研究生課程考核試卷科目：安全工程理論及其應用教師：姓名：學號：專業：礦業工程類別：（學術）上課時間：2014年2月至2014年4月考生成績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語：閱卷教師(簽名)研究生院制TSP超前預報在隧道的應用及分析研究摘要我國中、西部為多山地區，在地鐵、隧道、引水隧洞等大型工程建設項目中，地下工程占有較大的比重，并多為項目建設的控制性工程。在地形條件較差和地質構造復雜的地區，斷層帶、褶皺、節理裂隙等構造比較發育，地下水豐富，隧道圍巖所處的工程地質條件較差，增加了隧道施工難度和危險。在隧道工程建設施工過程中，隧道開裂、側移、坍方冒頂、突泥、涌水、誘發山體滑坡等工程與地質病害頻繁發生。為保證隧道工程施工質量、工期、投資和人員設備安全，隧道超前地質預報已被列為隧道施工的重要環節。本文主要闡述了TSP超前預報系統的基本原理、TSP現場工作方法、TSP數據采集、資料處理以及對TSP技術的研究與改進，并結合工程實例，說明了預報的準確性。關鍵詞：隧道；超前預報；TSP；改進研究TheApplicationandStudyofTSPintheTunnelGeologicalPredictionABSTRACTTheMidwestareaofChinaismountainous.Inlargeinfrastructureconstructionprojects,undergroundcavernsandtunnelsaccountforalargeproportion,andmorearethecontrolengineering.Inthemorecomplexareasoftopographyandgeologicalstructure,wherehavefoldbelt,faultdevelopment,groundwaterrich,andpoorgeologicalconditionsofsurroundingrock.Thecollapseofrooffall,suddengushingmud,lateraltunnel,themountaincrack,inducedlandslides,andotherengineeringandgeologicaldiseasesoccurfrequentlyinthetunnelconstructionprocess.Toensurethesafetyoftunnelconstruction,quality,timeandinvestment,advancedgeologicalpredictioninthetunnelhasbecomeanimportantlinkintheconstructionprocess.Thisarticlemainlyexpoundstheseismicreflectionwavemethod,thebasicprincipleoffieldworkmethodofTSP,TSPdataprocessingflowchartanddiscussesthefeasibilityofimprovingdataquality,combinedwithanengineeringexampletoillustratetheaccuracyoftheforecasts.Keywords:Tunnel;Theadvancedprediction;TSP;Improvementresearch目錄摘要 I級風險隧道共45座。王夢恕院士說：“二十一世紀是隧道及地下空間大發展的年代”，不僅公路鐵路隧道的總里程繼續大幅度增長，而且單座隧道也具有向里程長!埋深大的趨勢發展?？梢?，隧道施工地質超前預報工作任重而道遠。超前預報國內外研究現狀隧道施工超前地質預報始于20世紀30年代，縱觀國內外隧道施工超前地質預報技術方法的發展，大致經歷了以下幾個階段：地質法階段、超前平行導坑(隧道)法階段、超前水平鉆孔法階段、超前鉆孔聲波測井階段、跨孔透射法階段、波反射法以及綜合預報法階段。2.1隧道超前地質預報在國外的研究現狀在國外，如英國、法國、澳大利亞、德國、瑞士、日本、美國等發達國家的隧道(特別是鐵路、公路隧道)修建過程中，隧道施工地質工作都是重要的且不可缺少的工序，重視隧道施工地質工作已成為管理部門和廣大工程技術人員的共識。自20世紀70年代，均對隧道施工地質超前預報予以極大重視，并將此列為隧道工程建設的重要研究內容。1972年在美國芝加哥首次召開快速掘進與隧道工程會議至今，隧道施工超前地質預報工作一直都受到重視。準確預報施工前方地質條件是隧道建設的迫切要求。隨后世界各國都將這類問題列為重點研究課題，日本研究開挖前方地質預報；澳大利亞研究隧道施工前方地層狀況預報；德國研究掌子面附近地層動態的詳細調查；法國則把不降低掘進速度的勘探方法作為重點研究課題。在此后的工作中有些施工單位配備有專門從事隧道施工地質的工程技術人員，有些則由業主提供施工地質隊伍，并撥出?？铋_展這項工作。他們在咨詢部門提交的設計圖紙的基礎上，在施工過程中，還要求做好地質超前預報工作。如前蘇聯開挖阿爾帕—謝萬隧洞成功地進行了施工溫度預測[2]；在阿爾卑斯山深埋隧道中預測溫度的方法成功運用于圣哥達公路隧道；日本青函隧道在施工過程中采用了超前導坑202孔，單孔最深達2150m共深88562m的水平超前鉆探和聲波勘探等技術以預報地質結構、斷層位置及第四系沉積物的分布和厚度，對隧道的施工起到了重的作用。但是目前，在隧道地質超前預報方面的研究，國外至今還沒有形成系統化的方法，僅有零散的數量有限的論文散布于各類期刊和學術雜志。斷層超前預報，特別是準確的定量、定位預報，是國內外隧道施工地質工作者尚未攻克的技術難題。2.2隧道超前地質預報技術在國內的研究現狀目前，從總體上來說，我國隧道超前地質預報工作還十分薄弱，尚沒有真正起步，從上到下也沒有對其給予足夠的重視。與國外同行相比，顯示出明顯的不足。突出表現在既缺乏專職施工地質隊伍，又不重視具體施工地質工作，當然也就更談不上超前地質預報工作。近年來，隨著與國外隧道工程技術交流與合作的廣泛開展，我國的隧道工程技術人員開始逐漸認識到地質工作特別是隧道超前地質預報工作在隧道施工中的重要作用，并為此做了積極的、卓有成效的探索。1996年～1998年，鐵道部第一勘測設計院西安分院首次在秦嶺特長隧道開展了施工地質綜合測試工作及超前預報工作，并將地質工作貫穿隧道建設全過程。這實際上是在開展全面隧道施工地質工作的道路上邁出的極重要的一步[3]。1999年～2000年6月，石家莊鐵道學院橋隧施工地質技術研究所與中鐵十四局隧道處合作，在株六復線新倮納隧道正式開展了全面施工地質工作。該隧道全長2080m屬于典型的“爛洞子”型隧道，它溶洞、暗河、煤系、軟巖俱全，斷層十分發育，施工難度之大可以想象。然而，因為在施工過程中，全面正規地開展了隧道施工地質工作，系統的貫穿施工全過程的實施了超前地質預報工作，并在指揮部領導的大力支持下，與正確的不良地質區段輔助施工方法緊密結合，致使該隧道從開挖至貫通沒出現一次塌方，也沒發生任何其它施工地質災害。這是全面、正規的隧道施工地質工作首次應用于我國隧道施工所取得的第一個豐碩成果，也創造了我國隧道修建史上不可多見的奇跡[4]。隨著高等級公路建設速度的加快，特別是西部山區公路建設步伐的加快，人們已經認識到隧道施工中將發生地質災害，為此，一些學者開展了隧道地質災害的預測和評價工作。如王云安[5]等對女娘山隧道地質災害進行了預測分析，任光明[6]等研究了深埋長隧道有害氣體的預測與防治問題，黃潤秋[7]等研究了深埋隧道工程主要災害地質問題，徐則民[8]等研究了特長巖溶隧道涌水預測的系統辨識方法。而且，由于西部地質條件復雜，高速公路隧道施工中也發生了一些地質災害。在巖溶地區超前探水技術上除了運用超前水平鉆、地質雷達和TSP技術外還發展了紅外探測技術，在圓梁山隧道施工中取得了豐碩的成果，得到了施工單位的認可。肖起航[9]等采用ＴＳＰ空間陣列系統和速度掃描技術有效地解決了掌子面前方圍巖速度分布問題，提高了構造定位精度；應用二維方向濾波技術有效地消除了上下、左右的側向同波和面波干擾，成功提取了前方回波用于超前預報，避免了虛報誤報，解決了復雜地質條件下的超前預報。胡紅巖[10]使用瑞典RAM-AC/GPR地質雷達的實例，介紹地質雷達的工作原理及其在隧道超前預報中的應用和技巧。范承余[11]等設計了不同的觀測系統對隧道進行探測，通過對實際采集的資料進行處理、解釋以及對重疊段的對比分析,驗證了TSP在隧道探測中的有效性和可靠性。劉海[12]以六武高速公路新開嶺隧道掌子面出現涌水時采取TSP與地質雷達2種地質超前預報技術對前方圍巖進行地質預報為例，對應用2種物測技術探測所得到的結果進行比較分析，確定2種探測技術各自的優劣,以及如何在以后的工程探測中使2種儀器能很好地相互印證，來確保地質預報結果的準確。3.TSP超前預報系統的基本原理TSP系統(TSP即TunnelSeismicPrediction的英文縮寫，以下簡稱TSP)是瑞士安伯格測量工程技術公司為隧道地質超前預報而專門研究設計的。系統屬于多波分量高分辨率地震反射波探測技術，目前隧道超前預報中最新的地球物理探測方法之一。章主要介紹巖體(石)中地震波傳播的基本規律以及TSP的基本工作原理[13]。3.1巖石的彈性性質地震波在巖石中的傳播速度取決于巖石的彈性性質，括縱波波速和橫波波速。根據經典的彈性波理論可知，用于描述介質彈性性質的參數包括：拉梅系數、剪切模量、體積壓縮模量、揚氏模量和泊松比。這些彈性參數與彈性波速度之間的關系如下：(1)(2)(3)(4)(5)其中、、分別為巖石的密度、縱波速度和橫波速度。從上面的公式可以看出，只要已知巖石的密度!縱波速度和橫波速度，即可計算出巖石的其它彈性參數。3.2地震波傳播的基本規律地震波從激發、傳播到被接受，其振幅和波形都要發生變化，歸其原因主要有三類：第一類是激發條件的影響，它包括激發方式、激發強度、震源與地面的耦合狀況等；第二類是地震波在傳播過程中受到的影響，包括球面擴散、地層吸收、反射、透射、入射角大小以及波形轉換等造成的衰減；第三類是接受條件的影響，包括接收儀器設備的頻率特性對波的改造以及檢波器與地面耦合狀況等。此外，地震波的傳播過程遵循惠更斯原理、費馬原理及視速度定理。3.2.1地震波的能量與球面擴散地震波的傳播實質是能量的傳播。根據一般波動理論可知，波在介質中傳播時的能量等于動能和位能之和。假設波通過的介質體積為，介質的密度為，對于諧和振動來說則波的能量可用下式表示：(6)式中表示波動的振幅，表示波的頻率。3.2.2地震波的吸收衰減波的吸收衰減由于地下介質的非完全彈性和不均勻性，當地震波通過地層介質傳播時，會出現波的吸收現象。此時，介質的振動粒子之間產生摩擦，地震波的一部分能量轉換成熱。在地震勘探中，地震波的振幅隨傳播距離的增加按指數規律衰減，即:(7)其中為初始振幅,，為吸收系數。吸收系數常用品質因子來表示，即(8)其中為地震波的頻率，為吸收系數，為波速，值為一無量綱量，通常被定義為：在一個周期內(或一個波長距離內)，振動所損耗的能量與總能量之比的倒數。從上面公式可以看出，吸收系數與地震波的頻率成正比，與波速和品質因子成反比。所以，地震波在地層介質傳播的過程中，由于地層的吸收衰減作用，濾去了較高的頻率成分而保留較低的頻率成分，巖石介質的這種作用稱為大地濾波作用。3.2.3惠更斯原理與費馬定理在彈性介質中，可以把已知時刻的同一波前面上的各點看作從該時刻產生子波的新震源，在經過時間后，這些子波的包絡面就是原波到時刻的波前。用惠更斯原理來描述波傳播的特點，只給出了波傳播的空間幾何位置，而不能給出波傳播的物理狀態,如能量等問題。1814年夫列涅爾(Fresnel)補充了惠更斯原理中的不足，他認為波傳播時，任一點處質點的新擾動，相當于上一時刻波前面上全部新震源所產生的子波在該點處相互干涉迭加形成的合成波，這就是惠更斯-夫列涅爾原理。費馬原理表明，地震波沿射線傳播的旅行時和沿其他任何路徑傳播時相比為最小，亦波是沿旅行時最小的路徑傳播的。3.2.4TSP地震負視速度法原理TSP系統的工作原理實質上為地震負視速度法的基本原理，或稱為隧道VSP(垂直地震剖面)。如圖1所示，在隧道掌子面附近邊墻一定范圍內布置18~24個激發孔，通過在激發孔中放置少量炸藥來人工激發地震波，產生的地震波以球面波的形式在隧道圍巖中傳播，當遇到圍巖波阻抗差異界面時(例如巖溶、斷層或巖層的分界面)，一部分地震波將會被反射回來，一部分地震波將繼續向前傳播，反射回來的地震波被裝置在隧道左右邊墻距激發孔一定距離的高精度檢波器接收并傳至主機形成地震波記錄。當反射界面與掌子面平行(垂直于測線)時，所接受的反射波與直接由震源發出的信號(直達波)在地震波形記錄上呈負視速度的關系，其延長線與直達波延長線的交點即為反射界面的位置(如圖2)。當反射界面傾斜時，反射波時距曲線為雙曲線形狀。圖1TSP工作原理示意圖Fig.1WorkingprinciplediagramofTSP圖2TSP負視速度法波形記錄Fig.2WaveformrecordsofTSPbyapparentvelocityof當激發產生地震波時，地震波以球面形式向四周的圍巖傳播，有一部分地震波以最短的時間(傳播距離最短)到達檢波器，這一部分地震波被稱為直達波，直達波用來估算地震波在圍巖中傳播的波速即(9)式中，為震源到檢波器的距離；為直達波到達檢波器的時間。設反射界面到檢波器的距離為，反射界面到震源的距離為若反射界面與掌子面是平行的,即與測線是垂直的，那么這時候的反射波時距曲線近似為一條直線；若反射界面與測線成一定角度，那么反射波時距曲線為一條雙曲線。3.2.5繞射波歸位原理一般來說，人們總是希望地震記錄和地質剖面中所反映的同一地質體應當盡可能地一致，以便直接利用地震記錄作出地下地質解釋，但實際上由于地震記錄方式、地下界面的形態以及地震波傳播特性等因素的影響，地震記錄上的反射波同相軸與實際地質界面的位置形態存著很大的差異。這就需要我們作出相應的歸位處理。地震波在傳播過程中，當遇到斷層的棱角、地層尖滅點、不整合面的突起點或侵入體邊緣等巖石物性顯著變化的地方，將會發生繞射。設均勻介質中存在一個繞射點，波自繞射點出發，以球面波的形式向地面傳播(圖3)。二維情況下波的傳播方程為(10)式中，為繞射點坐標、為傳播速度及旅行時間。以上討論的是點繞射的情況，但對一般的反射界面也適用，因為按照惠更斯原理，反射界面可以視為繞射點的集合。每一個繞射點對應著一條雙曲線，雙曲線簇的漸近線就是反射波同相軸(圖4)。圖3均勻介質中的繞射波及假想觀測面()Fig.3Diffractedwavesandimaginaryobservationssurfaceinhomogeneousmedium圖4反射界面、反射同相軸和繞射點及繞射雙曲線的關系圖Fig.4Diagramofreflectinginterface,reflectingphaseaxis,diffractionpointsanddiffractionhyperbola利用以上特性可將輸出剖面離散化，每個網點上假設都有一個繞射點，按繞射雙曲線公式可在象空間找到一條對應的雙曲線，沿雙曲線軌跡取波的振幅并疊加起來，將疊加和置于目標空間相應的網點上。當繞射點不存在時，雙曲線也不存在,這時波的振幅疊加和為零，如果目標空間上確實存在一個繞射點，波的振幅疊加和有較大的值，將這些值顯示在目標空間相應的網點上就得到偏移剖面。繞射掃描疊加方法能使繞射波能量歸位，同時也能使反射同相軸偏移歸位，因為反射同相軸可看成無數個相關繞射雙曲線的漸近線，沿漸近線波的振幅能量是相干的，可得到同相疊加的效果，這些相干能量應置放在各繞射雙曲線的頂點，各頂點的連線就是反射界面的真實位置(圖4)。4TSP超前預報的應用4.1TSP203儀器組成TSP203系統主要由記錄單元、接收器單元、附件及起爆裝置組成[14]。(1)記錄單元地震信號的記錄及記錄質量的控制由記錄單元完成。記錄單元由下列部件組成信號處理箱(實質上是用于將地震信號從模擬信號轉換為數字信號)和運行WindowsXP的松下筆記本電腦。筆記本電腦控制著整個記錄單元，用于記錄、存儲、處理及評估數據。整個系統標準配置有12個輸入通道，用戶可以安裝4個接收單元。(2)接收器單元接收單元用于接收返回的地震信號，由一個高靈敏度的三軸(X-Y-Z分量)地震加速度計構成。它的頻帶大約在1～5000Hz之間(包含了所需的動態范圍)，可將地震信號轉化為電壓。由于使用了三分量接收器，可以保證全波場的數據記錄，因此，可以將不同的波型分離為壓縮波(P)和剪切波(S)。(3)附件及起爆裝置為了便于安裝接收單元，附件箱中提供了一套安裝工具和一個電子測角儀。附件箱中提供了一個直徑為45mm的鉆頭，用來鉆制標稱直徑為45mm的接收器孔。使用手持式激光測距儀可以使準確、方便地測定探測布局的各項參數。起爆裝置由起爆器和內置觸發電路的觸發器組成。在放炮時，電雷管和觸發器由兩線的炮線連接在一起。同時，應確保觸發器電纜將記錄單元與觸發器連接在一起。(4)TSP203系統裝配（如圖5[15]）所示圖5TSP203系統組成Fig.5SystemcomposedofTSP2034.2TSP數據采集由于TSP地質超前預報的原理是基于對反射信號（反射波）的處理，為了盡可能將反射信號清晰的記錄，探測時需提高記錄數據的質量，我們必須調整相關參數[16]。4.2.1炸藥要求炸藥安放及能量的大小關系到人生的安全，同時還可以得到較強的信號能量；為了安全，在炮孔內裝藥時要按照以下步驟：（1）用裝藥桿檢查PVC管是否通暢；（2）將炸藥和雷管包扎在一起；（3）使用裝藥桿通過PVC管向下推入炸藥包；（4）小心拉出PVC管，同時防止損壞雷管腳線；（5）在剛好起爆前必須用水封堵炮孔，最好用橡皮軟管緩慢注水；為了得到較好的信號質量，TSP在堅硬巖石中使用的裝藥配置情況遵循下面表格1表1炸藥的藥量Table1Doseofexplosives4.2.2信號電平TSP地質超前預報中為了盡可能將反射信號清晰記錄，要求信號從炮點發出的必須是尖脈沖，此外，接收系統和記錄單元必須毫無失真地記錄反射信號，如圖6所示；為了防止信號放大器輸入的非線性或過載，第一炮的信號電平不應該超過5000mv，圖7顯示了第一炮（離接收器最近的炮）直接信號y分量振幅輸入過載的典型情況。出現這種情況的原因是炸藥太大，所以最好將前3炮使用的炸藥減少50％.如果由于炸藥提前裝入而不能減少藥量，那么可以在該炮孔進行二次放炮，開始記錄并檢查是否過載；如果沒有過載，就可以繼續進行測量記錄，在后面的處理階段，如果必要，可以刪除第一次記錄的炮。圖6高質量的原始數據Fig.6Thehighqualityoriginaldata圖7振幅輸入過載和非線性示例Fig.7Overloadinputamplitudeandnonlinearexample4.3TSP資料處理TSP數據處理包含了：數據設置、帶通濾波、初至拾取、拾取處理、炮能量均衡、Q估計、反射波提取、P波和S波分離、速度分析、深度偏移、反射層提取流程。為了實現對不良地質體預報的真實情況，數據的每個處理需要根據實際地質條件設置合理參數。4.3.1帶通濾波帶通濾波就是根據信號頻率將信號加以約束，使有用信號從噪聲中分離出來；由于TSP探測原理是基于反射波信號，所以只有反射波才是有用信號，其它如面波、折射波、聲波等相應的是干擾波，只有消除這些干擾才能提高信噪比；TSP數據通過帶通濾波使有效波與干擾波的頻譜差異來達到濾波的效果。由于TSP采集到的是三分量數據，在沒有進行波場分離之前數據信號中混疊有高頻率的縱波以及頻率相對比較低的橫波，因此選擇的通頻帶寬度應該足夠寬，以保證有效信號不受到損失。另外，低截頻和低通頻不要間隔太大，否則會造成濾波器低頻段的陡度降低，從而影響對低頻信號的抑制，其中圖8，9濾波前后的記錄。圖8濾波前記錄Fig.8Recordsbeforefilter圖9濾波后記錄Fig.9Recordsafterfilter4.3.2深度偏移成像深度偏移的計算步驟如下：（1）根據速度模型計算由震源到任一成像點的時間以及成像點到接收點的旅行時間；（2）由三分量地震數據計算在此時各檢波點處質點的偏振方向；（3）利用檢波點處質點的偏振方向作為初始條件，進行射線追蹤計算偏移孔徑即第一菲涅爾帶；（4）計算旁側其它各點的權系數，并進行疊加形成深度偏移剖面。如圖10三分量P波、SH波和SV波原始波形圖，經過空間矢量Kirchhoff深度偏移，計算得出的反射體的空間產狀三分量偏移綜合圖如圖11所示。圖10三分量P波、SH波和SV波原始波形圖Fig.10OriginalwaveformsofP,SHandSVwaves圖11三分量偏移綜合圖Fig.11Three-componentoffsetcomprehensivediagram上圖中的弧線代表空間的地質反射面，其中偏移能量的大小反映了反射能量的強弱。4.4工程實例4.4.1工程地質概況某某電站位于四川省九寨溝縣白水江上游河段，地層巖性為黑河組下段第三亞層下部（P1h1）薄層~薄板狀灰巖、夾少量千枚巖，巖體完整性差，以薄層狀結構為主，圍巖穩定差，其中以Ⅲ-2類圍巖為主（約60~70%），部分層間錯動帶、破碎帶為Ⅳ類圍巖，夾千枚巖集中帶為Ⅴ類圍巖。4.4.2成果資料解釋圖12TSP預報成果圖Fig.12ForecastingoutcomediagramofTSP此次采用了瑞士TSP-203對隧道進行超前預報；為了保證預報結果能準確反映前方不良地質體的真實情況，在數據采集及數據處理中進行了嚴格要求。本次預報的里程范圍從K0+463～K0+548，共85m；成果圖第一格為速度曲線：上面一對紅線和藍線分別表示左右洞壁的縱波；下面一對紅線和藍線分別表示左右洞壁的橫波；其余格中分別為泊松比、動態楊氏模量和地質推斷圖。從成果圖中可以看出，在掌子面前方K0+463～K0+488段，S波反射比P波強，Vp/Vs大于2.0，泊松比δ也突然增大，動態楊氏模量E突然變小，推斷圍巖極破碎，節理裂隙強烈發育，富水（或為軟弱夾層）；K0+488～K0+519段中，由于反射系數從負變為正，同時Vp/Vs的值在1.4-2.0之間，動態楊氏模量相應的變小，推斷在K0+488～K0+519段圍巖破碎，含水，節理裂隙發育；在K0+519～K0+548段，Vp下降，同時動態楊氏模量的值相應的增加，推斷圍巖較破碎。4.4.3開挖揭示情況表2開挖揭示表Table2ExcavationrevealedTable里程巖性巖級推斷波速開挖情況K0+463-K0+488千枚巖板巖灰巖IV-V2700極薄層灰巖夾板巖，巖體破碎松弛；線狀流水K0+488-K0+519III-IV3200中厚層-厚層灰巖，節理發育，完整性差，局部有股水狀K0+519-K0+548III-IV3400中厚-薄層狀灰巖，夾板巖從表2的實際開挖情況和成果圖可以知道，在里程K0+463~K0+548這段距離中，圍巖的巖性情況基本符合，但是對巖體含水（或為軟弱夾層）推斷過程中，雖然可以判斷水的存在，但對含水含情況無法做出相應的推斷，也無法判斷是否為軟弱夾層，所以建議應結合其他對水反應靈敏的物探加以綜合分析，以便得出準確的預報結果。5對TSP技術的研究與改進中國引入TSP預報技術已十幾年了，在鐵路、公路與水利水電等工程項目的隧道施工超前預報中有很多成功的應用，也有不少失敗的教訓。TSP預報技術在國內有很大的爭論，認真總結TSP技術及其應用的經驗和教訓，繼承其合理的部分，改進其不足，對于發展和提高我國隧道地質超前預報技術具有重要的積極意義。根據TSP技術的預報實驗和應用研究成果，TSP技術在下列四個方面是成功的：（1）、TSP觀測系統的布置是成功的，檢波器和炮點都埋入圍巖中1～2m，削弱了聲波和面波干擾；（2）、利用開挖面前方地震反射信號確定地質界面，對應的關系是可靠的；（3）、采用深度偏移成像方法處理過程快捷，圖像直觀，成果同時包含了運動學特征和動力學特征，不但能確定地質界面位置，還可明確其性質（界面兩側介質力學模量差異的大小）；（4）、偏移圖像包含了所有強、弱反射界面，便于分析構造組合和地質解釋。TSP技術也存在以下幾個方面的問題：（1）、觀測方式簡單，數據采集缺乏橫向波場信息，不能確定開挖面前方圍巖的準確波速進行速度分析，反射界面位置定位誤差大；（2）、傳感器套管的埋置及與圍巖耦合工序復雜，布設時間過長；（3）、TSP的觸發工作方式容易造成記錄走時誤差；（4）、縱橫波分離過多依賴經驗，對于圍巖富水性的預報不可靠，用縱橫波幅值變化預報圍巖含水性往往造成漏報、誤報事故；（5）、TSP技術缺乏合理、科學的地質解釋準則。這些問題的存在與其觀測方式、處理分析軟件的局限性有很大關系。TSP技術與其它地震反射法超前預報技術相比具有一些優勢，但其自身也存在一些不足。如不對這些不足之處進行改進，其預報的精度和可靠性很難得到提高和保證，誤報、漏報現象就很難避免。下面是根據TSP技術隧道超前預報實驗研究，對TSP超前預報技術在觀測系統布置、數據采集、處理和資料解釋等各環節上存在的問題進行分析、研究并提出改進、提高的方法和措施[17]。5.1對TSP數據采集方法的改進目前的TSP軟件處理方式與采集方式是相互對應的。一組三分量檢波器和20～24個激發點構成一次完整的地震記錄。檢波點與激發點沿隧道側壁呈一字型排列，激發點等間距設置，這是對觀測布置的基本要求，如不能滿足這樣的要求，其處理軟件TSPwin就無法對采集數據資料進行處理。當在隧道兩側分別布設檢波器時，軟件不能對兩側的觀測資料進行聯合處理分析，這種觀測與處理方式有較大的局限性。因為缺乏橫向觀測視角，影響到開挖面前方波速分析的精度和地質對象的定位精度，很難提供巖體波速的準確信息。在TSP處理中速度掃描得到的波速實際上是觀測點附近的波速，與直達波分析確定波速相同，不能代表開挖面前方的圍巖波速。觀測方式的改進容易實現，將檢波器和激發炮點分散布置到隧道的兩側，在隧道的兩側壁、隧道拱頂和隧道基礎同時進行觀測，增大觀測路徑，類似于TRT的觀測方法。這樣可以提高空間定位精度和巖體波速的分辨能力。采用新的觀測系統后，分析軟件也要進行相應的升級改進，適應新的觀測方式。5.2對TSP系統觸發方式的改進TSP系統原設計的觸發方式比較簡單（圖13），用爆炸機開關同時觸發記錄器和雷管、炸藥。由于我國雷管延時的不一致性較明顯，造成記錄走時誤差，使記錄資料無法使用。因此其觸發方式有待改進。圖13TSP的觸發工作方式Fig.13TriggeroperatingmodeofTSP圖14改進后的觸發方式Fig.14TheimprovedtriggeroperatingmodeofTSP經過研究和實驗，完成了TSP觸發裝置的改進工作。改進方案是用爆炸機起爆雷管，引爆炸藥，炸藥斷線啟動觸發器，觸發器啟動記錄器,使記錄器的啟動與炸藥爆炸同步。改進后的觸發方式（圖14）消除了雷管延時的影響，保證走時的一致性和精度。5.3對TSP技術地質解釋準則需要完善目前TSP技術的資料分析遵循以下的解釋原則：①反射波振幅為正時對應硬巖層，而反射波振幅若為負時則對應軟巖層；②若S波的反射信號比P波強，則對應反映圍巖可能富水；③若縱、橫波速比Vp/Vs增加或泊松比δ突然增大，這可能與存在流體有關；④若Vp降低，則表明巖體裂隙、孔隙度發育，圍巖強度和完整性降低，或有斷裂破碎帶發育。這些原則是通過預報實驗和模型研究建立起來的，并非屬于TSP技術本身。這些地質解釋原則有一定的普遍性，是進行地質解釋的基本依據。但在實踐中也發現有時存在一些矛盾，這說明了地質現象的復雜性，需要進一步深入研究和改進。建立判別依據，采取多參數的綜合解釋理論與識別方法，避免失誤、排除多解性，提高地質推斷的準確性。5.4需進一步提高預報精度表3是TSP系統在工程應用過程中距離預報誤差的統計數據，從表中可見其距離誤差存在的大小，預報距離越大誤差也就越大。距離誤差的大小，與儀器本身的系統誤差有關，也與隧道的幾何形態和觀測系統的幾何數據的準確性有關。此外，處理參數的選擇和使用雷管的爆炸延遲時間也會引起距離誤差。表3TSP系統預報距離誤差的統計Table3Thestatisticsofsystemforecastrangeerror5.5提高識別圍巖工程類別的能力在隧道超前預報中，施工單位需要準確判定開挖面前方圍巖工程地質、水文地質、圍巖工程類別，并結合預報結果提出合理化施工方案建議。這就涉及通過預報判定隧道圍巖工程類別這一敏感問題。準確判定圍巖的工程類別難度較大，因為確定圍巖工程類別是比較復雜的問題，工程地質研究根據節理發育程度、圍巖結構類型、構造影響程度、含水性、開挖后圍巖的穩定狀態、縱波速度及巖石力學實驗數據等綜合因素確定巖體的工程類別，TSP探測通過波速測試和計算得到縱波速度、泊松比、密度、彈性模量等巖石力學參數，可以為確定巖體工程分類提供參考。TSPwin軟件在計算這些參數時采用的是經驗公式，其結果有時是不合適的，而又不能根據不同的地區進行校正。因此，對巖石力學參數必須進行必要的校正，才能準確判定圍巖的工程類別。瞬態譜分析方法的引進應該對此有較大的改進。另外，確定圍巖工程類別還要充分考慮圍巖含水程度。圍巖若含水則其工程類別相應要降低，但不同巖性的圍巖工程類別的降低程度不一樣，這給圍巖類別的準確判定造成很大的困難。6總結與展望本論文以“TSP超前預報在隧道的應用及分析研究”為題，先后主要闡述了TSP超前預報系統的基本原理、TSP現場工作方法、TSP數據采集、資料處理以及對TSP技術的研究與改進，并結合工程實例，說明了預報的準確性。取得的主要認識和結論有以下幾個方面：（1）大量的工程實例表明：為了提高數據采集的質量，在TSP測量工作之前，一定要做好