隧道施工地质超前探测中的地震波法主要有TSP203超前探测法、地震波负视速度法、掌子面单点反射法等。

一、TSP203超前探测法

TSP(tunnel seismic prediction)隧道地震波预报勘探是由瑞士安伯格开发生产研制的一套超前地质预报系统设备,是当前国内外最先进的隧道隧洞长期超前地质预报设备,也是超前地质预报的重要技术手段之一。

(一)TSP203超前探测原理

TSP203超前探测采用弹性波反射原理,通过对检波器接收的弹性波反射信号进行处理分析,推断掌子面前方断层破碎带等不良地质体的位置、规模、岩石力学参数。

TSP203法超前地质预测预报原理及数据采集工作示意图分别如图6-4,图6-5所示。

图6-4TSP203隧道超前探测原理图

图6-5TSP203数据采集工作示意图

(二)TSP203的应用

1. 隧道围岩级别与TSP超前探测频谱关系

在隧道进行弹性波超前探测,有多次反射波等相互干涉,再加之岩溶隧道的特珠地质环境以及波阻抗差异的影响,因此有必要对采集数据质量影响因素进行研究。

在数据进行处理中,发现在框取反射波主频时,主频范围与围岩级别及探测效果存在一定的联系,因此对宜万线齐岳山隧道、马鹿箐隧道等复杂岩溶隧道的不同围岩级别进行TSP203超前探测数据采集、处理后成果与施工资料进行综合对比分析及TSP203超前探测的反射波频谱范围与围岩级别对比分析的研究,如图6-6和表6-3所示,图中黑线表示超前探测基本正确或正确的反射波主频范围,黄线表示超前探测部分不正确或探测不准的反射波主频范围。从图中看出,反射波主频范围:二级围岩≤4 000Hz,三级围岩≤3 000Hz,四至五级围岩≤2 000Hz。此外反射波主频应为单峰明显[图6-7(a)],否则为干扰较大[图6-7(b)]。

图6-6TSP203隧道超前探测反射波主频与围岩级别分析图

图6-7TSP203超前探测频谱分析图

(a)正常;(b)干扰

2. 岩溶隧道不良地质体的TSP203超前探测异常特点

根据弹性波理论有:

Vp/Vs(6-2)

Vs(6-3)

式中:Vp、Vs、G、ρ、ν分别为岩体纵波速度、横波速度、动刚度系数、介质密度、动泊松比。从式(6-2)可知,Vp/Vs是介质(岩体)动泊松比的函数。

表6-3围岩级别与TSP203反射波主频、预报结论验证关系表

注:()内数字为该频段的次数。

对于基岩岩体(较完整),通常有0.33>ν>0.23,2.0>Vp/Vs>1.7;

对于松散体(冲洪积层、溶洞充填物等),通常有0.5>ν>0.4,10.0>Vp/Vs>2.5。

因此对于前方有溶腔、破碎岩层等不良地质体,Vp/Vs会增加。

(1)隧道溶腔TSP203超前探测异常特点。隧道溶腔(含水)TSP203超前探测异常特点:在TSP203超前探测二维成果图中表现为Vp/Vs或泊松比(δ)的明显增加,有时是台阶跃升,在其附近还有较直立的正反射。

隧道溶腔(不含水)TSP203超前探测异常特点:在TSP203超前探测二维成果图中表现为Vp/Vs或泊松比(δ)有变化(没有含水时明显),纵波波速Vp、横波波速Vs会出现下降,同时在其附近还有较直立的正反射。

(2)隧道断层TSP203超前探测异常特点。在TSP203超前探测二维成果图中表现为Vp/Vs或泊松比(δ)有增加,纵波波速Vp、横波波速Vs会出现下降,同时在其附近还有较直立的正反射。在TSP203深度偏移剖面图上有明显的反射异常。

(3)隧道裂隙水TSP203超前探测异常特点。在TSP203超前探测二维成果图中表现为Vp/Vs或泊松比(δ)有增加,横波波速Vs会出现下降,但是规律性不强,通常在其附近没有直立的正反射。

当隧道中的岩溶管道直径不大时,TSP203超前探测基本上无异常反应,如齐岳山隧道DK362+611裂隙涌水、马鹿箐隧道DK252+401岩溶管道涌水、云雾山隧道ⅡDK244+903岩溶管道涌水,它们的截面均小于5m2(TSP203反射波按1/4波长估算,最小能发现的不良地质体应大于2m以上,实际上不良地质体大于5m,反应才明显),TSP203超前探测均无异常反应。