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＝
ρ2 * V2 - ρ1 * V1 ρ2 * V2 ?ρ 1 * V1 。
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 空气 风化带 水 土壤，粘土，泥岩 断层带 冰碛 砂岩，页岩 石膏/盐 灰岩，白云岩 片岩/板岩 新鲜片麻岩/花岗岩 闪岩 蛇纹岩 玄武岩/安山岩 辉长石 橄榄石/纯橄榄石 Vp（m/s) ～350 250-1000 1450-1600 250-3000 1000-3000 1500-2700 2100-5500 2000-5500 3400-7000 3500-5500 5000-7500 5500-7500 3600-5000 5000-7000 6500-7000 7900-8100 ρ（g/cm) 0.0013 1.0-2.5 1.0 1.4-2.6 1.5-2.7 1.8-2.0 2.1-2.8 2.1-2.9 2.5-2.9 2.6-3.0 2.5-3.0 2.8-3.1 2.4-3.1 2.7-3.2 2.7-3.3 2.8-3.4 3 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，将套管放入接收孔，并在孔与套管间用锚固剂填充，打开电脑中的TSPwin软件并接好数据线。
在触发雷管起爆炸药后，通过软件接收并保存地震波数据，待24个探测孔均引爆完毕后，保存数据将现场采集的资料传输至计算机，利用TSPwin软件对其进行收集（如图4）。TSPwin软件主要由数据库、处理、计算反射界面三部分组成。
（1）数据库
编辑现场采集的数据和定义观测系统。 （2）处理
对原始数据进行放大、能量均衡、滤波等流程的处理。 （2）计算反射界面
在波形处理后，从地震波形记录中拾取纵波波至和横波波至，根据爆炸点与检波器的距离可分别计算各段围岩的纵波速度vp和横波速度vs。
vp和vs值的大小综合反映了围岩的物理力学性质，根据vp和vs值可直接计算动力学参数，即计算动弹
性模量Ed、动剪切模量Gd和泊松比μd，计算式如下：
22222
Ed=ρvs（3vp-4vs）/（vp-vs）
2
Gd=ρvs
2222
μd=（vp-2vs）/2（vp-vs） 其中，ρ为围岩的密度。
根据绕射重叠法原理（与常规地震反射资料处理中偏移流程的原理类似）计算反射界面与隧道的相对位置，即与隧道轴线的交角或至掌子面的距离。
图4 TSPwin软件收集到的波形图
图5 TSPwin软件收集到的深度偏移图像
4.2资料解释
根据TSP法的原理和工作经验，把距离隧道轴线近、能量大的反射波组判释为围岩异常区，并综合地
震波速、反射波相位、密度、动杨氏模量和泊松比等参数对围岩异常区的类别进行划分。通过TSPwin软件对收集到的数据进行综合分析可得到围岩反射面位置、相对角度、密度、围岩大概类型，等诸多数据从而得到反射层位和物理力学参数综合成果图。
图6 反射层位和物理力学参数综合成果图实例
5 结论
TSP203超前探测技术具有探测距离长，程度深，方便快捷等优点，对岩溶、大体积含水、断层破碎带等有较强的探明能力，但也存在对软弱围岩、围岩连续变化岩层准确性不高，由于围岩级别的确定涉及的地质力学参数较多，目前TSP-203还无法提供准确的围岩级别，需要多种超前探测手段相互比较对照，方能提高超前探测的准确性，达到防患于未然。