波的速度(VP),其数学表达式为

其中,X1为现场测得的激发孔与接收孔之间的距离/m。

已知地震波的传播速度，就可以通过测得的反射波传播时间推导出地质构造体的位置(如图2),其与接收器之间的距离由下式给出

式中X3——接收点与地质构造体之间的距离/m；

Vp——通过直达波计算得到的弹性波速度/(m/s)；

T3——反射波传播时间/ms。

图2 地质构造体位置计算示意

2.2 工作方法

TSP超前地质预报工作方法主要包括野外数据采集和室内资料处理与解译两部分。

(1)野外数据采集

野外数据采集一般包括以下几个重要步骤：①采集前的准备工作;②激发孔与接收孔的实地测量;③隧道轴线参考点位置的确定；④乳化炸药和接收器的安装；⑤开始试验。

数据采集前首先应对现场进行布置，通过地质分析确定出测线位置，布置激发孔和接收孔，并准备好瞬发电雷管和乳化炸药。其中激发孔及接收孔布置参数、方位可参考表1和图3进行。

受现场条件的限制，可能布置的激发孔和接收均与要求有较大出入，所以要对激发孔和接收孔的深度、倾角、高度等参数进行测量，并做好记录，以便于后续的数据校正。测量完毕后，将乳化炸药(取100～200 g，根据实际情况可增加和减小药量)慢慢送入激发孔底部，将接收器套管缓缓送入接收孔并用环氧树脂固定，然后把接收器送入套管，接收电缆线。安装完成后启动记录单元，进行噪声检测和引爆试验。

图3 TSP接受孔、激发孔现场布置示意

表1TSP激发孔及接收孔现场布置参数

类型激发孔接收孔数量24个(不应少于18个)2个(可选择1个)直径20～45mm43～45mm深度1.5m(0.8～2.0m)2m倾角向下倾斜10°～20°向上倾斜5°～10°间距第1个激发孔距接收孔约20m,其余均为1.5m距第一个激发孔约20m,最小不能低于15m与工作面距离末炮与工作面的距离一般2～4m距工作面距离约55m

进行试验时应注意：到达现场前应对仪器进行检查以保证设备能正常工作；确定计算模型参考点位置时，为了简化计算，通常情况将参考点与接收器的位置选在一起；为了保证激发能量不至于损失太大，需要用清水将激发孔封堵。

(2)数据处理

将采集到的数据经过校正后,利用TSPwin软件按以下步骤进行处理：初至波拾取→选择视窗长度→带通滤波→道能量均衡→Q因子计算→反射波提取→P-S波分离→速度分析→深度偏移→反射界面提取。

通过纵波初至波拾取,可得到纵波直达波速度(如图4),再通过经验系数1.73或手调的方式，可得到较好的X、Y、Z方向上的横波初至。

图4 TSP纵波初至波拾取

Q因子是地层对弹性波吸收特性的一种表达方式,其定义为：在一个周期内,振动所消耗的能量ΔE与总能量E之比的倒数,用公式表示为

一般认为，TSP系统中对Q值的求取采用的是频率谱比法,齐甦[6]认为地震波振幅的自然对数为频率的线性函数,其斜率为

δt为地震波在地层中的双程旅行时,求出斜率m,即可求出Q。

深度偏移是指在时间偏移过程中同时考虑波的绕射和折射且偏移输出剖面为深度剖面的一种偏移方法。Kirchhoff叠前深度偏移和波动方程深度偏移是目前主要应用的偏移成像方法,而这两类方法都是基于以下的全程波动方程,其数学表达式为

实际应用中也可使用单程波动方程,即将全程波动方程中的二阶偏导数降为一阶

Kirchhoff叠前深度偏移建立在全程波动方程积分解基础之上,是目前生产上主要的应用方法,它有以下优点：①处理地震勘探资料的归位问题时不受地层倾角的影响；②具有对高频成分的补偿作用；③有较好的保振幅特征。因此，Kirchhoff叠前深度偏移是较适合超前地质预报的偏移方法[6]。

3 工程实例

3.1 某隧道斜井隐伏断层的预报

(1)工程地质概况

研究区位于某隧道斜井,斜井设计长355 m,最大埋深62 m,穿越缓坡山体,自然坡度10°～40°,局部陡峻,两端为较狭窄槽谷。斜井穿越元古界板溪群清水江组凝灰质板岩夹变余砂岩、变余凝灰岩。凝灰质板岩为中细粒结构,板状构造。进口受隐伏断层影响,岩层产状较为紊乱,总体为N75°～85°E/20°～26°N,发育两组优势节理N36°～55°E/90°,N35°～45°W/65°～90°N。

(2)典型探测结果与隐伏断层的预报

本次预报段里程为XDK0+169～069,通过对测试资料的分析和图像的解译,典型探测结果主要集中在XDK0+117～XDK0+093段。该段长度24 m,物理力学参数显示：纵波速度2 960～2 740 m/s,横波速度1 710～1 660 m/s；泊松比为0.29～0.33,动态杨氏模量为29～31 GPa。围岩波速值较其他段明显降低,泊松比值较高,物探图谱出现明显异常(表2、图4中-117～-93段),预报具有较强破碎带的特征,应特别注意施工安全,并加强支护。

表2 预报段XDK0+169～069围岩参数统计

(3)开挖验证

通过TSP超前预报,施工单位在隧道掘进里程XDK0+118处开始加强支护,采用短进尺掘进的方法,小心施工。当隧道掘进至里程XDK0+097处,隧道拱顶出现坍塌,断层泥夹碎石涌入隧道,由于安全措施采取及时,未造成人员伤亡及重大经济损失。

3.2 某隧道隐伏断层带的预报

(1)工程概况

研究区位于沪昆客运专线铁路某隧道,隧道最大埋深50 m。地面高程745～800 m,相对高差约50 m,自然坡度30°～40°,局部陡峻。隧道经过区为震旦系下统南沱组页岩,灰褐色,中厚层状,强—弱风化,节理较发育,属Ⅳ级软石。隧道发育格东断裂支断裂,为正断层,断层走向为N30～35°W,倾向SW,与线路交于DKX42+990附近,交角65°～70°。该断层上盘为寒武系中统高台组白云岩,岩层产状为S-N/40°W,下盘为震旦系下统南沱组页岩,岩层产状为N50°W/75°S。断层两盘岩层受断层影响较严重,节理、裂隙发育,岩体破碎。

(2)探测结果分析

本次预报段里程为DKX43+049～DKX42+970,预报长度79 m。按设计文件,隧道轴线与格东断裂支断裂交与DKX42+990附近。经过TSP预报,结果显示在DKX43+049～DKX42+998段,长度51 m内,纵横波速度下降明显,泊松比值较高(0.30～0.33),动态杨氏模量较低(31～35 GPa),物性参数有明显波动；提取的反射界面或绕射面异常集中(如图5),因此判断从里程DKX43+049始已处于断层破碎带内。

图5 某断层破碎带TSP反射界面提取

根据后期工作面地质编录,该段可见断层角砾岩,呈碎裂结构。角砾粒径3～10 cm,灰绿色,尖棱角状,少量成透镜状、椭圆状。泥钙质胶结,胶结物呈红褐色,岩体较破碎,围岩稳定性差,岩层产状不可辨识。根据地质编录并结合TSP探测结果确定该段确实已处于断层破碎带内。

(3)后期开挖情况

通过隧道后期开挖验证,TSP预报结果跟实际情况吻合较好,基本预报出了该隧道格东断裂支断裂带的具体位置。后期开挖工作面情况为：节理发育,岩体破碎,围岩稳定性变差,洞身及工作面出现严重的掉块、坍塌等围岩失稳的现象。

4 结论

(1)TSP技术对于前方截面远大于隧道工作面的一类地质体如断层破碎带的预报结果比较可靠,其对隐伏断层的预报是一种极为有效的手段,沪昆客运专线隧道的工程实例也证明了这一点。

(2)在TSP超前地质预报中,由于物探成果的多解性及解译水平的差异,应将TSP技术与地质调查法相结合,利用工作面地质素描、断层参数推算、地质体透射法[4]等方法开展综合超前地质预报,以提高预报精度。

(3)为了提高计算模型和图像解译的精度,进行试验前应尽量按照试验要求进行现场布置,并做好现场量测、观察及记录,为室内数据处理及模型的校正做好准备,在资料解译时应进行反复多次的分析,进行比较,选用比较合理的处理数据。

(4)TSP数据处理及图像解译受分析人员物探及地质知识、对仪器熟练程度、工作经验等的综合影响较大,因此在超前地质预报中要不断积累经验,各种方法相互参照，才能使预报结果更加接近事实,从而指导施工。

(5)进行超前地质预报能有效的避免隧道前方塌方、突泥、突水等地质灾害对施工带来的危害,因此建议施工单位应加强重视,合理安排施工工艺,并积极配合超前地质预报人员进行检测预报。

(6)以TSP计算模型为出发点，多次选择边界条件能更好的反应隧道实际地质情况，加强数学推导进行基础方面的研究，在理论上对TSP预报隐伏断层给予支持是今后研究的一个方向。

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