常用工程勘探法：地震波法

隧道施工地質(zhì)超前探測(cè)中的地震波法主要有TSP203超前探測(cè)法、地震波負(fù)視速度法、掌子面單點(diǎn)反射法等。

一、TSP203超前探測(cè)法

TSP(tunnel seismic prediction)隧道地震波預(yù)報(bào)勘探是由瑞士安伯格開(kāi)發(fā)生產(chǎn)研制的一套超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)備，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的隧道隧洞長(zhǎng)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)備，也是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要技術(shù)手段之一。

(一)TSP203超前探測(cè)原理

TSP203超前探測(cè)采用彈性波反射原理，通過(guò)對(duì)檢波器接收的彈性波反射信號(hào)進(jìn)行處理分析，推斷掌子面前方斷層破碎帶等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、巖石力學(xué)參數(shù)。

TSP203法超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)原理及數(shù)據(jù)采集工作示意圖分別如圖6-4，圖6-5所示。

圖6-4TSP203隧道超前探測(cè)原理圖

圖6-5TSP203數(shù)據(jù)采集工作示意圖

(二)TSP203的應(yīng)用

1. 隧道圍巖級(jí)別與TSP超前探測(cè)頻譜關(guān)系

在隧道進(jìn)行彈性波超前探測(cè)，有多次反射波等相互干涉，再加之巖溶隧道的特珠地質(zhì)環(huán)境以及波阻抗差異的影響，因此有必要對(duì)采集數(shù)據(jù)質(zhì)量影響因素進(jìn)行研究。

在數(shù)據(jù)進(jìn)行處理中，發(fā)現(xiàn)在框取反射波主頻時(shí)，主頻范圍與圍巖級(jí)別及探測(cè)效果存在一定的聯(lián)系，因此對(duì)宜萬(wàn)線(xiàn)齊岳山隧道、馬鹿箐隧道等復(fù)雜巖溶隧道的不同圍巖級(jí)別進(jìn)行TSP203超前探測(cè)數(shù)據(jù)采集、處理后成果與施工資料進(jìn)行綜合對(duì)比分析及TSP203超前探測(cè)的反射波頻譜范圍與圍巖級(jí)別對(duì)比分析的研究，如圖6-6和表6-3所示，圖中黑線(xiàn)表示超前探測(cè)基本正確或正確的反射波主頻范圍，黃線(xiàn)表示超前探測(cè)部分不正確或探測(cè)不準(zhǔn)的反射波主頻范圍。從圖中看出，反射波主頻范圍：二級(jí)圍巖≤4 000Hz，三級(jí)圍巖≤3 000Hz，四至五級(jí)圍巖≤2 000Hz。此外反射波主頻應(yīng)為單峰明顯[圖6-7(a)]，否則為干擾較大[圖6-7(b)]。

圖6-6TSP203隧道超前探測(cè)反射波主頻與圍巖級(jí)別分析圖

圖6-7TSP203超前探測(cè)頻譜分析圖

(a)正常;(b)干擾

2. 巖溶隧道不良地質(zhì)體的TSP203超前探測(cè)異常特點(diǎn)

根據(jù)彈性波理論有：

V_p/V_s＝(6-2)

V_s＝(6-3)

式中：V_p、V_s、G、ρ、ν分別為巖體縱波速度、橫波速度、動(dòng)剛度系數(shù)、介質(zhì)密度、動(dòng)泊松比。從式(6-2)可知，V_p/V_s是介質(zhì)(巖體)動(dòng)泊松比的函數(shù)。

表6-3圍巖級(jí)別與TSP203反射波主頻、預(yù)報(bào)結(jié)論驗(yàn)證關(guān)系表

注：()內(nèi)數(shù)字為該頻段的次數(shù)。

對(duì)于基巖巖體(較完整)，通常有0.33>ν>0.23，2.0>V_p/V_s>1.7;

對(duì)于松散體(沖洪積層、溶洞充填物等)，通常有0.5>ν>0.4，10.0>V_p/V_s>2.5。

因此對(duì)于前方有溶腔、破碎巖層等不良地質(zhì)體，V_p/V_s會(huì)增加。

(1)隧道溶腔TSP203超前探測(cè)異常特點(diǎn)。隧道溶腔(含水)TSP203超前探測(cè)異常特點(diǎn)：在TSP203超前探測(cè)二維成果圖中表現(xiàn)為V_p/V_s或泊松比(δ)的明顯增加，有時(shí)是臺(tái)階躍升，在其附近還有較直立的正反射。

隧道溶腔(不含水)TSP203超前探測(cè)異常特點(diǎn)：在TSP203超前探測(cè)二維成果圖中表現(xiàn)為V_p/V_s或泊松比(δ)有變化(沒(méi)有含水時(shí)明顯)，縱波波速V_p、橫波波速V_s會(huì)出現(xiàn)下降，同時(shí)在其附近還有較直立的正反射。

(2)隧道斷層TSP203超前探測(cè)異常特點(diǎn)。在TSP203超前探測(cè)二維成果圖中表現(xiàn)為V_p/V_s或泊松比(δ)有增加，縱波波速V_p、橫波波速V_s會(huì)出現(xiàn)下降，同時(shí)在其附近還有較直立的正反射。在TSP203深度偏移剖面圖上有明顯的反射異常。

(3)隧道裂隙水TSP203超前探測(cè)異常特點(diǎn)。在TSP203超前探測(cè)二維成果圖中表現(xiàn)為V_p/V_s或泊松比(δ)有增加，橫波波速V_s會(huì)出現(xiàn)下降，但是規(guī)律性不強(qiáng)，通常在其附近沒(méi)有直立的正反射。

當(dāng)隧道中的巖溶管道直徑不大時(shí)，TSP203超前探測(cè)基本上無(wú)異常反應(yīng)，如齊岳山隧道DK362+611裂隙涌水、馬鹿箐隧道DK252+401巖溶管道涌水、云霧山隧道ⅡDK244+903巖溶管道涌水，它們的截面均小于5m²(TSP203反射波按1/4波長(zhǎng)估算，最小能發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)體應(yīng)大于2m以上，實(shí)際上不良地質(zhì)體大于5m，反應(yīng)才明顯)，TSP203超前探測(cè)均無(wú)異常反應(yīng)。