散射地震波CT技術(shù)在某隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

易 威，代 勇

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

1 情況介紹

隧道施工過程中經(jīng)常會(huì)遇到各種地質(zhì)災(zāi)害，這些災(zāi)害在設(shè)計(jì)勘察的時(shí)候通過地質(zhì)素描、超前鉆孔等手段進(jìn)行了一定程度的預(yù)測預(yù)報(bào)，但由于巖體的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)勘測結(jié)果有時(shí)會(huì)和實(shí)際情況有些差異，像遇到巖層斷裂破碎、富水淤泥、巖溶溶洞等災(zāi)害地質(zhì)時(shí)如果不能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，便會(huì)給工程造成較大損失。預(yù)報(bào)掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造和含水性，對(duì)保障施工安全具有重要作用，已成為隧道施工有效的技術(shù)環(huán)節(jié)。

目前隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)分為地質(zhì)方法和地球物理方法兩類。其中地質(zhì)方法包括地質(zhì)素描、超前鉆孔等，預(yù)報(bào)距離大概在15 m以內(nèi)，適合短程預(yù)報(bào)。物探方法包括地震反射法、瞬變電磁法等，電磁法更適合中程距離預(yù)報(bào)，當(dāng)前超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以地震反射波法為主。地震反射波法主要有 TSP，TGP，TRT，TST等各種方法，其中前三個(gè)主要基于反射理論，20世紀(jì)90年代初我國開始從瑞士引進(jìn)使用TSP法，該法與國內(nèi)近年來使用的TGP法相似都存在一些問題，如不能準(zhǔn)確分析前方圍巖波速，采用零偏移距不能有效濾除側(cè)向回波，不能區(qū)分不同方向的回波和消除側(cè)向干擾波，不能準(zhǔn)確確定掌子面前方圍巖波速分布和反射體的準(zhǔn)確位置，在沒有濾除干擾波的前提下進(jìn)行縱橫波分離和偏移成像，得到的結(jié)果往往不真實(shí)，使偏移圖像包含虛假信息。這些技術(shù)缺陷最終導(dǎo)致預(yù)報(bào)位置不準(zhǔn)確，構(gòu)造圖像不真實(shí)，給超前預(yù)報(bào)工作帶來更大的風(fēng)險(xiǎn)，造成預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確現(xiàn)象。而基于逆散射理論的CT成像技術(shù)(又叫TST技術(shù))則對(duì)以上問題能夠更好地解決，逆散射理論之所以好是因?yàn)樯⑸淅碚摼哂衅毡樾?，反射理論僅是散射面無窮大時(shí)的一種特殊情況，散射理論具有更高的分辨率。基于地震散射場理論，觀測系統(tǒng)采用空間布置方式，接收與激發(fā)系統(tǒng)布置在隧道兩側(cè)圍巖中。地震波由小規(guī)模爆破產(chǎn)生，并由地震檢波器同步接收。該方法可有效地判別和濾除側(cè)面和上下地層的地震回波，僅保留掌子面前方回波，運(yùn)用偏移疊加能量最大化原理確定最優(yōu)偏移速度，并能同時(shí)顯示地質(zhì)體的位置圖像。

2 散射地震波成像技術(shù)原理及觀測系統(tǒng)

2.1 技術(shù)原理

根據(jù)惠更斯—菲涅爾原理，當(dāng)振動(dòng)從某點(diǎn)激發(fā)向下傳播的過程中，地下任意一點(diǎn)都可以被當(dāng)作二次振源，也可以被當(dāng)作散射點(diǎn)。由該點(diǎn)發(fā)出的散射波在地表干涉、疊加最終被檢波器記錄。因此地震采集中記錄的信號(hào)并非單純的反射波，而是全波場，可以根據(jù)這一原理獲得散射模擬記錄。對(duì)于前方某個(gè)散射點(diǎn)，地震波從震源傳播到散射點(diǎn)，被散射點(diǎn)散射后，逆向散射部分從散射點(diǎn)傳播到地面，因此地面的每個(gè)接收點(diǎn)均能接收到來自散射點(diǎn)的信息。根據(jù)Bancroft和Geiger提出的等效偏移距偏移(EOM)的方法抽取共散射點(diǎn)道集，再應(yīng)用克?；舴蚍e分公式可對(duì)散射波進(jìn)行成像。通過對(duì)大量理論模型和實(shí)際資料的處理驗(yàn)證，應(yīng)用的散射信息越多，散射成像的效果越好，而且要好于反射波的成像結(jié)果。該預(yù)報(bào)系統(tǒng)是通過可視化地震反射成像技術(shù)預(yù)報(bào)隧洞掌子面前方150 m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，可推斷前方斷裂帶、破碎帶、巖溶發(fā)育帶以及巖體工程類別變化等地質(zhì)對(duì)象的位置、規(guī)模和性質(zhì)。該法充分運(yùn)用地震反射波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，具有巖體波速掃描、地質(zhì)構(gòu)造方向掃描、速度偏移成像、吸收系數(shù)成像、走時(shí)反演成像等多種功能，從巖體的力學(xué)性質(zhì)、巖體完整性等多方面對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)。其技術(shù)的核心包含5部分:①觀測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為減小面波干擾，應(yīng)將檢波器和震源埋入圍巖中深2 m以上;②地下三維波場分析識(shí)別、方向?yàn)V波與橫波分離，其檢波器布置在隧道兩側(cè)，滿足不同偏移距方向?yàn)V波要求，檢波器間距4～6 m，＜1/4地震波長，保證方向?yàn)V波精度，圖1為三維波場回波與方向?yàn)V波;③圍巖波速分析與地質(zhì)構(gòu)造位置的準(zhǔn)確確定;④地震資料運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)信息的全面運(yùn)用;⑤地質(zhì)構(gòu)造偏移成像與速度分布表述與解釋。

圖1 三維波場回波與方向?yàn)V波

2.2 觀測系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件主要由地震信號(hào)采集器、地震信號(hào)記錄器、檢波器及聯(lián)結(jié)系統(tǒng)、爆炸裝置等幾部分組成，詳見圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成

觀測系統(tǒng)的布置如下:①檢波器12個(gè)，布置在兩側(cè)壁內(nèi)，每側(cè)6個(gè)，間距4.0 m，埋深1.5 m;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24.0 m，埋深1.8～2.0 m，炸藥量400 g。③采用直徑50 mm風(fēng)鉆成孔，單發(fā)毫秒電雷管，采用起爆器控制起爆。④采用炮泥耦合封堵。詳見圖3。

圖3 CT成像技術(shù)激發(fā)與接收方式(單位:m)

具體方法如下:根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造的走向情況，在隧道的左、右兩側(cè)邊墻激發(fā)地震波，同時(shí)在隧道的兩側(cè)邊墻布置12個(gè)檢波器(地震加速度傳感器)接收，采集數(shù)據(jù)時(shí)，檢波器只接收來自掌子面前方縱波分量和橫向的剪切波分量的混合波，采用方向?yàn)V波算法濾除橫向剪切波，只保留來自掌子面前方縱波分量，采樣間隔可設(shè)置為 62.5 μs，記錄長度設(shè)置為 451.125 ms(7 218個(gè)采樣數(shù))，以保證采集到更高頻率的地震信號(hào)，確保探測的分辨率，最大預(yù)報(bào)距離為150 m。

隧道現(xiàn)場外業(yè)工作結(jié)束后隨即轉(zhuǎn)入室內(nèi)資料整理及解釋工作，通過對(duì)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析、整理并檢查和復(fù)核，即可對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、評(píng)價(jià)。TST室內(nèi)資料整理及解釋主要經(jīng)過地震記錄選取、地震數(shù)據(jù)預(yù)處理、觀測系統(tǒng)幾何位置編輯、地震波場方向?yàn)V波和分離、圍巖波速分析、地質(zhì)體偏移成像、綜合地質(zhì)解釋等過程，具體實(shí)現(xiàn)過程通過數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)TSTWIN完成。

3 某隧道地質(zhì)概況

某隧道為上、下行分離的四車道高速公路隧道，隧道沿線地貌單元為構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，海拔高度一般為90.2～290.1 m(區(qū)內(nèi)最高高程在 ZK50+860.0左130 m左右，高290.1 m，最低高程在隧道進(jìn)口處，約90.2 m)，相對(duì)高差為199.9 m。隧道走向與區(qū)內(nèi)山脊走向近于垂直。隧道進(jìn)、出口斜坡坡度較緩，一般為5°～55°，進(jìn)口 20°為主，出口 15°為主。區(qū)內(nèi)植被較發(fā)育，水土保持較好。下伏基巖主要為泥盆系帽峰山組砂巖、粉砂巖，進(jìn)出口溪流水位均低于隧道底高程。隧道所經(jīng)過地區(qū)在區(qū)域構(gòu)造上屬于粵中地塊，燕山期時(shí)期屬于加里東地槽褶皺帶，中、新生代屬于陸緣活化造山帶的一部分，出現(xiàn)了大面積的巖漿侵入。受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，斷裂構(gòu)造較發(fā)育，褶皺構(gòu)造欠發(fā)育，僅上古生界—中生界出現(xiàn)開闊型及部分閉合型褶皺，構(gòu)造線多為北東—南西向，部分為北西—南東和近東西方向。未發(fā)現(xiàn)新斷裂構(gòu)造和活動(dòng)斷裂;近代無中強(qiáng)震記錄，屬于相對(duì)穩(wěn)定地塊。適宜于高速公路的建設(shè)。

4 散射地震波CT技術(shù)在某隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果及解釋

CT成像技術(shù)的波速圖像與偏移圖像的地質(zhì)解釋遵從如下規(guī)則。速度分布可用于掌子面前方巖體的力學(xué)性狀的推斷，巖體波速高表示巖體結(jié)構(gòu)完整致密，彈性模量高;波速低代表巖體破碎，裂隙含水;構(gòu)造偏移圖像表示地質(zhì)結(jié)構(gòu)的組合圖像和地層性質(zhì)的變化。深灰色條紋表示巖體由硬變軟的界面，淺灰色條紋表示由軟變硬的界面，深灰—淺灰—深灰組合表明存在斷裂或不良地質(zhì)構(gòu)造帶。從偏移圖像中可以清楚地看到斷裂構(gòu)造、巖性界面的組合關(guān)系和地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖像。根據(jù)巖體波速的分布可對(duì)隧道圍巖的工程類別作出更詳細(xì)的推斷，結(jié)合區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征，對(duì)含水性、圍巖物理力學(xué)參數(shù)、處治方案提出建議，供施工中參考使用。

某隧道右線 YK50+996—YK51+146地質(zhì)體偏移圖像如圖4所示。圍巖波速分布見圖5。

利用上述地質(zhì)預(yù)報(bào)成果圖并結(jié)合地質(zhì)資料分析，可得出如下預(yù)報(bào)結(jié)果:

圖4 隧道地質(zhì)構(gòu)造偏移成像

圖5 圍巖波速曲線分布

某隧道右線YK50+996—YK51+017區(qū)段的地質(zhì)情況分為2段，第1段從 YK50+996—YK51+047，圍巖波速相對(duì)較低，其中YK51+010—YK51+027區(qū)段穩(wěn)定性和完整性較差;第2段從YK51+047—YK51+146，圍巖波速較高，巖體裂隙較少發(fā)育，穩(wěn)定性和完整性稍好，其中YK51+067—YK51+117區(qū)段圍巖完整性較差，詳細(xì)情況如表1所示。

推測該隧道右線YK50+996—YK51+146區(qū)段長度150 m范圍內(nèi)為IV級(jí)圍巖。

表1 某隧道右線地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果

5 結(jié)論

基于散射理論地震波CT成像技術(shù)是目前較為先進(jìn)的一種地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，解決了地震反射波法不能有效濾除側(cè)向回波和前方不良地質(zhì)體的準(zhǔn)確定位問題，通過散射地震波CT成像技術(shù)的運(yùn)用，提高偏移成像與速度分析分辨率，對(duì)某隧道巖石破碎地帶、節(jié)理裂隙發(fā)育及巖石風(fēng)化狀況進(jìn)行了判定，預(yù)報(bào)結(jié)果和開挖后結(jié)果對(duì)比，基本一致。為隧道安全施工提供了依據(jù)，避免不必要的工程損失和事故。

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