TST技術(shù)在某隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

馬小鋒，喬?hào)|華，任國(guó)宏，王朋朋

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001;2.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

1 興義I號(hào)隧道簡(jiǎn)介

興義I號(hào)隧道位于汕昆高速公路貴州境內(nèi)，隧址位于揚(yáng)子地臺(tái)與華南地臺(tái)的接壤部位，隸屬揚(yáng)子地臺(tái)西南邊界地帶，隧址區(qū)出露地層主要為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組下段(T1ya)白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r;表覆第四系坡積粘土夾少量角礫。

隧道為單洞雙車道小凈距短隧道。右洞起訖樁號(hào)為:K90+020～K90+345，全長(zhǎng)325 m;左洞起訖樁號(hào)為:ZK90+020～ZK90+325，全長(zhǎng)305 m。隧道圍巖主要以Ⅳ、Ⅲ為主，穿越白云質(zhì)灰?guī)r和泥灰?guī)r，存在巖溶、裂隙水，施工時(shí)出現(xiàn)淋雨?duì)罨蛴克疇畛鏊?/p>

綜上所述，興義Ⅰ號(hào)隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶發(fā)育，地下水豐富，巖體破碎，施工中容易引發(fā)工程災(zāi)害。因而在施工中開展地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，目的是探明隧道掌子面前方軟弱巖層的分布、節(jié)理裂隙發(fā)育帶、巖溶與涌水、突泥等不利地質(zhì)條件，判定不良地質(zhì)體的位置、形式、規(guī)模及其對(duì)施工的影響程度，提出預(yù)防措施與建議，以便指導(dǎo)施工，保證工程的安全和質(zhì)量。

2 超前預(yù)報(bào)方法的選擇和TST的技術(shù)特點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法有陸地聲納、負(fù)視速度法、HSP 水平剖面方法、TSP203、TGP206、TRT、TST等，都屬于地震法超前預(yù)報(bào)技術(shù)，以地震反射或散射理論為基礎(chǔ)，通過(guò)隧道內(nèi)的地震觀測(cè)反演掌子面前方的地質(zhì)情況。要達(dá)到準(zhǔn)確、可靠預(yù)報(bào)的目標(biāo)，必須有科學(xué)的觀測(cè)方案、可靠的資料處理方法、有效的反演方法和合理的技術(shù)流程，這些就構(gòu)成了超前預(yù)報(bào)的技術(shù)核心，也稱超前預(yù)報(bào)的理論問題。這些核心問題中最關(guān)鍵的是如何區(qū)分不同方向的回波，分離出前方回波，及如何可靠地確定前方圍巖速度分布，準(zhǔn)確確定地質(zhì)界面位置兩個(gè)問題［1］。TST技術(shù)(Tunnel Seismic Tomography)是隧道地震CT成像技術(shù)的簡(jiǎn)稱，它在深入地研究地下三維波場(chǎng)特征的基礎(chǔ)上，從觀測(cè)方案、三維波場(chǎng)分離、圍巖波速分析、散射波場(chǎng)原理、偏移成像等方面進(jìn)行了理論研究與軟件技術(shù)開發(fā)，成功地解決了超前預(yù)報(bào)的核心理論技術(shù)問題，成就了國(guó)際領(lǐng)先水平［2］。主要技術(shù)特點(diǎn)如下:

(1)觀測(cè)方式設(shè)計(jì)的原則滿足三方面的技術(shù)要求:一是滿足圍巖速度分析的要求;二是滿足三維波場(chǎng)識(shí)別、反向?yàn)V波的要求;三是盡量減少面波干擾。按上述要求，TST的觀測(cè)方式布置成二維陣列方式(圖1)，檢波器和炮點(diǎn)布置在一個(gè)平面內(nèi)，縱向長(zhǎng)40～60 m，橫向?qū)?5～20 m，分布成陣列，具有不同的橫向偏移距，在滿足速度分析和波場(chǎng)分離兩項(xiàng)要求的前提下最為簡(jiǎn)捷。

圖1 TST二維陣列觀測(cè)方式示意

(2)TST技術(shù)采用以線性波場(chǎng)分離為主的F－K或T－P變換方法更適合超前預(yù)報(bào)的特點(diǎn)，進(jìn)行波場(chǎng)識(shí)別與分離的效果更好。

(3)隧道掌子面前方圍巖波速的準(zhǔn)確確定十分重要，不但關(guān)系到對(duì)圍巖工程類別的判斷，更重要的是直接影響到地質(zhì)對(duì)象的準(zhǔn)確定位。TST使用偏移疊加能根據(jù)最大化原理確定最優(yōu)偏移速度，效果很好。

(4)目前的超前預(yù)報(bào)中應(yīng)用的理論主要為反射理論，如TSP203、TGP206、TRT等，僅TST技術(shù)使用散射理論。散射理論比反射理論具有更高的分辨率，減少斜交構(gòu)造和孤立體的漏報(bào)幾率。

(5)目前的超前預(yù)報(bào)技術(shù)中，TSP203、TRT、TGP206、TST等技術(shù)都使用偏移成像技術(shù)，但是像 TSP203、TRT、TGP206等技術(shù)不能提供準(zhǔn)確的速度，無(wú)法保證地質(zhì)界面位置的準(zhǔn)確定位。如果偏移成像之前不能正確地進(jìn)行波場(chǎng)分離，不能濾除干擾波，則偏移圖像中不可避免地包含虛假成分，造成誤報(bào)［1］。TST技術(shù)成功地解決了波速分析和波場(chǎng)分離兩個(gè)重要問題，保證了預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

3 興義I號(hào)隧道的TST現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)

根據(jù)TST技術(shù)的要求，興義I號(hào)隧道超前預(yù)報(bào)的現(xiàn)場(chǎng)采集布置參見圖2。

(1)檢波器12個(gè)，布置在兩側(cè)壁內(nèi)，每側(cè)6個(gè)，間距4 m，埋深1.8～2.0 m，靠近掌子面;

(2)爆炸震源6個(gè)，布置在兩側(cè)壁內(nèi)，每側(cè)3個(gè)，每側(cè)第1個(gè)炮孔距最近檢波器4 m，其余2個(gè)間距24 m，埋深1.8～2.0 m，炸藥量450 g，遠(yuǎn)離掌子面;

(3)成孔采用60風(fēng)鉆成孔，單發(fā)毫秒雷管，采用啟爆器控制啟爆;

(4)采用炮泥耦合和封堵。

圖2 興義I號(hào)隧道TST觀測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置

本次超前預(yù)報(bào)使用的TST硬件系統(tǒng)主要由地震記錄器、信號(hào)分離器、拉拔式IC加速度檢波器及信號(hào)電纜組成。信號(hào)分離器承擔(dān)檢波器直流供電和交直流信號(hào)分離的作用，IC檢波器是具有內(nèi)置放大器的壓電晶體檢波器，傳輸距離可達(dá)250 m，爆炸作為地震波信號(hào)震源。各部裝置連接參見圖3。

圖3 TST系統(tǒng)硬件組成與連接

4 TST超前預(yù)報(bào)的資料處理過(guò)程

TST超前預(yù)報(bào)技術(shù)的資料處理主要經(jīng)過(guò)下列幾個(gè)環(huán)節(jié)，首先是對(duì)接收點(diǎn)和激發(fā)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行輸入和編輯;接下來(lái)是采用F－K二維方向?yàn)V波技術(shù)濾除側(cè)向和后向回波及面波，提取前方回波;第三是使用不同橫向偏移距的前方回波進(jìn)行速度掃描，依據(jù)疊加能量最大化判定原理確定各段圍巖的最優(yōu)波速分布;最后，使用前方回波記錄和速度分布進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造的偏移成像。TST提供的預(yù)報(bào)結(jié)果包括構(gòu)造偏移圖像和圍巖波速分布圖像兩部分，它們相互印證，便于分析構(gòu)造和圍巖類別劃分及綜合地質(zhì)解釋。據(jù)此，再結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行解釋和預(yù)報(bào)。上述處理過(guò)程中關(guān)鍵的技術(shù)有三個(gè)，分別是三維波場(chǎng)的識(shí)別與方向?yàn)V波、圍巖波速分析和構(gòu)造偏移成像三部分［2］。

TST超前預(yù)報(bào)的解釋根據(jù)處理結(jié)果提供的地質(zhì)偏移圖像和速度分布曲線，再結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行解釋預(yù)報(bào)。

5 興義I號(hào)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果

以興義I號(hào)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)右洞K90+242～K90+345段為例，本次觀測(cè)共得到有效觀測(cè)記錄6炮72道，處理后得到興義I號(hào)隧道右線出口K90+242～K90+345地質(zhì)體偏移圖像、圍巖波速曲線圖參見圖4、圖5。

TST地質(zhì)構(gòu)造偏移成像圖中，橫坐標(biāo)為隧道里程，縱坐標(biāo)為隧道橫向距離。

圖4 興義I號(hào)隧道偏移成像成果

圖5 興義I號(hào)隧道圍巖速度曲線分布

利用上述成果圖并結(jié)合地質(zhì)資料分析得出以下預(yù)報(bào)結(jié)果:興義I號(hào)隧道進(jìn)口右線K90+242～K90+345段的地質(zhì)情況可分成三段:

第一段從K90+242～K90+263，從圍巖速度分布曲線上可以看出波速偏低;從隧道偏移成像圖上可以看出該段存在明顯的界面密集帶，節(jié)理裂隙極發(fā)育，特別是K90+256～K90+263處出現(xiàn)一反射界面，推測(cè)該位置圍巖巖性或巖質(zhì)可能發(fā)生變化，節(jié)理發(fā)育，建議圍巖級(jí)別為IV級(jí);

第二段從K90+263～K90+306，波速較高，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，為中～弱風(fēng)化基巖，建議圍巖級(jí)別為II級(jí);

第三段從K90+306～K90+345，波速明顯降低，為強(qiáng)風(fēng)化基巖，巖質(zhì)偏軟，穩(wěn)定性較差，建議圍巖級(jí)別為IV級(jí)。

結(jié)合地質(zhì)資料及預(yù)報(bào)結(jié)果整體來(lái)看，預(yù)報(bào)段地下水不發(fā)育，且無(wú)溶蝕跡象。

詳細(xì)情況見表1。

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綜合分析，本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)隧洞段(K90+242～K90+345)，總體上圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)構(gòu)造斷層及溶洞發(fā)育等重大不良地質(zhì)。

其中掌子面前方K90+256至K90+263附近重點(diǎn)關(guān)注圍巖巖性或巖質(zhì)可能發(fā)生變化，提前做好支護(hù)。

實(shí)際開挖驗(yàn)證，K90+260圍巖發(fā)生變化，巖質(zhì)變硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，另外，K90+308圍巖巖質(zhì)變軟，節(jié)理裂隙比前段有了明顯的發(fā)育，穩(wěn)定性開始變差。

6 結(jié)束語(yǔ)

本次隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用TST技術(shù)，基本查明了預(yù)報(bào)范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，探明了隧道掌子面前方巖性及軟弱巖層的分布范圍和規(guī)模以及節(jié)理裂隙發(fā)育情況，并且通過(guò)開挖驗(yàn)證得到了證實(shí)。

TST技術(shù)在興義I號(hào)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的成功應(yīng)用，指導(dǎo)了施工，對(duì)隧道支護(hù)參數(shù)的及時(shí)調(diào)整提供了依據(jù)，從而確保了隧道的安全。

［1］趙永貴，蔣輝.TSP203超前預(yù)報(bào)技術(shù)的缺陷與TST技術(shù)的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)，2008，5(3):266 －273

［2］趙永貴.中國(guó)工程地球物理研究的進(jìn)展與未來(lái)［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2002，17(2):301 －304

［3］劉志剛，趙勇.隧道隧洞施工地質(zhì)技術(shù)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2001

［4］曲海鋒，劉志剛，朱合華.隧道信息化施工中綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(6)