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TSP203超前探测技术工作原理浅析 中铁十九局二公司玉蒙项目部 李颜山 摘要：通过对TSP203超前探测技术的探测原理进行分析从而得到本方法的优缺点及适用范围。 关键词： TSP超前地质探测 地震波 引言 柿花树隧道全长9952米，隧道施工过程中揭露地层与设计严重不符，地质条件差，施工环境恶劣。 斜井井身纵坡为11.1%，斜井井身全长为681.61米，进口方向侯家箐断层及侯家箐向斜，涌水量大，断层密布，一旦发生大规模涌水，出口方向施工人员逃生困难，严重威胁施工作业人员安全。为解决复杂地质条件对施工造成的影响，我单位在施工中引进了TSP203超前探测技术，与地质雷达、红外探水及超前水平钻孔等多种超前探测技术，对隧道进行超前探测，以保证施工安全。 1 TSP法原理简介 人工激发地震波，所产生的地震波在隧道围岩中传播，当围岩强度发生变化时，例如遇岩溶、断层或岩层的分界面时，地震波将会发生反射，反射的地震波由仪器所接收。当反射界面与掌子面平行（垂直测线）时，所接收的反射波时距曲线近似为直线并且与直接由震源发出的信号，即直达波在地震波形记录上呈负视速度的关系（如图1所示），其反射波延长线与直达波延长线的交点为反射界面的位置；当反射界面倾斜，即与掌子面有一定夹角时，反射波时距曲线为双曲线；若反射界面由倾斜逐渐变为直立时，时距曲线亦由双曲线逐渐变为直线。 图1 地震负视速度法波形记录 当地震记录中不存在明显的反射波时，则认为掌子面前方的围岩是均质的，存在不良地质情况的可能性较小。 对TSP203仪器采集的数据利用TSPwin软件进行处理，可以获得隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的时间剖面、深度偏移剖面、岩石的反射层位、物理力学参数、各反射层能量大小等成果资料，同时还可得到反射层的二维或三维空间分布，并根据反射波的组合、动力学特征、岩石物理力学参数等资料来预报隧道掌子面前方的地质情况，如溶洞、软弱岩层、断层及富水带等不良地质体。 2 地震波的产生 Tsp203超前探测前，自隧道掌子面开始用风动凿岩机在隧道一侧边墙上按1.5m间距向后打设24个直径38mm，深1.5m，斜向下10～20°的孔，作为探测孔。自最后一个探测孔向后20m在隧道两侧边墙上各打设一个直径42～45mm，深2.0m，斜向上5～10°的孔，作为信号接收孔。探测孔与接收孔应处于同一平面上。 探测时，探测孔中放适量乳化炸药插入电雷管后，注满水，用抛泥填塞炮眼，自掌子面向后依次起爆，从而产生地震波。进行信号采集时应避免临近范围内无爆破及大型机械行走，以避免信号收集错误。 图2 Tsp203超前探测孔布置图 3 地震波的传播 地震波有压缩波（Primary）及剪切波（Second）两种，其本质区别在于质点运动方向与波的传播方向间的相对关系。 P波 s波 图3 地震波传播示意图 如图所示，压缩波质点运动方向与波传播方向相同，而剪切波质点运动方向与波传播方向垂直。地震波在不同围岩中的传播速度因围岩类型不同而不同（见表1），随着传播距离的增加，能量不断被吸收，其振幅也随之降低。地震波传播过程中遇到围岩界面会发生界面反射与折射，其能量发生重新分配，部分能量被反射，同时大部分能量透过界面继续传播。 被反射能量与总能量的比值定义为反射系数，反射系数RC＝。 反射信号振幅（AR）与直达波振幅（AD）之比表达式为RC*X1/（2 * X2 + X1 ）。 表1 地震参数表 类 型 Vp（m/s) ρ（g/cm3) 空气 ～350 0.0013 风化带 250-1000 1.0-2.5 水 1450-1600 1.0 土壤，粘土，泥岩 250-3000 1.4-2.6 断层带 1000-3000 1.5-2.7 冰碛 1500-2700 1.8-2.0 砂岩，页岩 2100-5500 2.1-2.8 石膏/盐 2000-5500 2.1-2.9 灰岩，白云岩 3400-7000 2.5-2.9 片岩/板岩 3500-5500 2.6-3.0 新鲜片麻岩/花岗岩 5000-7500 2.5-3.0 闪岩 5500-7500 2.8-3.1 蛇纹岩 3600-5000 2.4-3.1 玄武岩/安山岩 5000-7000 2.7-3.2 辉长石 6500-7000 2.7-3.3 橄榄石/纯橄榄石 7900-8100 2.8-3.4 4 地震波信号的收集与分析 4.1资料收集整理 将三分量地震波接收单元插入耦合好的长 2 m / ? 35 mm 的套管中，将套管放