TSP法隧道超前地质预报技术研究与应用

牟元存， 李星， 高树全， 王凯

（中铁二院成都工程检测有限责任公司 工程检测一所，四川 成都 610031）

0 引言

目前，我国铁路隧道超前地质预报技术体系包含的方法有地质调查法、物探法、钻探法和超前导坑法，其中物探法中又有地震波反射波法、地质雷达法、瞬变电磁法、激发极化法等。由于各种物探方法有其优缺点和适用范围，针对不同的不良地质情况采用最优化的预报方法组合模式，能够事半功倍提高预报准确率［1-6］。为此，在大量隧道超前地质预报工作实践的基础上，开展了隧道掌子面前方超前地质预报物探成套技术研究，基于TSP法结合大量的工程实践总结和数值模拟正反演情况进行阐述。

众所周知，TSP弹性波反射法属长距离预报的物探手段，一般当隧道开挖有60 m 左右空间时，可布置观测系统开展TSP 法超前预报工作，在绝大多数环境下，其预报距离在100 m以上。采用该方法不仅能对断层破碎带等面状不良地质体进行预报，也能对岩溶等不良地质体有一定的预报效果，但对断层等面状不良地质体的预报效果优于岩溶等三维不良地质体。通过TSP法［7-8］隧道掌子面超前地质预报的正反演数值模拟，研发了TSP正演数值模拟软件，形成了典型不良地质体的TSP正反演图谱，通过数值模拟结合大量的现场预报实践提出了TSP最大有效探测距离，总结了岩石动态杨氏模量与隧道围岩级别之间的大致对应关系。

1 技术路线

研究的技术路线为编制完成正演数值模拟计算软件，在软件模型中人为添加断层、溶洞等不良地质体。通过正演软件计算得出带不良地质体模型的正演数据，而后将正演计算数据导入TSP 数据后处理软件进行反演，并将反演的计算结果与正演的不良地质体模型进行对比分析，研究有效预报距离、分辨率变化、多个不良地质体存在情况下的预报效果等。

2 理论正反演数值模拟实现

数值模拟研究过程中，课题组与成都理工大学和瑞士Amberg Technologies AG 合作，开发完成了TSP 正演模拟软件，并通过将正演模型得到的数据导入后处理软件进行反演计算，形成了典型不良地质体的物探响应图谱。正演过程中，主要对构造和岩溶通过建立不同规模、不同距离、不同倾角、不同交角、单个及多个地质异常等多种不良地质模型的正反演物探响应进行了研究。

具体理论正反演数值模拟的实现通过以下步骤进行：（1）建立三维空间模型和带隧道模型的正演数值模拟方程，然后将一阶应力-运动方程进行空间离散和时间离散，将空间离散为网格后，将各个变量按照交错网格的方式赋予节点，利用雷克子波设置为模型震源。

（2）对模型内隧道断面轮廓边界线和位于自由边界上的网格进行处理，使其与实际情况相吻合。

（3）对三维空间模型边界进行匹配层处理。

（4）建立不同规模、产状的单个或多个断层破碎带、单个或多个不同规模的溶洞数值模拟模型，将模型带入有限差分数值模拟方程中进行数值模拟计算。

（5）将获得的正演三分量数据进行反演计算，根据反演计算结果和所建立的不良地质体模型比对分析，对预报分辨率、断层可被探测的具体规模大小、多个不良地质体情况下的预报效果、有效探测距离等进行研究。

3 数值模拟

研究正演模型的建立主要考虑断层破碎带和溶洞。正演过程中，主要对构造和岩溶通过建立不同规模、不同距离、不同倾角、不同交角、单个及多个地质异常等多种不良地质模型的正反演物探响应进行研究，根据研究需要，课题组共完成断层模型正反演案例27个，完成溶洞模型正反演案例16 个，断层破碎带和溶洞正反演数值模拟典型案例如下。

3.1 断层破碎带模型

假设断层破碎带宽度为10 m，位于掌子面前方50～60 m处，走向与隧道轴线正交，围岩纵、横波速度分别为VP=5 200 m/s，VS=3 006 m/s，密度ρ=2.65 g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP=4 000 m/s，VS=2 312 m/s，密度ρ=2.3 g/cm3。断层模型（1）的平面示意见图1，断层模型（1）反演二维成果见图2 所示。由图可见，此时断层破碎带可以被成功预报。

图1 断层模型（1）平面示意图

图2 断层模型（1）反演二维成果

同理，假设断层破碎带宽度为10 m，位于掌子面前方150～160 m处，与隧道成正交关系。围岩纵、横波速度分别为VP=5 200 m/s，VS=3 006 m/s，密度ρ=2.65 g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP=4 000 m/s，VS=2 312 m/s，密度ρ=2.3 g/cm3。断层模型（2）的平面示意见图3，断层模型（2）反演二维成果见图4 所示，此时，断层破碎带已经不能被预报出来。

图3 断层模型（2）平面示意图

图4 断层模型（2）反演二维成果

据此，当再次假设断层破碎带宽度仍为10 m，测试其位于掌子面前方100～110 m 处，与隧道成正交关系，其他参数保持不变，发现该模型的断层破碎带能够被准确预报出来。基于上述原因，又测试了存在2条10 m宽的断层破碎带，分别位于掌子面前方50～60 m、100～110 m处，均与隧道成正交关系，围岩纵、横波速度分别为VP=5 200 m/s，VS=3 006 m/s，密度ρ=2.65 g/cm3，破碎带纵、横波速度分别为VP=4 000 m/s，VS=2 312 m/s，密度ρ=2.3 g/cm3。断层模型（3）的平面示意见图5，断层模型（3）反演二维成果见图6，可见存在同等规模的2 条断层破碎带时，第1 个断层能被准确预报，但第2个难以被预报出来。

图5 断层模型（3）平面示意图

图6 断层模型（3）反演二维成果

综上所述，当10 m 宽的单个断层破碎带分别位于掌子面前方50～60 m 和100～110 m 处时，该断层破碎带能被准确的预报出来；当同等规模的断层破碎带位于掌子面前方150～160 m 时，该断层破碎带已经不能被预报。

用这种方法，课题组同样测试了5 m宽的断层破碎带，当5 m 宽的断层破碎带在掌子面前方100 m 时，断层能被准确预报出来，当5 m宽的断层破碎带在掌子面前方150 m时，已经不能被有效分辨预报出来。

除此之外，还对预报段落内断层的不同倾角、不同走向、多个断层存在的情况进行数值模拟计算。需要注意的是正反演数值模拟时，在有效分辨距离内，当存在前后2 个断层破碎带时，往往第1 个断层破碎带能够被预报出来，但第2个断层破碎带难以被准确预报。

3.2 溶洞模型

假设存在2个溶洞，呈球状，半径均为7 m，位于掌子面前方93～107 m、118～132 m处。围岩纵、横波速度分别为VP=3 500 m/s，VS=2 023 m/s，密度ρ=2.6 g/cm3，溶洞填充物的纵、横波速度分别为VP=3 000 m/s，VS=1 604 m/s，密度ρ=1 g/cm3。溶洞模型平面示意见图7，溶洞模型反演二维成果见图8。

由图7、图8 可见，当掌子面前方93～107 m 和118～132 m 存在前后2 个半径为7 m的溶洞时，前面的第1 个溶洞能够被预报出来，但后续的第2 个溶洞已经不能被准确预报。

图7 溶洞模型平面示意图

图8 溶洞模型反演二维成果

同理，当半径为10 m 的溶洞在125 m 附近时能够被预报出来，但当位于150 m 时，已经不能被预报出来。半径为4 m 的溶洞在100 m 之内时，能够被预报出来，但当溶洞在掌子面前方125 m附近时，已经不能被预报出来。另外，对所建立溶洞模型的椭球体旋转90°，改变了预报异常地质体迎头面的大小。结果发现迎头面减小后，预报效果不佳，也进一步证实了对岩溶类不良地质体的预报不仅与规模、距离有关，还和岩溶的发育形态有关。

4 杨氏模量与围岩级别对应关系

根据TB 10013—2010《铁路工程物理勘探规范》附录E隧道弹性波速度围岩分级，可知隧道围岩弹性波的分级标准，但是该表中隧道围岩级别划分的弹性波速度是采用地震折射波法测量得到的。目前，隧道超前地质预报工作已经纳入施工工序管理，超前地质预报工作贯穿隧道掘进始终，如果利用TSP弹性波预报资料能确定隧道掌子面前方的围岩级别，则对隧道施工具有重要指导意义。又因TSP法是利用反射波法进行预报，其纵横波速度不能直接拿来套用附录E，所以现场预报过程中，利用掌子面的围岩级别和弹性波反射法中反射界面密集、聚焦段落的分布等情况，根据预报范围内的围岩变化趋势结合勘察设计资料综合分析，对围岩级别的划分进行尝试，实践证明按该思路去划分围岩级别有较好的对应关系。

在上述工作思路基础上，并通过云、贵、川地区大量的案例总结，尝试对围岩分级中的动态杨氏模量指标（代表围岩的软硬程度）进行了数理统计，统计结果如下：

（1）贵广铁路统计动态杨氏模量与围岩级别之间的大致对应关系为：

Ⅴ级围岩：动态杨氏模量＜30 GPa；Ⅳ级围岩：30 GPa＜动态杨氏模量＜50 GPa；Ⅲ级围岩：动态杨氏模量＞50 GPa。

（2）成兰铁路统计动态杨氏模量与围岩级别之间的大致对应关系为：

Ⅴ级围岩：动态杨氏模量＜20 GPa；Ⅳ级围岩：20 GPa＜动态杨氏模量＜50 GPa；Ⅲ级围岩：动态杨氏模量＞50 GPa。

（3）云桂铁路云南段统计动态杨氏模量与围岩级别之间的大致对应关系为：

Ⅴ级围岩：动态杨氏模量＜20 GPa；Ⅳ级围岩：20 GPa＜动态杨氏模量＜50 GPa；Ⅲ级围岩：动态杨氏模量＞50 GPa。

隧道开挖经常遇见的围岩级别为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级，故此处只体现了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩的动态杨氏模量统计结果。对于Ⅱ级和Ⅵ级围岩，由于实际生产过程中遇见的不多，统计数据目前还存在着较大的离散性。

5 结论

经对典型不良地质体的物探TSP法响应图谱特征比对分析，并结合近年来约2 000 km 隧道超前地质预报工作实际统计分析，研究结论如下：

（1）地质情况简单段落，采用TSP法长距离宏观预报的最大有效探测距离建议在120 m左右为宜，若预报范围内围岩完整性差，地质情况中等复杂、较复杂时，则预报距离建议控制在100 m左右为宜。隧道地质情况复杂段落，应视情况进一步控制预报距离，增加预报频次以便控制风险。

（2）因大地滤波的作用导致信号主频下降，地震波在地层中的传播距离越远，分辨能力越低，一般认为纵向分辨率是波长的1/4。理论方面，横向分辨率可按照第一菲涅尔带的半径计算。TSP 超前地质预报中，纵向分辨率也和预报距离息息相关，从正反演计算结果来看，对于5 m 和10 m 的断层破碎带，当预报距离达到120 m左右时均已无法有效分辨。

（3）对于溶洞的三维空间定位依然难度很大，虽然在速度图、三维图中有所反映，但是和实际情况对比来看，三维空间定位效果并不十分理想。一般而言在速度分析图谱中，对于不良地质体可根据其低速分布区域大致圈定不良地质体的分布范围，但是2个数据通道共计6个分量的速度图中，低速异常位置的分布往往并不完全一致，这点在判释上也需要综合各个分量的速度图进行判定。究其原因，是因为在数据建模网格化时，在XYZ3个分量上如果都是考虑单位长度，那么对于一个立方体而言，显然X=Y=Z是成立的，但是从立方体的一个顶点到斜对面另外一个顶点的距离则必定大于单位长度所造成的。

（4）对于预报里程范围内存在多个同等规模的不良地质体情况下，离掌子面近的第1个异常一般能够被准确预报，但后续的其他异常已经难以被准确预报出来。在实际生产中，还发现当离掌子面近的第1个不良地质体规模较远离掌子面的第2个不良地质体规模小的时候，则第2 个异常仍有可能被准确预报，即若第1 个异常为岩溶类异常，第2个异常为断层等面状不良地质体或更大规模的岩溶类异常时，则前后2个异常均可能仍被准确预报。

（5）对于部分岩溶的漏报问题，因不良地质体的形态复杂多变，对规模比较小的不规则地质体或迎头面比较小的不良地质体，在地震波记录中不会形成较连续的反射波，所以导致漏报问题的发生。

（6）隧道围岩级别的划分是个复杂的问题，其与隧道岩性、埋深、岩质软硬程度、隧道断面大小、围岩含水情况、围岩完整程度、是否有构造发育等诸多的综合因素有关。后续工作中，可进一步进行数理统计尝试，并细化围岩分级标准，以便更好地服务于隧道施工。