摘要：针对TSP隧道超前地质预报法中数据处理人为因素影响大、单一默认参数数据处理结果存在较大风险、如何结合地质情况选择最优结果及解译等问题，文章基于TSP数据处理速度分析，提出了TSP波速结果分型及选取最优结果的准则方法。分析表明：TSP波速结果可参照电阻率法中电测深曲线类型原则进行地速分型，并通过比较TSP数据处理结果的地速类型和地质类型的一致性、吻合对应性程度可选出最优结果。
关键词：TSP隧道超前地质预报法;数据处理;解译;分型;地速类型
0 引言
TSP超前地质预报法探测距离大、抗干扰能力强，对断层及破碎带、裂隙带、岩溶及地下暗河、软弱夹层、特殊岩性地层等不良地质体预报具有很好的灵敏度，是目前应用最广泛的超前地质预报方法[1-2]，成为隧道建设开挖过程中长距离有效地把控隧道掌子面前方地质灾害风险的重要手段[3-5]。TSP超前地质预报方法技术经过实践中大量应用和总结得到了长足的发展，但是仍然存在很多问题，如干扰多造成数据采集质量不够高、数据处理过程人为因素影响大、数据处理结果具有多解性等问题。当前大部分TSP（包括TGP、TST）从业者都是按照厂家给出的数据处理流程和默认参数进行处理，处理结果具有多样性、不稳定性，处理过程中的参数稍微调整，处理出来的结果就会有明显差异。因此，如何获得一个稳定的、可靠的结果是一个难题。另外，在结果解译时虽然一直都强调要结合地质情况合理解释，但是客观上地球物理方法具有多解性，加上技术人员水平参差不齐，测量误差干扰等因素影响，数据结果有很多个。如何选取一个最合理的结果进行解译是一个难题，如何结合地质情况解释一直以来也很少有具体的、明确的准则参考遵照。因此，通过精细数据处理获得一个稳定的、可靠的结果，按照一定准则进行客观的、合理的解译具有重要意义。
1 TSP数据处理速度分析
在实际数据速度分析中，初始速度模型包括速度和尺寸参数。速度参数由直达波获得;模型尺寸为定义探测区域并对其进行网格剖分，定义探测区域其实就是定义计算区域。目前仪器配套软件速度分析计算区域参数设置中共提供6种可选择区域大小， 水平方向和垂直方向分别可设置为50 m和100 m，隧道轴线方向分别可设置为200 m、 [=XQS（]TSP隧道超前地质预报法最优结果选取准则分析/黄保胜[=JP2]250 m和300 m。速度分析区域尺寸大小设置其实就相当于给出一个初始模型，速度分析为线性反演，结果会依赖初始模型，并有可能陷入局部最小而得到错误的结果，显然仅仅给出一个初始模型而不经过比对分析处理得到的结果存在较大错误风险。由于这一步数据处理不具有可预览功能，只能处理完后比对结果，因而需要进行不同模型尺寸处理，对各个结果进行对比选择。
2 处理结果选择
TSP数据经过不同参数值的速度分析和反射层提取等一系列处理会得到很多结果，对如何从众多处理结果中选取一个最优结果进行合理解译，需要一套准则方法。本文提出先将TSP波速结果参照电阻率法中电测深曲线类型进行分型，然后根据已知地质信息类型选择最优结果。
2.1 处理结果分型
把TSP波速结果中波速从掌子面沿着预报方向整体趋势变化大小类型称为TSP地速类型，即TSP结果中地层的波速变化大小特征类型的意思。参照电阻率法中电测深曲线类型[6]，根据TSP波速结果中段数和各段波速相对大小的不同，可以将TSP地速类型分成若干类型。如图1所示：
（1）二段地速类型，当第一段波速比前一段波速高时，地速类型称为G型;当后一段波速比前一段波速低时，地速类型称为D型。
（2）三段地速类型，当第二段波速比第一段波速低且比第三段波速低时，地速类型称为H型;当第二段波速比第一段波速高且比第三段波速低時，地速类型称为A型;当第二段波速比第一段波速高且比第三段波速高时，地速类型称为K型;当第二段波速比第一段波速低且比第三段波速高时，地速类型称为Q型。
由此可见，每多一段，波速结果的地速类型就增加一倍，可用类似的方法考虑更多段波速结果的类型。另外，由于TSP超前地质预报中地质灾害异常（软弱层、破碎带、溶洞、富水带等）主要表现为低速，所以在TSP中经常出现地质灾害（异常）的类型为H型、Q型结果，而像G型、A型等结果存在的地质灾害风险一般较小。
2.2 处理结果选择
处理结果选择应遵循由已知到未知的原则，可以通过已知的地质资料分析预报段内存在的地质异常情况，对地质内容进行类型分类，我们称之为地质类型。存在地质异常段对应地在波速结果上势必会有反映，二者具有对应性，因此可以通过比较处理结果的地速类型和地质类型的一致性、吻合对应性程度选出最优结果。当地速类型与地质类型相同或类似的情况下比较波速差异幅度，相同位置处波速差异幅度越大，结果越可靠。当遇到缺少已知地质异常的情况时，可以通过物探异常产生的原理去分析选取。因为对于同一个模型而言，在不同观测系统、采集条件、处理方法等响应下，如果异常均能稳定地在某一结果中反映出来，那么该结果显然是较为可靠合理的，而那些具有偶然性异常的结果则相对不可靠。另外，应注意到TSP处理结果中的波速（包括其他力学参数）都不是真波速（绝对波速），而是视波速，不应该绝对地孤立考虑分析某个参数的数值大小，应该与相邻段的结果比较分析变化的相对大小，相邻段数值相对变化越大，表明相邻段围岩变化越大。
通过以上分析总结选取结果流程为：（1）根据已知确认的洞内外勘察资料、开挖揭露结果等进行地质类型分型;（2）根据处理结果的地速类型与地质类型一致性、吻合对应性程度选出最优结果;（3）当缺少已知确认的洞内外勘察资料、开挖揭露结果等无法进行地质类型分型时，可以根据处理结果的地速类型稳定性及相邻前后段异常差异大小选出最优结果。
3 实例分析讨论
3.1 工程概况及地质类型分类
拟建隧道为一特长分离式高速公路隧道，隧道区属于剥蚀中低山及岩溶峰丛洼地地貌，表层覆盖第四系残坡积层，下覆基岩为灰岩。本次TSP超前地质预报掌子面里程为YK31+013，由掌子面向大里程方向进行预报。YK31+013掌子面岩性主要为灰岩，灰白色、深灰色，以中风化为主，局部强风化，隐晶质结构，中-厚层状构造，岩体较完整-较破碎，岩质坚硬-较硬，层面光滑平整，延展性较差，充填方解石;发育于掌子面中上部的溶蚀裂隙产状200°∠75°，呈张开状，连续发育，结构面平整光滑，有溶蚀、铁锰侵染等现象，夹少量黏土，下伏岩体破碎，自稳能力差，有局部掉块现象，上部岩体较完整，局部稳定性差。在本次预报里程段为一个岩溶洼地范围，隧道上方地表为居民生活区，隧道埋深约30 m。岩溶洼地内有多个岩溶天窗和溶洞。YK31+040～YK31+110中线右侧区域内地表裸露灰岩溶蚀强烈，如溶穴、溶沟或溶牙等现象明显。受该岩溶洼地及溶蚀影响，YK31+040～YK31+120为出现岩溶溶蚀强发育、夹泥等围岩完整性及稳定性非常差的段落。
综合以上分析可得：本次TSP超前地质预报掌子面围岩整体完整性一般、自稳能力差，前方存在岩溶、软弱夹层等已知明显地质异常，是围岩完整性和自稳能力极差段。隧道穿越该段后进入山体基座，围岩完整性和自稳能力较前段变好，因此预报范围段地质类型为明显H型。
3.2 TSP超前地质预报法结果选择及解译
本次TSP超前地质预报法探测三分量接收传感器布置在YK30+963里程桩，R1接收器位于隧道左边墙，R2接收器位于隧道右边墙;设计24炮孔，位于隧道右边墙。进行了不同速度分析模型大小的数据处理，结果如图2所示，每个结果对应采集及处理参数见图注。以预报长度为150 m控制，对YK31+013～YK31+163段TSP波速结果进行分型。从图2可见：图2（a）、图2（b）结果为HK型;图2（c）结果为H型;图2（d）结果分段较多且较短、变化较为杂乱，无明显变化特征。
从已知地质情况可得：本次预测里程范围内主要地质异常为前方存在岩溶洼地、软弱充填层（夹层），相对的相邻无异常段为灰岩，在波速上表现为低速带，波速结果分型属于H型，中间段低速带越明显，地质异常越明显。因而，当从众多处理结果中选取一个最优结果时，应重点关注出现波速结果为H型且中间段低速越明显的结果，同时结合异常的平面位置进行选择。从TSP波速成果（图2）及前面波速结果进行分型可得：图2（d）结果无明显变化特征、波速形态不是H型，无法反映已知中间段低速带，与已知地质类型没有对应性，首先排除。图2（a）、（b）结果为HK型，这些结果前段、中段基本与地质类型有对应性，但是后段波速降低不合理，因为：（1）根据已知地质资料情况后段隧道位置已经进入山体基座，围岩完整性及稳定性不会比中间段已知低速带围岩完整性及稳定性差;（2）基于TSP探测原理，弹性反射波先遇到一个低速带，穿过一个相对高速带后再遇到一个低速带，反射波在第二个低速带反射回去被传感器接收到的可能性非常小。综合以上两个方面考虑可以排除图2（a）、（b）结果。图2（c）结果为H型，波速形态分明，中间低速带与相邻波速差异最大，分段界面与已知地质情况对应性好，是比较合理的结果，于是得到图2（c）为最优结果。另外，假设缺少已知确认的洞内外勘察资料、开挖揭露结果等无法知道预报范围段地质类型为明显H型，根据处理结果的地速类型稳定性及相邻前后段异常差异大小选出最优结果的原则也可以依次按照上述顺序选出图2（c）为最优结果。
根据图2（c）结果，并结合掌子面揭露情况、勘察和地质调查资料等进行解译：YK31+013～YK31+060段纵波波速整体较高，该范围内为中风化灰岩，岩体较完整，局部较破碎，溶蚀裂隙弱发育，围岩自稳能力一般，详细定级为Ⅳ级;YK31+060～YK31+096段纵波波速降低，局部波动，反射界面增多，该范围内为中风化-强风化灰岩，岩体较破碎-破碎，有软弱夹层分布，岩溶中-强发育，有溶蚀裂隙和较大规模溶洞发育，围岩自稳能力差，详细定级以Ⅴ级为主、局部Ⅳ级;YK31+096～YK31+142段纵波波速明显大幅度降低，反射界面明显，该范围内为中风化-强风化灰岩，岩体破碎，局部夹泥，有软弱夹层分布，岩溶强发育，有溶蚀裂隙和大规模溶洞发育，围岩自稳能力差，详细定级为Ⅴ级;YK31+142～YK31+175段纵波波速明显大幅度增大，反射界面明显，该范围内为中风化灰岩，岩体较完整，局部较破碎，局部有软弱夹层分布，岩溶弱发育，围岩自稳能力较差，详细定级以Ⅳ级为主、局部Ⅴ级。
3.3 开挖验证
在隧道开挖过程中紧密进行开挖揭露情况跟踪，图3为本次预报范围段不同里程处开挖照片。YK31+025段掌子面围岩情况与开展预报工作YK31+013段掌子面基本相同。YK31+061段掌子面岩体较破碎、节理裂隙和溶蚀较发育，局部出现夹泥，围岩完整性、自稳能力较YK31+025段掌子面差。YK31+089段掌子面岩体较破碎-破碎，岩溶中等-强发育，掌子面左下及中下部发育多处溶洞，发育于左下部的溶洞规模较大，洞径最大达到约2.0 m，向右边墙及拱顶发育，溶洞内充填物主要为碎石及黏土，受结构面影响控制，有构造、溶蚀裂隙发育，局部充填方解石，铁锰侵染，夹黏土，围岩完整性、自稳能力差。YK31+105段和YK31+120段掌子面岩体破碎-极破碎，有软弱夹层，岩溶和溶蚀强发育，整个掌子面发育多个非连通溶洞，洞径最大达到约3.2 m，溶洞向拱顶、底板及左边墙发育，洞内夹大量黏土，围岩完整性极差，无自稳能力，为预报范围内围岩完整性最差段。YK31+130段掌子面岩体破碎，岩溶弱-中等发育，在拱顶发育一个宽约1.0 m的管道型溶洞，向拱顶及左下部发育，溶蚀裂隙较发育，充填少量黏土，围岩完整性、自稳能力明显较YK31+120段掌子面好。YK31+150段和YK31+170段掌子面岩体较完整-较破碎，节理裂隙和溶蚀弱发育，局部充填黏土，围岩完整性、自稳能力一般，围岩完整性、自稳能力向开挖方向越来越好。通过预报结果与开挖结果对比分析可见：预报结果与开挖结果非常吻合，全面地、完整地把该段围岩完整性及自稳能力由好变差、再由差变好的过程预报出来，围岩分级段落分界与实际一致，对中间岩溶强发育、含软弱夹层不良地质体等低速段反映明显准确。
4 结语
（1）参照电阻率法中电测深曲线类型原则，提出了TSP波速结果地速分型及选择最优结果的方法，并将之应用到TSP超前地质预报数据处理及解译工作中。
（2）通过比较TSP数據处理结果的地速类型和地质类型的一致性、吻合对应性程度可选出最优结果。当地速类型与地质类型相同或类似的情况下比较波速差异幅度，相同位置处波速差异幅度越大，结果越可靠。当缺少已知确认的洞内外勘察资料、开挖揭露结果等无法进行地质类型分型时，可以根据处理结果的地速类型稳定性及相邻前后段异常差异大小选出最优结果。
（3）本文提出的TSP数据不同参数对比分析处理及选择最优结果原则方法是实用的和有效的，同样适用于其他环节数据处理和其他弹性波反射法工作中。
参考文献：
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