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

一、TSP203超前探測法

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

(一)TSP203超前探測原理

TSP203超前探測采用彈性波反射原理，通過對檢波器接收的彈性波反射信號進(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)測預(yù)報原理及數(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. 隧道圍巖級別與TSP超前探測頻譜關(guān)系

在隧道進(jìn)行彈性波超前探測，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，主頻范圍與圍巖級別及探測效果存在一定的聯(lián)系，因此對宜萬線齊岳山隧道、馬鹿箐隧道等復(fù)雜巖溶隧道的不同圍巖級別進(jìn)行TSP203超前探測數(shù)據(jù)采集、處理后成果與施工資料進(jìn)行綜合對比分析及TSP203超前探測的反射波頻譜范圍與圍巖級別對比分析的研究，如圖6-6和表6-3所示，圖中黑線表示超前探測基本正確或正確的反射波主頻范圍，黃線表示超前探測部分不正確或探測不準(zhǔn)的反射波主頻范圍。從圖中看出，反射波主頻范圍：二級圍巖≤4 000Hz，三級圍巖≤3 000Hz，四至五級圍巖≤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隧道超前探測反射波主頻與圍巖級別分析圖

圖6-7TSP203超前探測頻譜分析圖

(a)正常;(b)干擾

2. 巖溶隧道不良地質(zhì)體的TSP203超前探測異常特點

根據(jù)彈性波理論有：

Vp/Vs＝(6-2)

Vs＝(6-3)

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

表6-3圍巖級別與TSP203反射波主頻、預(yù)報結(jié)論驗證關(guān)系表

注：()內(nèi)數(shù)字為該頻段的次數(shù)。

對于基巖巖體(較完整)，通常有0.33>ν>0.23，2.0>Vp/Vs>1.7;

對于松散體(沖洪積層、溶洞充填物等)，通常有0.5>ν>0.4，10.0>Vp/Vs>2.5。

因此對于前方有溶腔、破碎巖層等不良地質(zhì)體，Vp/Vs會增加。

(1)隧道溶腔TSP203超前探測異常特點。隧道溶腔(含水)TSP203超前探測異常特點：在TSP203超前探測二維成果圖中表現(xiàn)為Vp/Vs或泊松比(δ)的明顯增加，有時是臺階躍升，在其附近還有較直立的正反射。

隧道溶腔(不含水)TSP203超前探測異常特點：在TSP203超前探測二維成果圖中表現(xiàn)為Vp/Vs或泊松比(δ)有變化(沒有含水時明顯)，縱波波速Vp、橫波波速Vs會出現(xiàn)下降，同時在其附近還有較直立的正反射。

(2)隧道斷層TSP203超前探測異常特點。在TSP203超前探測二維成果圖中表現(xiàn)為Vp/Vs或泊松比(δ)有增加，縱波波速Vp、橫波波速Vs會出現(xiàn)下降，同時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超前探測異常特點。在TSP203超前探測二維成果圖中表現(xiàn)為Vp/Vs或泊松比(δ)有增加，橫波波速Vs會出現(xiàn)下降，但是規(guī)律性不強(qiáng)，通常在其附近沒有直立的正反射。

當(dāng)隧道中的巖溶管道直徑不大時，TSP203超前探測基本上無異常反應(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波長估算，最小能發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)體應(yīng)大于2m以上，實際上不良地質(zhì)體大于5m，反應(yīng)才明顯)，TSP203超前探測均無異常反應(yīng)。