张红纲，李俊杰，朱红雷，何建设，赵国军

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州310002)

0 引 言

隧洞短距离预报多采用地质雷达法[1- 4]，其精度与探测效率最高，对溶洞的探测效果较好，有效探测距离在不同性质与类别的岩体中差异较大，完整性较好的Ⅰ、Ⅱ类围岩多达30 m，含水量大的破碎岩体因电磁波在水中的高衰减特性，探测距离有时不足15 m。地质雷达探测时天线需贴牢掌子面，掌子面平整度较差时，电磁波在空气与掌子面间多次振荡，传入岩体中的有效能量大大减小，雷达剖面易出现由浅至深的低频振荡信号。此外，为实现3D立体成像，雷达测线往往呈“井”字形或网格形布设，在类似“瀑布”的掌子面探测时，雷达天线与仪器接口处极易进水。

隧道地震波预报(TSP)作为另一种常用的隧洞长距离(100～200 m)预报技术，其数据采集与处理均较复杂，但此方法抗干扰能力强，能提供多种物理力学参数评估岩体质量，在断层[5- 6]、基岩裂隙水[7]、溶洞探测[8-9]、岩爆预测[10]、岩体质量等级分类[11]等方面均有成功案例。本文分析了影响TSP探测精度的因素，总结了提高TSP探测效率的经验，并将其用于隧洞短距离预报，在钢衬支护的边墙上布置炮孔与检波器接收孔，炮孔中注满水压制声波，取得了良好的探测效果。

1 工程概况

杭州市第二水源千岛湖配水工程从千岛湖淳安县境内取水，通过输水隧洞将水引至杭州市余杭区闲林水库，途中向建德、桐庐及富阳等县市供水。千岛湖～闲林水库输水线路总长约112 km，设计流量38.8 m3/s，为浙江省重点大(1)型水利工程。贝山寺支洞位于富阳市新登镇，总长约956 m，隧洞进口覆盖层及强风化带岩体较厚，支洞前1/3段围岩多为Ⅳ类，局部为Ⅴ类，工程地质条件较差。支洞在桩号0+700揭露含水破碎带，掌子面上钻孔不断有股状水涌出，掘进至0+698时，掌子面及左右边墙仍涌水不止。为及时了解掌子面前方地质情况，为隧洞爆破及支护方案提供依据，确保施工安全，在桩号0+698开展超前预报工作。

炮孔布置洞段岩性为奥陶系上统文昌组泥质粉砂岩，节理较发育，以中～陡倾角为主，多方解石充填或铁锰质渲染，节理面多与层面相交，洞顶局部滴水～线状流水，掌子面附近“瀑布”状涌水(图1)。

图1 掌子面涌水

2 TSP探测

2.1 探测设计

TSP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用小量炸药激发，当地震波遇到岩石波阻抗差异界面时(如断层、破碎带和岩性变化等)，一部分地震信号反射回来被高灵敏度的地震检波器接收，一部分透射进入前方介质，数据通过TSPwin软件处理，便可了解隧道工作面前方地质体的性质、位置及规模。TSP探测设计炮孔24个，检波器2个。炮孔位于隧道右边墙，φ32～38，深1.5 m，垂直隧道轴向，下倾10°～20°，离隧底高1.3 m，第1个炮点距掌子面1.5 m，炮间距1.5 m。接收孔隧道左右边墙各1个，φ42～45，深2 m，垂直隧道轴向，上倾5°～10°，离隧底高1.3 m，距离掌子面>56 m。观测系统见图2，设置采样频率24 kHz，记录长度500 ms，炸药量每孔100 g。

图2 TSP观测系统(单位：m)

2.2 数据能谱及滤波效果

图3为贝山寺隧洞检波器接收的地震波原始频谱。从图3可知，1号检波器频谱集中在25～1 000 Hz，2号检波器在25～1 500 Hz，主频偏低，表明炮孔布设区段隧洞岩体较破碎，对地震波高频成分吸收明显。

图3 检波器原始频谱

图4为地震波X、Y、Z分量的能量谱，色标的深浅对应地震波能量的大小，低频滤波曲线左侧随时间增大地震波能量逐渐减小，高频信号衰减较低频快，为有效信号；曲线右侧随时间增大，地震波能量局部反而增大，为声波干扰；与炮孔同侧2号检波器声波干扰较对面1号检波器小。图中指数曲线为一滤波函数，曲线两端可手动调节高截频率，其变化范围为333～5 400 Hz，曲线右侧的地震波能量将被滤除。本文中最小、最大高截频率分别设为333 Hz及5 400 Hz，可最大程度去除声波干扰。

降低声波干扰是TSP数据采集的关键，此次探测因炮孔内灌水效果好，爆破声为水中击发的闷声，数据质量高，经时变高截处理后，滤波曲线右侧声波干扰已经被完全清除。时变高截处理后TSP数据能谱见图5。

若炮孔内未灌水或灌水质量差，爆破产生的强声波干扰因部分频段位于有效波频带内，经时变高截处理后仍有残留。此外，时变高截最小截频为333 Hz，故低频声波干扰较高频难去除。图6为不同围岩类别下强声波干扰数据能谱。从图6可知，Ⅳ类围岩干扰频率集中于150～1 100 Hz；Ⅱ类围岩干扰波频率较高，主频带约1 700～4 000 Hz。图7为经时变高截处理后数据能谱。从图7可知，滤波曲线附近强声波干扰无法完全清除，残留声波能谱呈水

图6 不同围岩类别强声波干扰数据能谱

图7 不同围岩类别经时变高截处理后能谱

平拉丝状，且声波主频带越低，拉丝现象越明显。

2.3 数据处理与解释

贝山寺隧洞TSP探测成果见图8。从图8可知，掌子面前方127 m范围内(桩号0+698～0+571)，围岩纵波速度Vp为3 728～4 747 m/s，横波速度VS为2 254～2 739 m/s，泊松比为0.15～0.32，密度为2.32～2.57 g/cm3，静态杨氏模量为14～31 GPa，动态杨氏模量为29～47 GPa，剪切模量为12～19 GPa。各物理力学指标较差，岩体总体较破碎。主要异常区域分析及地质推断见表1。

值得强调的是，TSP波速值为地震波的视速度，大于岩体的真实波速，视速度偏低的区域岩体质量较差。隧洞实际开挖证实，桩号0+698～0+659区段围岩为Ⅳ类，其中0+698～0+692洞段涌水，桩号0+692～0+680洞段大部渗水，桩号0+675左侧侧墙下部涌水(见图9)；桩号0+659～0+571区段围岩为Ⅲ2类，隧道掘进局部存在线状渗水。与预报结果基本吻合。

除物理力学参数成果外，图10所示的深度偏移剖面也是反映掌子面前方地质情况的重要参考，图中Z与Y分别代表隧洞垂向及横向平距，其以地震波在介质界面上的反射系数为评判指标，颜色越深代表反射能量越强，正反射振幅表示刚性岩层，负反射振幅表示软弱岩层。桩号0+698～0+675洞段

图8 TSP物理力学参数成果

桩号长度/m异常分析与地质推断0+698～0+68415 纵横波波速、密度、各力学模量值小,泊松比局部较高,表明岩体破碎、力学性质差,多含裂隙水0+678～0+666、0+635～0+62720 横波波速偏低,泊松比偏高,局部力学模量指标偏小,岩体较破碎或节理裂隙发育,岩体中裂隙水含量相对较高0+660～0+6528 纵波波速偏低,岩体较破碎或节理裂隙发育

图9 桩号0+675左侧边墙下部涌水

正负反射高频率交替出现，且反射振幅强，表明此区段岩体较破碎且含水。

图10 TSP纵波深度偏移剖面

3 结 语

TSP适用于隧道含水破碎带探测，当炮孔内未注水或注水效果较差时，TSP探测会产生强烈声波干扰，声波频率与炮孔布设洞段岩体质量有关，质量较差岩体中采集数据易产生低频声波，较高质量岩体更应注重灌水效果。

含水破碎带在TSP成果中表现为波速、密度及各力学模量偏低，局部泊松比偏高，在纵波偏移剖面上表现为强反射振幅高频率交替出现。本次TSP探测与实际开挖基本一致，在小于5 m的含水破碎区预报效果尤佳，可为掌子面大量涌水时的超前短预报提供新的思路。