TGP地震預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中數(shù)據(jù)異常原因分析及處理措施

魏軍科,趙少?gòu)?qiáng),陳 濤,劉建國(guó)

(中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

TGP地震預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中數(shù)據(jù)異常原因分析及處理措施

魏軍科,趙少?gòu)?qiáng),陳 濤,劉建國(guó)

(中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

隧道施工常采用地震反射波法采集地震波數(shù)據(jù)，受施工進(jìn)度、地質(zhì)情況、現(xiàn)場(chǎng)配合、操作人員水平等因素限制，使得很多采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。為提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，避免出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，通過(guò)TGP地震預(yù)報(bào)技術(shù)在鐵路隧道工程中的應(yīng)用實(shí)踐，從觸發(fā)與裝藥、電壓(流)干擾、耦合不良、隧道管波、巖性變化5方面分析總結(jié)異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因，并提出相應(yīng)的處理措施：1)提高裝藥質(zhì)量；2)遠(yuǎn)離高壓電纜及設(shè)備；3)保證成孔質(zhì)量；4)做好注水和堵孔；5)重視基礎(chǔ)地質(zhì)工作。通過(guò)采取以上措施，達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)報(bào)前方地質(zhì)情況的目的。

隧道；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；TGP地震預(yù)報(bào)技術(shù)；數(shù)據(jù)異常

0 引言

地震反射波法是工程物探中最可靠的方法之一，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，該技術(shù)在寶中線(xiàn)頡河隧道、老爺嶺隧道、侯月線(xiàn)云臺(tái)山隧道和朔黃鐵路長(zhǎng)梁山隧道等鐵路隧道施工中都有成功應(yīng)用。受施工進(jìn)度、地質(zhì)情況、現(xiàn)場(chǎng)配合、操作人員水平等因素的限制，所采集的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)異常，從而影響后續(xù)的數(shù)據(jù)分析及處理。如果沒(méi)有高質(zhì)量的地震波數(shù)據(jù)，即使再好的處理手段和富有經(jīng)驗(yàn)的工程師，也無(wú)法準(zhǔn)確地進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，而高質(zhì)量地震波數(shù)據(jù)的采集是準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的前提和基礎(chǔ)。

原小帥等[1]研究了幾種常見(jiàn)的異常原始地震波波形特性和成因，并提出采取的相應(yīng)措施；金榮杰等[2]從檢波器、觀測(cè)系統(tǒng)、干擾波的排除、觸發(fā)方式和耦合方式5方面介紹了保證現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的方法；袁壯麗[3]論述了運(yùn)用TGP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和數(shù)據(jù)分析中可能出現(xiàn)的問(wèn)題和改進(jìn)措施；王曉川等[4]指出在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中產(chǎn)生異常信號(hào)的影響因素為外界脈沖信號(hào)干擾、電流干擾、不良耦合、管波干擾及裝藥質(zhì)量，結(jié)合工程應(yīng)用的反饋資料，分析預(yù)報(bào)結(jié)論產(chǎn)生誤差的原因，并提出解決措施；林朝旭[5]從激發(fā)裝置、接收裝置及參數(shù)選定3方面探討數(shù)據(jù)采集技術(shù)的重要性,并詳細(xì)闡述在堅(jiān)硬巖、硬巖及軟巖隧道預(yù)報(bào)中采集參數(shù)的選定方法，通過(guò)工程實(shí)例說(shuō)明如何獲得高質(zhì)量的地震波預(yù)報(bào)原始數(shù)據(jù)。以上研究大多數(shù)從實(shí)測(cè)角度分析異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因，未從理論上深入、全面地分析觸發(fā)、裝藥、孔口流水、耦合不良、孔內(nèi)注水及圍巖巖性變化對(duì)地震波原始數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響的原因，并未針對(duì)性地提出相應(yīng)的處理措施。

本文結(jié)合TGP地震預(yù)報(bào)技術(shù)在鐵路隧道工程中的應(yīng)用實(shí)踐，從觸發(fā)及裝藥、電壓(流)干擾、耦合不良、隧道管波、巖性變化5方面對(duì)TGP地震預(yù)報(bào)技術(shù)異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因進(jìn)行分析，并提出處理措施。

1 TGP預(yù)報(bào)原理

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Tunnel Geologic Prediction)，簡(jiǎn)稱(chēng)TGP系統(tǒng)。該系統(tǒng)在施工間隙采用人工震源激發(fā)地震波，根據(jù)地震波在巖體傳播過(guò)程中遇到波阻抗差異界面會(huì)發(fā)生反射波和繞射波的特性，采集地震波傳播的數(shù)據(jù)，提取由隧道前方界面返回的地震波信息，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，獲得三維空間的地質(zhì)構(gòu)造和巖性解釋。人工地震波是在激發(fā)孔中采用小藥量炸藥爆炸所產(chǎn)生，激發(fā)孔布置在隧道左壁或右壁的同一高度上，孔距為1.0～2.0 m，孔深為2 m，孔數(shù)一般為24個(gè)。地震波在三維空間傳播過(guò)程中，地震波記錄反射信號(hào)的傳播時(shí)間與到地質(zhì)界面的距離成正比，反射信號(hào)的幅度和極性與相關(guān)界面的性質(zhì)和產(chǎn)狀有關(guān)。通過(guò)分析各種波形的傳播時(shí)間、波形特征和幅度變化以及界面的空間產(chǎn)狀圖、偏移成果圖、比速度曲線(xiàn)和反射符號(hào)等成果，進(jìn)行隧道的相關(guān)地質(zhì)條件及圍巖物理力學(xué)參數(shù)的預(yù)報(bào)[6]。TGP系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 TGP系統(tǒng)工作原理示意圖

2 觸發(fā)及裝藥

地震波信號(hào)要求準(zhǔn)確與震源同步的條件下采集，嚴(yán)格做到觸發(fā)信號(hào)與震源同步，才能計(jì)算出圍巖速度。彈性波檢測(cè)常用的觸發(fā)方式有脈沖內(nèi)觸發(fā)計(jì)時(shí)方式、脈沖外觸發(fā)計(jì)時(shí)方式、回線(xiàn)感應(yīng)觸發(fā)計(jì)時(shí)方式和回線(xiàn)開(kāi)路觸發(fā)計(jì)時(shí)方式等。TGP系統(tǒng)采用回線(xiàn)開(kāi)路觸發(fā)計(jì)時(shí)方式，該方式是將回線(xiàn)綁扎在炸藥卷上，爆炸產(chǎn)生振動(dòng)傳播的同時(shí)炸斷回線(xiàn)觸發(fā)采集，與毫秒延遲雷管的延遲時(shí)間沒(méi)有關(guān)系。觸發(fā)延遲記錄如圖2所示，裝藥不均和觸發(fā)失敗記錄如圖3所示。地震波記錄整體性較好，但是存在以下現(xiàn)象：1)圖2第21道存在同相軸超前；2)圖3第14道未接收到地震波信號(hào)；3)圖3第9道和第12道記錄的幅度小。

圖2 觸發(fā)延遲記錄

圖3 裝藥不均和觸發(fā)失敗記錄

分析以上3種現(xiàn)象的原因：1)圖2第21道記錄延遲較明顯。其原因是藥卷上綁扎的信號(hào)線(xiàn)松動(dòng)或者松脫，造成藥卷爆炸的瞬間信號(hào)線(xiàn)沒(méi)有被炸斷，而是被遲后產(chǎn)生的爆炸氣流拉斷；因此，造成直達(dá)波時(shí)間短的異?，F(xiàn)象。2)圖3第14道觸發(fā)失敗。主要是由于裝藥時(shí)觸發(fā)線(xiàn)脫離藥卷，電雷管引爆而觸發(fā)線(xiàn)未斷。3)第9道和第12道記錄振幅明顯小于其他各道。其原因?yàn)樗幘碣|(zhì)量的分配不均，現(xiàn)場(chǎng)使用2號(hào)巖石乳化炸藥，單卷200 g，使用時(shí)一分為三，存在分配不均的問(wèn)題。

地震波記錄的觸發(fā)與裝藥緊密相關(guān)，裝藥質(zhì)量對(duì)記錄質(zhì)量起著重要作用。解決以上問(wèn)題可從3方面入手：1)用膠布纏緊綁有觸發(fā)線(xiàn)的藥卷，防止裝藥時(shí)乳化炸藥擠出或觸發(fā)線(xiàn)松脫；2)在聚能穴一側(cè)插入電雷管，并把聚能穴朝向孔底，增強(qiáng)對(duì)孔底的沖擊，增加橫波能量；3)采用精確計(jì)量工具，確定精確分段長(zhǎng)度。

3 電壓(流)干擾

鐵路隧道內(nèi)施工用電采用220/380 V“三相五線(xiàn)制”供電方式，動(dòng)力設(shè)備采用380 V電壓，作業(yè)地段照明電壓為36 V安全電壓，隧道進(jìn)尺較長(zhǎng)時(shí)需要高壓進(jìn)洞。若檢波器數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)纜與高壓電纜相距較近時(shí)，數(shù)據(jù)線(xiàn)就會(huì)感應(yīng)到高壓電流產(chǎn)生的干擾信號(hào)，并在地震波記錄上有所顯示，如圖4所示。第1道記錄振幅明顯大于其他各道，造成后續(xù)處理時(shí)道能量均衡的難題，如圖5所示。其原因?yàn)椋核淼辣埔话闶褂煤撩胙舆t電雷管，起爆時(shí)充電電壓瞬間需要達(dá)到上kV，同時(shí)產(chǎn)生很高的起爆電流，在起爆線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生瞬間強(qiáng)磁場(chǎng)，引起單道記錄振幅變大。從圖4和圖5中可以明顯地看到地震波的初至波前干擾較多，幅度較大，直達(dá)波初至選擇困難。這是由于激發(fā)孔注水時(shí)，水壓過(guò)大，孔中水流出，沿觸發(fā)線(xiàn)與同步線(xiàn)間的連接夾子流下，引起觸發(fā)感應(yīng)造成。

圖4 高壓干擾

圖5 起爆電流和孔口流水干擾

現(xiàn)場(chǎng)施工中可嘗試以下措施來(lái)克服干擾：1)地震波信號(hào)采集過(guò)程中盡量避免檢波器傳輸數(shù)據(jù)線(xiàn)與輸電電纜離得太近；2)觸發(fā)線(xiàn)遠(yuǎn)離高壓電纜和大功率用電設(shè)備，與放炮母線(xiàn)保持較遠(yuǎn)的距離，避免由此產(chǎn)生的電磁場(chǎng)干擾所采集的地震信號(hào)；3)注意觸發(fā)線(xiàn)夾緊同步線(xiàn)后，夾子避開(kāi)孔中的流水及雷管腳線(xiàn)與觸發(fā)線(xiàn)裸露的接頭，以減少直達(dá)波之前的干擾。

4 耦合不良

接收檢波器與鉆孔巖體密切接觸是保證地震波信號(hào)采集質(zhì)量的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)[7]。地震波超前預(yù)報(bào)中，需將檢波器放入深度為2 m的鉆孔中，這就需要檢波器通過(guò)某種方式或介質(zhì)與孔周巖體緊密接觸，以實(shí)現(xiàn)地震波的良好接收。TGP系統(tǒng)采用耦合劑使檢波器直接與鉆孔壁耦合，常用耦合劑為專(zhuān)制黃油卷。耦合不良記錄如圖6所示。圖6中，前7道記錄采集時(shí)孔內(nèi)未放置黃油卷，明顯可見(jiàn)記錄上“毛刺”較多，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差；隨后重新清孔后裝入黃油卷，后面13道記錄未出現(xiàn)“毛刺”，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較高?！懊獭钡男纬芍饕怯捎谠谑苷饤l件下，檢波器與圍巖耦合不良，產(chǎn)生高頻自震(寄生振蕩)，形成干擾波，干擾波與地震波信號(hào)同時(shí)被檢波器所接收引起。

圖6 耦合不良記錄

由于風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔時(shí)釬子較長(zhǎng)，鉆進(jìn)過(guò)程中容易“漂移”，導(dǎo)致鉆孔略有彎曲。在將黃油卷裝入孔中時(shí)，孔壁阻力引起黃油卷膨脹，形成活塞效應(yīng)，使黃油卷難以裝到孔底，即使強(qiáng)行裝到孔底，黃油沿程損失較多，導(dǎo)致耦合效果不良。解決這個(gè)問(wèn)題的措施有：1)鉆孔時(shí)盡量采用短的釬子，首選3 m長(zhǎng)的釬子；2)裝黃油前用高壓風(fēng)水清孔，保證孔道通暢；3)發(fā)現(xiàn)有縮孔、塌孔現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)擴(kuò)孔或重新鉆孔。

5 隧道管波

北京水電物探研究所所長(zhǎng)劉云禎研究發(fā)現(xiàn)，激發(fā)炮能量泄放到隧道內(nèi)的聲波被接收孔中的檢波器接收，成為地震記錄中的干擾波，并將其命名為“管波”(見(jiàn)圖7)。隧道管波分為2種形式:1)由激發(fā)炮孔直線(xiàn)傳播到檢波器，為直達(dá)隧道管波；2)泄放到隧道中的聲波經(jīng)對(duì)側(cè)洞壁反射再傳播到檢波器，形成反射隧道管波，為直達(dá)隧道管波后面的續(xù)至波。2種隧道管波在記錄上的時(shí)間差與隧道寬度有關(guān)，寬度大則時(shí)間差大。2種隧道管波的疊加部分黑色加重，表示干擾波的能量加強(qiáng)，干擾更為嚴(yán)重[8]。

圖7 隧道管波

隧道管波會(huì)嚴(yán)重影響預(yù)報(bào)結(jié)論的準(zhǔn)確性，為消除隧道管波的影響，在現(xiàn)場(chǎng)可采取以下措施。

1)注水。由于水的可壓縮性較差(在100 MPa作用下，水的密度變化僅為5%左右)，通常被作為不可壓縮介質(zhì)[9]，因此，炸藥在水中爆炸時(shí)，既有利于地震波傳播，又能減弱爆炸聲波向隧道內(nèi)泄放。

2)堵孔。堵孔分為2種。1)采用高衰減材料堵塞接收孔，使檢波器避免接收管波，現(xiàn)場(chǎng)采用專(zhuān)用橡膠塞周?chē)p上軟紙堵孔；2)采用炮泥或錨固劑堵塞激發(fā)孔，使激發(fā)能量很少泄放到隧道中。

3)增大偏移距。偏移距是炮點(diǎn)與接收點(diǎn)的最小距離，與預(yù)報(bào)距離有關(guān)。在滿(mǎn)足激發(fā)能量的條件下，偏移距增大時(shí)，管波到達(dá)時(shí)間隨之增大，推遲了它對(duì)有效反射回波的影響，增大了預(yù)報(bào)距離；偏移距過(guò)小，P波和S波的到達(dá)時(shí)間相差太小而無(wú)法分辨，直接影響S波(后續(xù)波)的讀時(shí)精度和速度的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作時(shí)，根據(jù)掌子面距二次襯砌端頭的距離，一般在20～30 m間選取。

6 巖性變化

在斷層影響帶、不整合接觸帶、隧道進(jìn)出口段施工時(shí)，巖石物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，當(dāng)激發(fā)孔剛好位于這些段落時(shí)，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較差。圖8和圖9為在隧道斜井洞口段左右邊墻分別打眼放炮采集到的數(shù)據(jù)。可以明顯地看到，2組數(shù)據(jù)極為相似，波形初至呈折線(xiàn)變化，同時(shí)，波形振幅大小極不均勻，表現(xiàn)出巖體軟硬相間的性質(zhì)，造成炮孔段基準(zhǔn)速度選取困難，而TGP系統(tǒng)是以炮孔布置段巖體的“視速度”參數(shù)為計(jì)算的依據(jù)[9]。根據(jù)地震回波的時(shí)間來(lái)預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)面的存在，容易導(dǎo)致預(yù)報(bào)結(jié)論產(chǎn)生距離誤差[10]。

圖8 紙坊隧道斜井左Fig.8 Data acquired from left side wall of inclined shaft of Zhifang tunnel

圖9 紙坊隧道斜井右Fig.9 Data acquired from right side wall of inclined shaft of Zhifang tunnel

在圖8和圖9中，紅線(xiàn)與綠線(xiàn)表示出激發(fā)炮孔段巖體速度存在較大差別，進(jìn)而引起巖體力學(xué)參數(shù)的差異(巖性變化段巖石力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1)。其原因?yàn)橛刹ㄐ纬踔练治鰩r性變化或不同風(fēng)化的變化，是依據(jù)初至波在“時(shí)間空間域”的斜率變化判斷的。在巖性變化段和風(fēng)化變化段，如何正確地選取初至波速是準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的關(guān)鍵，在該段，以記錄分析地震波傳播方向和傳播路徑上靠近紅線(xiàn)或綠線(xiàn)表示的速度為準(zhǔn)。如圖8和圖9中表現(xiàn)出洞口段縱波速度低(綠線(xiàn))，遠(yuǎn)離洞口的縱波速度高(紅線(xiàn))，可以得出預(yù)報(bào)處理中應(yīng)選擇相對(duì)高的速度(紅線(xiàn))參與計(jì)算。

在巖性交替變化段預(yù)報(bào)時(shí)可采取以下措施：1)做好基礎(chǔ)地質(zhì)工作，研讀工程地質(zhì)勘查資料和區(qū)域地質(zhì)志等，在前期預(yù)報(bào)時(shí)調(diào)整預(yù)報(bào)距離，人為將激發(fā)孔避開(kāi)這些段落布置；2)適時(shí)采取地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆探或電法地面勘查等手段作為輔助預(yù)報(bào)方法，充分發(fā)揮不同技術(shù)的長(zhǎng)處；3)做好地質(zhì)素描工作，建立圍巖性質(zhì)與波速關(guān)系，在處理數(shù)據(jù)時(shí)以此為據(jù)進(jìn)行校正[4]。

表1 巖性變化段巖石力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of rock in lithology changing section

7 結(jié)論與討論

隧道地震波預(yù)報(bào)技術(shù)是一種正在迅速發(fā)展的技術(shù)，在觀測(cè)方式、數(shù)據(jù)采集等理論與技術(shù)層面上尚有進(jìn)一步研究和改進(jìn)之處。在某鐵路隧道施工實(shí)踐中，采取了本文的數(shù)據(jù)采集方法，取得了較好的原始數(shù)據(jù)，節(jié)省了后期數(shù)據(jù)處理時(shí)間，并及時(shí)準(zhǔn)確地提供了有關(guān)掌子面前方和周?chē)刭|(zhì)條件變化的信息，預(yù)防了地質(zhì)災(zāi)害，保證了隧道施工的安全。但在鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，尚有以下需深入分析和研究的問(wèn)題。

1)隧道施工常見(jiàn)軟弱圍巖為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖段落，一般采用二臺(tái)階法開(kāi)挖，圍巖軟弱時(shí)，一般采用三臺(tái)階法。臺(tái)階法施工上臺(tái)階長(zhǎng)度很短，導(dǎo)致激發(fā)孔布置在上下臺(tái)階，很難布置在同一條水平線(xiàn)上，這與“炮檢互換”的基礎(chǔ)原理存在一些出入；地震波預(yù)報(bào)現(xiàn)場(chǎng)隧道一般需具有70～80 m的距離，而在軟弱圍巖段，二次襯砌距掌子面距離縮短，導(dǎo)致激發(fā)炮數(shù)量減少、炮孔距離減小、偏移距減小。這些問(wèn)題的出現(xiàn)，影響了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，間接地縮小了地震波超前預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用范圍。要解決以上問(wèn)題，就需要擴(kuò)展TGP系統(tǒng)的預(yù)報(bào)功能，以適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下對(duì)應(yīng)的不同施工方法，取得高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2)隧道開(kāi)挖后，隧底是否存在地質(zhì)隱患，如溶蝕巖溶或隱伏斷層等，對(duì)于隧道施工及運(yùn)營(yíng)安全至關(guān)重要。目前地震波法與電磁波法為隧底隱伏巖溶探測(cè)常用技術(shù)，地震波映像以地震波傳播過(guò)程中遇到界面發(fā)生反射、繞射和幅頻變化等特征，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的剖面調(diào)查，達(dá)到探測(cè)隧底未揭露地質(zhì)病害的目的，其采集方法和資料與地質(zhì)雷達(dá)類(lèi)似?？蓢L試將地震波映像技術(shù)與TGP地震波預(yù)報(bào)技術(shù)集成一起，拓展TGP系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)在裂隙發(fā)育、富水等復(fù)雜地質(zhì)條件下，既可以超前探測(cè)，又可以探測(cè)隧底隱伏地質(zhì)隱患，充分發(fā)揮綜合物探技術(shù)優(yōu)勢(shì)，多方位、高質(zhì)量地獲得原始數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地反映隧道地質(zhì)情況。

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AnalysisonAbnormalDatainTGPAdvanceGeologicalPredictioninTunnelingandCountermeasures

WEI Junke,ZHAO Shaoqiang,CHEN Tao,LIU Jianguo

(ChinaRailway7thBureauGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

Seismic reflection wave is widely used in advance geology prediction in tunneling.Due to the restrictions of construction schedule,geological condition,site cooperation and operators level,however,a lot of data acquired in TGP geology prediction are abnormal.In the paper,the causes for the abnormal data are analyzed in terms of triggering and charging,voltage (current) interference,coupling,tunnel tube wave and lithology changing,and countermeasures,including 1) improving the charging quality; 2) keeping TGP prediction far from high voltage cables and equipment; 3) ensuring the borehole quality; 4) doing a good job in water injection and hole plugging; 5) paying more attention to the basic geological works,are proposed.

tunnel; advance geology prediction; TGP seismic wave prediction technology; abnormal data

2014-02-11;

2014-03-24

魏軍科(1979—)，男，陜西咸陽(yáng)人，2009年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，土木工程專(zhuān)業(yè)，本科，工程師，從事隧道與地下工程技術(shù)管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.015

U 45

B

1672-741X(2014)05-0489-05