李俊杰，張紅綱，何建設(shè)，榮 鑫，李劍強(qiáng)，郭佳豪

TSP探測(cè)精度分析及其在過江隧洞超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

李俊杰，張紅綱，何建設(shè)，榮 鑫，李劍強(qiáng)，郭佳豪

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

針對(duì)TSP預(yù)報(bào)工作耗時(shí)長(zhǎng)、經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)等問題，以提高TSP探測(cè)精度與效率為目標(biāo)，分析了影響TSP數(shù)據(jù)采集與處理精度的關(guān)鍵因素，總結(jié)了提高TSP探測(cè)效率的經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合千島湖配水工程某過江隧洞段地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工程，在TSP探測(cè)分辨率下降的區(qū)域開展TSP跟蹤預(yù)報(bào)或地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)工作，對(duì)物探異常區(qū)輔以鉆探驗(yàn)證。結(jié)果表明：巖體完整性差地段的TSP縱波波速、密度及各力學(xué)模量值偏低，TSP對(duì)破碎帶探測(cè)較敏感，對(duì)基巖裂隙水識(shí)別能力相對(duì)較弱，縱、橫波波速均偏低的區(qū)域巖體富水的概率更大；巖體破碎含水區(qū)段雷達(dá)電磁異常特征表現(xiàn)為反射波振幅強(qiáng)，同相軸錯(cuò)斷，主頻偏低。綜合預(yù)報(bào)成果發(fā)揮了各種預(yù)報(bào)方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用，為隧洞支護(hù)及超前注漿方案的優(yōu)化提供了重要參考。

TSP；地質(zhì)雷達(dá)；超前鉆探；過江隧洞；綜合預(yù)報(bào)

常用隧洞超前預(yù)報(bào)技術(shù)主要有TSP[1](Tunnel Seismic Prediction)、TGP[2](Tunnel Geological Prediction)、TST[3](Tunnel Seismic Tomography)、TRT[4](Tunnel Reflection Tomography)等彈性波法，和GPR[5-6](Ground Penetrating Radar)、TEM[7-8](Transient Electromagnetic Method)等電磁法兩類。彈性波法有效探測(cè)距離多大于100 m，對(duì)斷層破碎帶反映較靈敏，抗干擾能力強(qiáng)，但工作效率偏低，它們?cè)诩ぐl(fā)方式、觀測(cè)系統(tǒng)布置或數(shù)據(jù)處理流程上存在一定差異，其中TSP數(shù)據(jù)處理與解釋技術(shù)相對(duì)更成熟，在基巖裂隙水[9-10]、斷層破碎帶[1,11]、大型溶洞探測(cè)[12-13]、巖爆預(yù)測(cè)[14]及巖體質(zhì)量等級(jí)分類[15]等方面均取得了一定的效果；電磁法探測(cè)效率較高，但易受到鄰近障礙物(如水泵、臺(tái)車、挖掘機(jī)、鏟車)或交流電纜線的干擾，其中TEM對(duì)含水體較敏感，其探測(cè)距離多小于80 m[16]，而GPR可準(zhǔn)確圈定完整性差的圍巖(如節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎)分布區(qū)域，且對(duì)空洞的探測(cè)效果好，是隧洞短距離預(yù)報(bào)(小于30 m)的主流方法。

千島湖配水工程通過輸水隧洞將優(yōu)質(zhì)湖水引至杭州閑林水庫(kù)，途中兼顧建德、桐廬及富陽等縣市的供水。輸水線路總長(zhǎng)約112 km，設(shè)計(jì)流量38.8 m3/s，為浙江省重點(diǎn)大型水利工程。分水江江底隧洞位于桐廬縣橫村鎮(zhèn)附近，前期地質(zhì)鉆探資料表明：過江隧洞段處于侏羅系亞構(gòu)造層南側(cè)邊緣附近，輸水隧洞要穿越分水江河床部位近200 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的上覆巖體其厚度薄、斷裂構(gòu)造發(fā)育、巖石破碎，左岸坡及坡腳受斷層影響，地下水補(bǔ)給豐富，隧洞存在開挖洞段大面積滲水、突泥及因滲水造成掌子面坍塌的安全隱患。開展隧洞超前預(yù)報(bào)工作，可提前了解掌子面前方不良地質(zhì)情況，為隧洞安全施工提供保障。

本文以千島湖配水工程沿線不同地質(zhì)條件TSP預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)為依托，討論了提高TSP預(yù)報(bào)精度與探測(cè)效率的方法，統(tǒng)計(jì)了不同質(zhì)量級(jí)別下熔結(jié)凝灰?guī)r的TSP常見速度區(qū)間。將研究成果用于分水江江底隧洞段的TSP數(shù)據(jù)采集與分析，剖析了江底斷層破碎帶對(duì)應(yīng)的TSP異常特征，并制定相應(yīng)的超前鉆探方案，研究成果可為隧洞工程TSP高效精細(xì)化探測(cè)提供參考。

1 TSP方法

TSP屬于縱、橫波三分量地震反射技術(shù)，在設(shè)計(jì)于洞壁的炮孔內(nèi)用少量炸藥(如100 g)激發(fā)地震波，地震波遭遇巖體波阻抗差異界面時(shí)(如斷層、節(jié)理密集帶、破碎帶)將發(fā)生反射，部分反射信息被高靈敏度檢波器接收，將采集數(shù)據(jù)用TSPwin軟件處理，便可分析掌子面前方地質(zhì)體的規(guī)模與性質(zhì)。TSP的4個(gè)接收器需要在隧洞兩側(cè)對(duì)稱布設(shè)，R2、R4接收器距S24號(hào)炮孔分別為15 m與20 m(圖1)，其鉆孔直徑大于50 mm，呈10°向上傾斜，孔深2 m；爆破時(shí)為便于灌水，減小聲波干擾，炮孔宜向下20°傾斜，孔深與孔間距均為1.5 m，28個(gè)鉆孔盡量保持在同一平面，約高出隧洞底部1.0~1.5 m。TSP直接成果為巖體視波速值及其變化特征，密度、泊松比及各種力學(xué)模量均由視波速換算而來?？v波波速、密度及楊氏模量值越低對(duì)應(yīng)巖體完整性越差，橫波速度低、泊松比高的巖體多含水。

圖1 TSP303觀測(cè)系統(tǒng)

2 影響TSP探測(cè)精度因素

高信噪比數(shù)據(jù)與適宜的計(jì)算參數(shù)為TSP預(yù)報(bào)質(zhì)量的基礎(chǔ)，依據(jù)千島湖配水工程預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，從數(shù)據(jù)采集與處理兩方面討論影響TSP探測(cè)精度的因素。

2.1 數(shù)據(jù)采集影響因素

a.觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)偏離標(biāo)準(zhǔn)。如炮孔呈水平狀或接收孔下傾，孔深過淺或過深，孔間距或孔高差異較大。水平或角度微上傾的炮孔無法灌水，炸藥在空氣中激發(fā)將產(chǎn)生強(qiáng)烈聲波干擾；接收孔下傾易導(dǎo)致孔內(nèi)積水積泥，降低錨固劑與檢波器的耦合效果；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)易導(dǎo)致掌子面附近反射波缺失。此外，由于套管長(zhǎng)度固定為2.13 m，接收孔深度超標(biāo)多采用錨固劑填堵，檢波器前方易存在較大間隙，降低耦合效果；炮孔與接收孔不在同一高度，TSP計(jì)算將產(chǎn)生近似誤差。

b.炮孔布設(shè)洞段含避車洞或空腔，易導(dǎo)致反射波缺失，若空腔超過一定規(guī)模，對(duì)炮孔一側(cè)檢波器TSPwin軟件將無法計(jì)算偏移距。

c.掌子面向后56 m范圍內(nèi)圍巖類別顯著變化或存在巖性分界(如Ⅱ類灰?guī)r過渡為Ⅳ類泥質(zhì)粉砂巖)，此時(shí)炮孔不應(yīng)只布設(shè)于單一巖性上。因掌子面前方巖體波速以炮孔布置洞段的初至波波速為參考，巖體質(zhì)量好壞對(duì)應(yīng)的縱波波速與參考值差異一般小于1 000 m/s，間接導(dǎo)致TSP成果各參數(shù)顯著偏高或偏低，不利于異常區(qū)巖體完整性的定量分析。

筆者統(tǒng)計(jì)了千島湖配水工程不同質(zhì)量級(jí)別巖性對(duì)應(yīng)的TSP指標(biāo)常見區(qū)間(表1)。近掌子面23 m范圍為鋼拱架支護(hù)的Ⅲ2或Ⅳ類泥質(zhì)粉砂巖，為造孔便利，鉆孔實(shí)際置于素噴混凝土的灰?guī)r段。S1號(hào)炮孔距掌子面約25 m，實(shí)際開挖證實(shí)200 m預(yù)報(bào)范圍內(nèi)90%為完整性或穩(wěn)定性差的Ⅳ–Ⅲ2類圍巖。如表1所示，TSP波速與各力學(xué)模量值顯著偏高，遠(yuǎn)超Ⅳ–Ⅲ2類泥質(zhì)粉砂巖，甚至優(yōu)于Ⅲ1–Ⅱ類灰?guī)r。

表1 千島湖配水工程不同圍巖類別相關(guān)巖性對(duì)應(yīng)的TSP指標(biāo)

d.隧洞巖體破碎區(qū)段易超挖，由于施工成本、進(jìn)度等原因，超挖部分有時(shí)未回填而直接立鋼拱架噴混凝土，裝藥時(shí)炸藥易掉入鋼拱架與巖體間的空隙，可采用細(xì)鋼筋插入乳化炸藥旁送入炮孔底部。此外，因孔壁粗糙，裝藥不宜用力過猛以致將炸藥捅散，有效爆破能量將顯著降低，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈聲波干擾。

e.初至波延時(shí)出錯(cuò)。常見于采用延時(shí)電雷管或斷路導(dǎo)線未固定于雷管前端，爆破過程產(chǎn)生的電火花可能先將斷路導(dǎo)線炸斷，造成延時(shí)出錯(cuò)。

f.合理分配炸藥量。炮孔布設(shè)位置巖體條件若不同，炸藥量應(yīng)相應(yīng)調(diào)整，以免信號(hào)過載。對(duì)硬質(zhì)巖50~100 g炸藥即可獲得較好的激發(fā)效果，軟巖中藥量宜適當(dāng)增加(如75~150 g)。因乳化炸藥一支固定為200 g，為兼顧爆破效率，可將24個(gè)炮孔分為3組，近掌子面組藥量設(shè)為2/3支，近接收器組為1/3支，其余炮孔半支。

2.2 數(shù)據(jù)處理影響因素

TSPwin處理參數(shù)多采用默認(rèn)值，其中帶通濾波、初至波拾取、反射波提取等需手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)，對(duì)預(yù)報(bào)成果有重要影響。

帶通濾波應(yīng)保證截取的頻帶有足夠的信噪比，完整性好的硬質(zhì)巖(如Ⅱ類熔結(jié)凝灰?guī)r)中TSP數(shù)據(jù)主頻偏高，頻帶較寬；相反，完整性差的軟質(zhì)沉積巖(如Ⅳ類泥巖、泥質(zhì)粉砂巖)高頻截點(diǎn)不宜超過2 000 Hz[18-19]，低頻截點(diǎn)一般在默認(rèn)值50 Hz及TSPwin軟件計(jì)算值中取極小值，若數(shù)據(jù)存在頻率小于333 Hz的低頻強(qiáng)聲波干擾，宜采用軟件計(jì)算值。

初至波拾取可獲得直達(dá)波波速，處理時(shí)截距應(yīng)盡量歸零且要保留足夠多的地震反射數(shù)據(jù)，每次爆破激發(fā)檢波器將接收至一個(gè)單道反射波形(建議保留道數(shù)大于實(shí)際激發(fā)總數(shù)的1/3)。此外，兩檢波器拾取的直達(dá)波波速應(yīng)相近，對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)嚴(yán)重超標(biāo)的TSP數(shù)據(jù)截距偏大且難以調(diào)零。

反射波提取要求輸入最大增益(振幅增益限制)及值(巖石的質(zhì)量因子)，此步驟旨在恢復(fù)地震波在巖體傳播過程中損失的部分高頻信號(hào)，以達(dá)到提高探測(cè)分辨率的目的，較高的振幅增益限制(如最大增益為20 dB)可在提升有效信號(hào)的同時(shí)避免背景噪聲的放大。

TSP數(shù)據(jù)處理參數(shù)的設(shè)置原則在于兼顧波形的平滑度與分辨率(反射層數(shù)量的識(shí)別)，圖2為最大增益與值組合值為(20，20)時(shí)的反射波提取結(jié)果，類似標(biāo)注1、2、3形態(tài)的反射層能清晰識(shí)別，對(duì)采集質(zhì)量差的數(shù)據(jù)TSPwin提供的默認(rèn)值多無法采用，經(jīng)驗(yàn)表明兩參數(shù)在15~25范圍取值預(yù)報(bào)效果較好。

圖2 最大增益與值均取20時(shí)的反射波提取結(jié)果

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

3 提高TSP探測(cè)效率方法

TSP在鐵路系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，但水利工程隧洞施工單位對(duì)TSP預(yù)報(bào)必要性認(rèn)識(shí)不足，實(shí)施過程常見觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)隨意、鉆孔規(guī)格不達(dá)標(biāo)、爆破不順利等問題。以千島湖引水工程預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，總結(jié)出提高TSP探測(cè)效率的建議。

a.排查TSP工作開展的不利因素(如隧洞大角度向上、向下或轉(zhuǎn)彎掘進(jìn)，觀測(cè)系統(tǒng)布置洞段存在大型避車洞等)。TSP預(yù)報(bào)方向?yàn)榕诳走B線的延伸，非直線水平開挖時(shí)應(yīng)根據(jù)洞軸線修正炮孔與接收孔的位置及深度；空腔易造成TSP反射信號(hào)缺失，炮孔應(yīng)避免布設(shè)于避車洞一側(cè)。若隧洞積水積泥嚴(yán)重，拱頂或邊墻大量涌滲水，可提前準(zhǔn)備防水油布，必要時(shí)搭建簡(jiǎn)易平臺(tái)擺放儀器。

b. TSP前期造孔規(guī)范化。鉆孔位置確定后用紅漆標(biāo)記，近掌子面炮孔與兩側(cè)接收孔邊注明孔徑、傾斜方向及角度，標(biāo)記位置若存在鋼拱架，孔位可向四周微調(diào)，跨度小于0.1 m，完工后檢查孔深是否達(dá)標(biāo)，有無堵孔現(xiàn)象，并沖洗兩側(cè)接收孔，對(duì)于巖體完整性差的隧洞宜盡快開展TSP工作，避免掌子面爆破過程將孔內(nèi)碎石振落二次堵孔。

c. TSP實(shí)施過程優(yōu)化。建議配置爆破員3名，TSP操作員及民工各2名，進(jìn)洞前檢查起爆裝置(起爆針、起爆器電池、起爆線)的有效性，洞內(nèi)TSP操作員分工協(xié)作，前者負(fù)責(zé)炮孔規(guī)格復(fù)測(cè)及與爆破人員銜接，后者進(jìn)行檢波器安置及儀器的連接，當(dāng)孔深嚴(yán)重超標(biāo)(炮孔深小于1.0 m或接收孔孔徑小于1.5 m)時(shí)應(yīng)補(bǔ)打或疏通。爆破過程由2人負(fù)責(zé)接線與孔內(nèi)灌水，起爆器置于TSP主機(jī)附近。此外，隧洞底板多含碎石墊層，爆破過程來回接線易使炮線表皮磨損，隧洞積水時(shí)炮線將處于短路狀態(tài)，儀器無法接收數(shù)據(jù)，故炮線盡量沿邊墻布設(shè)或掛于邊墻上。接線完畢后可先預(yù)觸發(fā)(將觸發(fā)線一端與觸發(fā)單元斷開)，檢驗(yàn)儀器有無異常。

4 工程實(shí)例

分水江江底隧洞位于桐廬縣橫村鎮(zhèn)附近，河床寬度約220 m，輸水線路與分水江近乎垂直，設(shè)計(jì)分水江1號(hào)主洞下游及分水江2號(hào)主洞上游2個(gè)掌子面向江底掘進(jìn)。前期地質(zhì)鉆探成果表明：過江段基巖以灰色晶屑或熔結(jié)凝灰?guī)r為主，分水江1號(hào)主洞下游巖體較完整，未見明顯斷裂構(gòu)造跡象，僅發(fā)育少量中陡傾角節(jié)理；分水江2號(hào)主洞上游段巖體完整性總體較差，節(jié)理發(fā)育，以中陡傾角為主，節(jié)理面一般鐵錳質(zhì)渲染或方解石脈充填。其中，樁號(hào)K55+930~K56+130區(qū)段(字母K代表公里標(biāo)記，K與+號(hào)之間的數(shù)字對(duì)應(yīng)掌子面公里數(shù)，+號(hào)之后的數(shù)字為米數(shù)，即K55+930表示掌子面與隧洞進(jìn)口相距55 930 m)為江底斷層影響帶，主要為Ⅳ–Ⅲ類圍巖，施工風(fēng)險(xiǎn)大，是全線的重點(diǎn)，故在樁號(hào)K56+129位置首先實(shí)施了TSP預(yù)報(bào)，每次預(yù)報(bào)TSP觀測(cè)系統(tǒng)均采用如圖1所示的方式布置。

4.1 TSP成果與解釋(K56+129~K55+999)

圖3為分水江2號(hào)主洞樁號(hào)K56+129~K55+999區(qū)段TSP探測(cè)結(jié)果，對(duì)比表1可知，圍巖以Ⅲ類為主。其中樁號(hào)K56+089~K56+045區(qū)段縱波波速、密度及各力學(xué)模量值多呈現(xiàn)極小值(圖3)，推測(cè)此區(qū)段巖體完整性差，局部較破碎–破碎，地下水不發(fā)育，圍巖以Ⅲ2類為主。

圖3 分水江2號(hào)主洞樁號(hào)K56+129~K55+999區(qū)段TSP探測(cè)結(jié)果

根據(jù)TSP探測(cè)結(jié)果，在分水江2號(hào)主洞樁號(hào)K56+100.2~K56+059.93區(qū)段開展超前鉆孔取心工作，鉆探結(jié)果表明：全孔巖心均為灰—青灰色英安玢巖，微風(fēng)化，巖心以破碎—較破碎為主，且存在蝕變現(xiàn)象。其中K56+093~K56+061區(qū)段巖體呈圖4所示的破碎狀，全孔未見地下水出露，8段壓水試驗(yàn)成果顯示巖石透水率為0.3~0.7 Lu，為微透水巖體。TSP異常區(qū)與超前鉆探成果吻合，準(zhǔn)確反映了巖體破碎區(qū)域的分布。

圖4 樁號(hào)K56+069~K56+065區(qū)段超前鉆孔巖心

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

4.2 TSP成果與解釋(K56+062~K55+950)

江底斷層影響帶首次TSP探測(cè)時(shí)K56+129~ K56+107區(qū)段為緩傾角下坡段，且自樁號(hào)K56+045起各參數(shù)指標(biāo)不再變化(圖3)，為提高預(yù)報(bào)精度，在掌子面K56+062位置開展TSP補(bǔ)充預(yù)報(bào)工作。圖5為分水江2號(hào)主洞樁號(hào)K56+062~K55+950區(qū)段TSP探測(cè)結(jié)果，對(duì)比表1可知，各物理力學(xué)指標(biāo)普遍較差，推測(cè)圍巖以Ⅲ2類為主，局部Ⅳ類。如圖5所示，樁號(hào)K56+024~K56+010區(qū)段橫波波速偏低，泊松比局部偏高，推測(cè)巖體含裂隙水。其中，K56+020.2~K56+017區(qū)段波速、密度及各力學(xué)模量值多呈現(xiàn)極小值，推測(cè)此區(qū)段巖體破碎，地下水發(fā)育，推測(cè)圍巖為Ⅳ類；K56+010~K56+006區(qū)段縱波波速相對(duì)偏低，橫波波速未見顯著偏低，推測(cè)巖體破碎，含裂隙水。依據(jù)TSP成果，在樁號(hào)K56+062~K56+024.4及K56+037~ K56+004.85區(qū)段實(shí)施超前鉆探工作，鉆孔編號(hào)分別為ZKF2-3、ZKF2-4。

超前鉆探成果表明K56+062~K56+046.4區(qū)段為英安玢巖(圖6a)，巖體破碎；K56+45.5~K56+004.9區(qū)段為熔結(jié)凝灰?guī)r(圖6b)，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育；K56+ 046.4~K56+045.5區(qū)段為巖性接觸帶，巖心擠壓呈碎塊狀。其中，ZKF2-3號(hào)超前鉆孔在樁號(hào)K56+025.5揭露地下水，初始流量50 L/min，至K56+024.4時(shí)穩(wěn)定流量為65 L/min。ZKF2-4號(hào)超前孔在K56+020.3~K56+ 018.8區(qū)段出水，水量約53 L/min；鉆進(jìn)至K56+012.9時(shí)孔內(nèi)出水量加大，水量約65 L/min，隨后進(jìn)行了水泥灌漿處理，后恢復(fù)鉆進(jìn)至K56+008.3~K56+006.9區(qū)段孔內(nèi)出水，水量約15 L/min。

前文分析表明，TSP異常解釋與超前鉆探成果基本吻合，K56+062~K56+040區(qū)段橫波波速偏低，泊松比偏高，但縱波波速未見顯著偏低且變化相對(duì)均勻(圖5)，超前鉆探成果表明此區(qū)段巖體不含裂隙水，TSP對(duì)基巖裂隙水探測(cè)精度相對(duì)較低，易出現(xiàn)誤報(bào)。

圖5 分水江2號(hào)主洞樁號(hào)K56+062~K55+950區(qū)段TSP探測(cè)結(jié)果

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

圖6 樁號(hào)K56+062~K56+004.9區(qū)段超前鉆探部分巖心

分水江2號(hào)主洞掘進(jìn)至樁號(hào)K56+004巖體完整性變好，圍巖介于Ⅲ1–Ⅱ類之間，掌子面附近局部?jī)H有少量滴滲水，同時(shí)分水江1號(hào)主洞下游掘進(jìn)至樁號(hào)K55+957，K56+062~K55+950區(qū)段TSP探測(cè)成果顯示自樁號(hào)K55+996起反射層面顯著減少(圖5)，分辨率降低，為此在掌子面K56+004位置開展地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)工作。

4.3 雷達(dá)探測(cè)成果與解釋(K56+004~K55+974)

地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)多采用100 MHz屏蔽天線，考慮隧洞不良作業(yè)環(huán)境影響(如粉塵、洞壁滲水、底板積水積泥)，為減小儀器損耗，雷達(dá)系統(tǒng)各部件間的連接口應(yīng)盡量少。千島湖配水工程選用僅含天線–電纜、電纜–主機(jī)兩個(gè)連接口的SIR-4000雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)。此外，水工隧洞洞徑偏小且掌子面平整度較差，為保證一定的數(shù)據(jù)采集量，同時(shí)提高信噪比，采用點(diǎn)測(cè)模式，道間距控制在0.1~0.2 m，采集道數(shù)大于60。

圖7為分水江2號(hào)主洞樁號(hào)K56+004~K55+974區(qū)段地質(zhì)雷達(dá)剖面及典型單道時(shí)間–頻率譜。如圖7a所示，雷達(dá)異常區(qū)域集中于樁號(hào)K55+974~ K55+ 986區(qū)段，其反射波振幅強(qiáng)、波形雜亂、同相軸局部錯(cuò)斷，圖7a橢圓框標(biāo)注異常區(qū)主頻為50~160 MHz，局部偏低，推測(cè)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育或較破碎，多含裂隙水。此外，K55+994~K55+987區(qū)段掌子面左側(cè)反射信號(hào)稍強(qiáng)，頻率以中高頻為主，推測(cè)巖體完整性較差。

圖7 分水江2號(hào)主洞地質(zhì)雷達(dá)剖面及典型單道時(shí)間–頻率譜

依據(jù)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果，超前鉆探置于樁號(hào)K55+ 957.3~K55+994.7區(qū)段，鉆探成果表明：巖心為灰–灰黑色熔結(jié)凝灰?guī)r，微風(fēng)化–新鮮為主，K55+957.3~ 972.5區(qū)段巖體完整，地下水不發(fā)育；K55+972.5~ 985.6區(qū)段巖體完整性差—破碎，地下水較發(fā)育，其中K55+978.7~980.2處揭露一寬約1.5 m的節(jié)理密集帶(圖8)，張開為主，傾角大于45°；K55+ 985.6~994.7區(qū)段巖體較破碎，地下水不發(fā)育。雷達(dá)預(yù)報(bào)成果準(zhǔn)確反映了巖體含水破碎區(qū)域的分布。

分水江過江隧洞段預(yù)報(bào)成果表明以TSP預(yù)報(bào)為先導(dǎo)，在TSP探測(cè)分辨率下降的樁號(hào)附近開展TSP二次預(yù)報(bào)工作并輔以超前鉆探驗(yàn)證的綜合預(yù)報(bào)體系可有效揭露出隧洞前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)及分布規(guī)律，當(dāng)隧洞剩余長(zhǎng)度較小時(shí)，亦可采用基于頻譜分析技術(shù)的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法來圈定掌子面前方含水破碎巖體的范圍。

圖8 樁號(hào)K55+980.3~K55+975.4區(qū)段超前鉆探部分巖心

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

5 結(jié)論

a.為獲得高質(zhì)量的地震反射數(shù)據(jù)，TSP觀測(cè)系統(tǒng)應(yīng)規(guī)范布置，炮孔布設(shè)區(qū)段不宜有大型空腔，注意斷路導(dǎo)線與雷管的連接、固定，提高裝藥水平，保證炮孔內(nèi)灌水效果。

b. TSP反射波提取宜多次調(diào)試獲得相對(duì)優(yōu)化的計(jì)算參數(shù)，最大增益與值建議在15~25區(qū)間取值。

c. TSP對(duì)破碎帶的探測(cè)靈敏度較基巖裂隙水高，巖體含水破碎區(qū)域?qū)?yīng)TSP成果表現(xiàn)為波速、密度及力學(xué)模量值偏低，在雷達(dá)電磁異常中表現(xiàn)為反射波振幅強(qiáng)，同相軸局部錯(cuò)斷，主頻偏低。

d.綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)可有效探測(cè)出掌子面前方不良地質(zhì)體的分布與性質(zhì)，提高了預(yù)報(bào)精度，彌補(bǔ)了單一預(yù)報(bào)方法的不足，為隧洞超前支護(hù)方案的優(yōu)化提供了重要參考。

[1] ALIMORADI A， MORADZADEH A，NADERI R，et al. Prediction of geological hazardous zones in front of a tunnel face using TSP-203 and artificial neural networks[J]. Tunneling and Underground Space Technology，2008，23(6)：711–717.

[2] 陳中學(xué)，胡百萬，劉彥波. TGP 超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)在巖溶隧道中的實(shí)踐應(yīng)用[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012，8(增刊1)：1621–1625. CHEN Zhongxue，HU Baiwan，LIU Yanbo. Application of TGP advance prediction system to tunnel in karst areas[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2012，8(S1)：1621–1625.

[3] ZHAO Yonggui，JIANG Hui，ZHAO Xiaopeng. Tunnel seismic tomography method for geological prediction and its application[J]. Applied Geophysics，2006，3(2)：69–74.

[4] 白明洲，田崗，王成亮，等. 基于TRT系統(tǒng)的地質(zhì)構(gòu)造三維成像技術(shù)及其改進(jìn)方法[J]. 地球物理學(xué)報(bào)，2016，59(7)：2684–2693. BAI Mingzhou，TIAN Gang，WANG Chengliang，et al. The three-dimensional imaging technology and its improvement for geological structure based on the TRT system[J]. Chinese Journal of Geophysics，2016，59(7)：2684–2693.

[5] 劉新榮，劉永權(quán)，楊忠平，等. 基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37(增刊2)：51–56. LIU Xinrong，LIU Yongquan，YANG Zhongping，et al. Synthetic advanced geological prediction technology for tunnels based on GPR[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2015，37(S2)：51–56.

[6] 王振宇，程圍峰，劉越，等. 基于掌子面編錄和地質(zhì)雷達(dá)的綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(增刊2)：3549–3557.WANG Zhenyu，CHENG Weifeng，LIU Yue，et al. Synthetic advanced forecast technique based on geological logging for tunnel face and ground penetrating radar[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(S2)：3549–3557.

[7] 李術(shù)才，孫懷鳳，李貅，等. 隧道瞬變電磁超前預(yù)報(bào)平行磁場(chǎng)響應(yīng)探測(cè)方法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(7)：1309–1318. LI Shucai，SUN Huaifeng，LI Xiu，et al. Advanced geology prediction with parallel transient electromagnetic detection in tunneling[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33(7)：1309–1318.

[8] 陳玲霞，張利民，王志榮，等. 瞬變電磁法在巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用：以七家營(yíng)隧道為例[J]. 山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，33(3)：20–24. CHEN Lingxia，ZHANG Limin，WANG Zhirong，et al. The application of transient electromagnetic method in karst tunnel geological prediction[J]. Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science)，2014，33(3)：20–24.

[9] 袁永才，李術(shù)才，李利平，等. 尚家灣強(qiáng)巖溶隧道突水突泥伴生災(zāi)害源綜合分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2017，48(1)：203–211. YUAN Yongcai，LI Shucai，LI Liping，et al. Comprehensive analysis on disaster associated by water inrush and mud gushing in Shangjiawan karst tunnel[J]. Journal of Central South University(Science and Technology)，2017，48(1)：203–211.

[10] 劉人太，李術(shù)才，張慶松，等. 巖溶裂隙水探查方法優(yōu)化與工程治理研究[J]. 巖土力學(xué)，2011，32(4)：1095–1100. LIU Rentai，LI Shucai，ZHANG Qingsong，et al. Research on optimization of karst fissure water exploration methods and engineering counter measures[J]. Rock and Soil Mechanics，2011，32(4)：1095–1100.

[11] 賈金曉，李天斌，孟陸波，等. 千枚巖隧道破碎帶TSP超前預(yù)報(bào)解譯標(biāo)志[J]. 成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，43(6)：751–756.JIA Jinxiao，LI Tianbin，MENG Lubo，et al. Study of seismic wave reflection characteristics of unfavorable geological bodies in phyllite tunnel[J]. Journal of ChengDu University of Technology(Science and Technology Edition)，2016，43(6)：751–756.

[12] 袁永才，李術(shù)才，李利平，等. 巖溶隧道施工過程中大型溶洞的綜合預(yù)報(bào)及治理方案研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52(2)：192–197. YUAN Yongcai，LI Shucai，LI Liping，et al. Comprehensive geological prediction and a relevant treatment scheme for a large karst cave in tunnel construction[J]. Modern Tunneling Technology，2015，52(2)：192–197.

[13] LI Shucai，ZHOU Zongqing，LI Liping，et al. Comprehensive geophysical prediction and treatment measures of karst caves in deep buried tunnel[J]. Journal of Applied Geophysics，2015，116(5)：247–257.

[14] 邱道宏，李術(shù)才，張樂文，等. 基于隧洞超前地質(zhì)探測(cè)和地應(yīng)力場(chǎng)反演的巖爆預(yù)測(cè)研究[J]. 巖土力學(xué)，2015，36(7)：2034–2040. QIU Daohong，LI Shucai，ZHANG Lewen，et al. Rockburst prediction based on tunnel geological exploration and ground stress field inverse analysis[J]. Rock and Soil Mechanics，2015，36(7)：2034–2040.

[15] 周宗青，李術(shù)才，李利平，等. 巖體質(zhì)量等級(jí)分類預(yù)測(cè)方法及其工程應(yīng)用[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2017，48(4)：1049–1056. ZHOU Zongqing，LI Shucai，LI Liping，et al. Classification method of rock mass quality and its engineering application[J]. Journal of Central South University(Science and Technology)，2017，48(4)：1049–1056.

[16] 李術(shù)才，劉斌，孫懷鳳，等. 隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(6)：1090–1113. LI Shucai，LIU Bin，SUN Huaifeng，et al. State of art and trends of advanced geological prediction in tunnel construction[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2014，33(6)：1090–1113.

[17] IRVING J，KNIGHT R. Numerical modeling of ground-penetrating radar in 2-D using MATLAB[J]. Computers and Geosciences，2006，32(9)：1247–1258.

[18] 王樹棟. TSP系統(tǒng)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的問題及其改善處理[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013，50(3)：129–135. WANG Shudong. Problems with and improvements to the TSP system for advance geological forecasting in tunnels[J]. Modern Tunneling Technology，2013，50(3)：129–135.

[19] 劉陽飛，李天斌，孟陸波，等. 提高TSP 預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率及資料快速分析方法研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2016，43(2)：159–166. LIU Yangfei，LI Tianbin，MENG Lubo，et al. Methods to improve TSP forecast accuracy and to data rapid analysis[J]. Hydrogeology and Engineering Geology，2016，43(2)：159–166.

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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41641040)；浙江省水利廳科技基金項(xiàng)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，江西上饒人，工程師，碩士，從事地球物理電磁法正演及工程物探方法研究. E-mail：lijunjiecsu@163.com

李俊杰，張紅綱，何建設(shè)，等. TSP探測(cè)精度分析及其在過江隧洞超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，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.

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)