富水?dāng)鄬悠扑閹淼莱邦A(yù)報(bào)的地震波三維層析成像應(yīng)用研究

孫立軍

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250000)

·隧道與建設(shè)工程·

富水?dāng)鄬悠扑閹淼莱邦A(yù)報(bào)的地震波三維層析成像應(yīng)用研究

孫立軍*

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250000)

富水?dāng)鄬悠扑閹У某邦A(yù)報(bào)是隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的重要內(nèi)容之一，依托某在建隧道工程，通過現(xiàn)場測試試驗(yàn)，研究了地震波三維層析成像方法的應(yīng)用技術(shù)，總結(jié)了現(xiàn)場測試的基本步驟、富水?dāng)鄬悠扑閹У牡刭|(zhì)解釋判別特征，成果對于富水?dāng)鄬悠扑閹淼莱邦A(yù)報(bào)具有參考意義。

富水?dāng)鄬悠扑閹В凰淼朗┕?；地質(zhì)超前預(yù)報(bào)；地震波三維層析成像

1 概述

隧道施工中的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)關(guān)系到工程的安全、質(zhì)量和進(jìn)度,因而倍受關(guān)注，特別是在地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道工程中，必需進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作[1-2]。隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)要解決的問題主要有3個(gè)方面，包括斷裂、溶洞、破碎帶等不良地質(zhì)對象的性質(zhì)、規(guī)模的判定，不良地質(zhì)體的位置及產(chǎn)狀的確定;巖體工程類別化的識別等內(nèi)容，由于隧道內(nèi)可供觀測的空間位置有限，觀測方案受到限制,因而要準(zhǔn)確地達(dá)到預(yù)報(bào)的要求難度很大[3-4]。多年來國內(nèi)外在不斷地改進(jìn)探測技術(shù)和分析方法，試圖提高預(yù)報(bào)的可靠性和精度，已經(jīng)取得了很多成功的經(jīng)驗(yàn)，但是目前的技術(shù)水平在預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性和可靠性方面還有待提高。目前地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作使用的方法包括以下幾種：工程地質(zhì)調(diào)查與推斷、水平鉆孔法、地質(zhì)雷達(dá)探測、反射地震和地震CT等[5]。

2 地震反射波層析成像原理

地震波三維層析成像技術(shù)利用地震波反射原理，采用地震層析成像及全息巖土成像技術(shù)，生成地層結(jié)構(gòu)的全息三維圖，準(zhǔn)確、全面、直觀地預(yù)報(bào)隧道前方的地質(zhì)情況。當(dāng)?shù)卣鸩ㄏ蚯皞鞑ミ^程中遇到聲學(xué)阻抗差異（密度和波速的乘積）界面時(shí)，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)的不連續(xù)界面。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，通過分析，用來了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等）、位置及規(guī)模。正常入射到邊界的反射系數(shù)計(jì)算公式如下：

假設(shè)R為反射系數(shù)，ρ1、ρ2為巖層的密度，V等于地震波在巖層中的傳播速度。地震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到一個(gè)高阻抗物質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)是正的；反之，反射系數(shù)是負(fù)的。因此，當(dāng)?shù)卣鸩◤能泿r傳播到硬的圍巖時(shí)，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當(dāng)巖體內(nèi)部有破裂帶時(shí)，回波的極性會(huì)反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學(xué)阻抗差別越大，回波就越明顯，越容易探測到。TRT6000采用層析掃描成像技術(shù)，形成立體、直觀的三維立體圖，立體圖中的反射邊界每一點(diǎn)離散圖像是由空間疊加所有地震波形計(jì)算得來，地震波三維探測原理和地震波信號采集如圖1所示。

圖1 地震波三維探測原理

三維地震波層析技術(shù)用地震波反射來獲得地質(zhì)狀況三維圖的原理是以每個(gè)震源和地震信號傳感器組的位置為焦點(diǎn)，與所有可能產(chǎn)生回波的反射體可以確定一個(gè)橢球。足夠多數(shù)量的震源和地震信號傳感器組對會(huì)形成一個(gè)三維數(shù)組，每個(gè)界面或者反射的地層位置可以由這些眾多橢球的交匯區(qū)域所確定。實(shí)際上，反射邊界每一點(diǎn)離散圖像的計(jì)算包括由所有震源和地震信號傳感器組所對應(yīng)的三維巖體空間中選定的區(qū)塊。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 測試方法

布設(shè)地震波數(shù)據(jù)觀測系統(tǒng)時(shí)，傳感器需要布置在隧道拱頂及邊墻上，呈三維空間分布10個(gè)傳感器，用以接收震源激發(fā)的彈性波信號。如圖2所示，首先在距離最后一個(gè)震源點(diǎn)約10m處開始布置，左右邊墻各布置4個(gè)，每隔5m（里程方向）布置1個(gè)，隧道中心線拱頂處布置2個(gè)。震源點(diǎn)布置在靠近掌子面（2～5m）的兩側(cè)邊墻上，震源點(diǎn)選擇在凝固成型的初支或穩(wěn)固的圍巖上，兩側(cè)各布置2組共12個(gè)震源點(diǎn)，每組沿豎向（高程方向）布置3個(gè)震源點(diǎn)，每個(gè)震源點(diǎn)高差大約1m，2組間隔2m（沿里程方向）。

圖2 傳感器及震源的典型布置

現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集是三維地震層析技術(shù)應(yīng)用的最重要組成部分之一，其可靠性主要取決于所選工作儀器及儀器采集參數(shù)、測試方式和解譯結(jié)果?，F(xiàn)場探測采用TRT6000系統(tǒng)，其由觸發(fā)器、傳感器、無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集模塊、基站、主機(jī)及處理軟件等部分組成。

試驗(yàn)實(shí)施流程如下：

（1）選擇震源點(diǎn)及傳感器位置。震源點(diǎn)與傳感器點(diǎn)原則上按照前述布置方法布設(shè)，傳感器的最高與最低位置差值必須大于2.5m，這樣才能有效地接收三維地震波數(shù)據(jù)。傳感器與隧道側(cè)壁要緊密結(jié)合，安裝好所有的傳感器，等待耦合劑完全凝固，得到最佳耦合效果。所有布置的傳感器點(diǎn)及震源點(diǎn)的坐標(biāo)均要測量，建議采用全站儀測量大地坐標(biāo)，可以選擇激光測距儀測量相對坐標(biāo)，所有坐標(biāo)測量誤差少于5cm。

（2）建立基站,連接電腦，初始化采集程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。設(shè)備正確連接后，打開計(jì)算機(jī)，運(yùn)行采集程序，開始工作。原則要求每個(gè)傳感器及無線傳輸模塊都運(yùn)行正常才開展預(yù)報(bào)工作。使用重錘錘擊指定的震源點(diǎn)激發(fā)地震波，同一組錘擊的位置不可改變。錘擊觸發(fā)時(shí)必須用力錘擊震源點(diǎn)，一次激發(fā)成功，才能獲得最佳的彈性波傳播能量。對震源點(diǎn)錘擊觸發(fā)，采集數(shù)據(jù)，每個(gè)測點(diǎn)采集3次，并且要求每次震源錘擊能量大小近似一致。

（3）數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理是地震波隧道施工地質(zhì)超前探測技術(shù)中最為重要的環(huán)節(jié)，其主要作用是將采集到的地震波數(shù)據(jù)，經(jīng)一系列相關(guān)數(shù)據(jù)處理手段，提取出其中與測試目的有關(guān)的有效信息，并最終解釋出掌子面前方巖體縱、橫波速度變化特性以及不良地質(zhì)體的賦存形式、規(guī)模大小、分布范圍以及產(chǎn)狀特征等信息，為隧道探測的數(shù)據(jù)判釋提供基礎(chǔ)。

探測系統(tǒng)的反射體空間位置采用給定的限定一個(gè)三維空間橢球體的兩通道傳播時(shí)間來定位。由于數(shù)量足夠的地震發(fā)射源和接收傳感器構(gòu)成三維排列，因此每一邊界地震反射波可確定成一個(gè)曲面，在該曲面上，對發(fā)射源和接收傳感器，多數(shù)橢球體交切。因此，理論上可對巖土體中的每一格點(diǎn)的反射或散射作用進(jìn)行重現(xiàn)。就一個(gè)單獨(dú)的反射或散射異常體影像，包含所有地震發(fā)射源和接收傳感器的巖石場地的選擇塊體內(nèi)的每一個(gè)三維網(wǎng)格點(diǎn)。對每一網(wǎng)格中點(diǎn)的影像，采用疊加所有地震波來計(jì)算離散體，每一波形相應(yīng)變換為由經(jīng)該格點(diǎn)的發(fā)射源到接收傳感器的總距離。對勘察塊體的離散體，變換采用確定的速度模塊來計(jì)算。采用這種方法，最終影像類似于全息重構(gòu)。調(diào)整格點(diǎn)間距可提高影像的分辨率，記錄地震波的最短波長決定分辨率的高低，控制影像范圍的塊體的維數(shù)與成像的期望分辨率成反比關(guān)系，這取決于控制在預(yù)定塊體內(nèi)生成影像所需時(shí)間。

初始速度模塊是通過速度層析外推求出直達(dá)波和其他有效資料（速度測量值、地質(zhì)資料，已知空洞）來建立。隧道開挖前移時(shí)，速度模塊應(yīng)根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和巖土地質(zhì)成圖實(shí)際情況及觀測到的巖石條件間的比較結(jié)果連續(xù)進(jìn)行適時(shí)修正和改進(jìn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在貴州某在建工程和平隧道為依托進(jìn)行了現(xiàn)場測試實(shí)驗(yàn)。隧道位于甕安縣和平村，隧道圍巖為寒武系婁山關(guān)群（∈2-3Ls）白云巖、二疊系梁山組（P1l）頁巖、茅口棲霞組（P1m+q）灰?guī)r、二疊系峨眉山組（P2β）玄武巖及二疊系吳家坪組（P2w）灰?guī)r。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，隧道施工風(fēng)險(xiǎn)較大。

探測試驗(yàn)得到隧道里程DK842+735掌子面前方150m內(nèi)的地質(zhì)體地震波三維全息圖像顯示，預(yù)報(bào)范圍為150m，寬度為中心線左右各20m，高度為40m：

（1）DK842+735～DK842+695段(40m)：圍巖基本分級為Ⅴ-Ⅳ級（設(shè)計(jì)基本分級為Ⅴ-Ⅳ級）。

該段范圍內(nèi)圍巖破碎，圍巖完整性和穩(wěn)定性差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，存在軟弱巖層或滲水點(diǎn)，其中D1K842+ 710～D1K842+695范圍存在明顯低速異常區(qū)，推測為富水溶腔或破碎帶。

（2）DK842+695～DK842+655段(40m)：圍巖基本分級為Ⅳ級（設(shè)計(jì)基本分級為Ⅳ級）。

該段范圍內(nèi)圍巖破碎，圍巖穩(wěn)定性和完整性差，節(jié)理和裂隙發(fā)育，裂隙含水，可能存在與隧道軸線斜交的斷裂面。

（3）DK842+655～DK842+585段(70m)：圍巖基本分級為Ⅳ級（設(shè)計(jì)基本分級為Ⅳ級）。

該段范圍內(nèi)圍巖破碎，圍巖完整性差，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，局部存在含水裂隙。

經(jīng)開挖驗(yàn)證，2012年1月隧道出口上臺階掌子面施工至DK842+697時(shí)，掌子面開始涌水涌泥，施作超前孔過程中鉆桿多次被泥水從鉆孔中頂出，鉆桿拔出后有泥漿噴出，噴出物為流塑狀粘性土，有臭味。泥漿噴射距離最遠(yuǎn)約15m,根據(jù)噴射壓力分析溶腔高度及規(guī)模較大。見圖3、圖4。

圖3 鉆孔涌出泥漿

圖4 上臺階底部涌泥

4 主要結(jié)論

通過現(xiàn)場試驗(yàn)及對比分析，富水?dāng)鄬悠扑閹У牡卣鸩ㄈS層析成像地質(zhì)解譯特征如下：斷層破碎帶在成果圖中斷裂面兩側(cè)圖形互相錯(cuò)開，沿?cái)嗔衙鎯蓚?cè)巖性差異明顯，節(jié)理或裂隙面在斷裂面處尖滅或錯(cuò)斷，如果地震波反射進(jìn)行效益增大處理，中線兩邊的圖形會(huì)加深加長，中間白色空隙會(huì)更加明顯。根據(jù)異常區(qū)域圖像相對于圍巖背景，從背景波速分析異常的縱波、橫波波速差異，進(jìn)而判斷圍巖類別。成像圖解釋要從從整體上考慮，不能單獨(dú)參照一個(gè)斷面的圖像。對圍巖類別的判斷必須與地質(zhì)情況相結(jié)合，綜合分析。

[1]肖書安，吳世林.復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道地質(zhì)超前探測技術(shù)[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2004(2)：63-69.

[2]牛建軍.地震波隧道施工地質(zhì)超前探查系統(tǒng)研究[D].吉林大學(xué)，2006.

[3]何發(fā)亮，李蒼松.隧道施工期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2001.

[4]陳建峰.隧道施工超前預(yù)報(bào)技術(shù)比較[J].地下空間，2003，23（3）：3.

[5]薛建，曾昭發(fā).隧道掘進(jìn)中掌子面前方巖石結(jié)構(gòu)的超前預(yù)報(bào)[J].長春科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，30(1)：87-89.

圖1 連接鉤繩

如有藥卷卡在孔中可以采用自制掏桿（圖2）進(jìn)行進(jìn)行取藥，掏桿使用25mmPPR管材，兩端使用常用水管連接頭熱熔連接，每根長為4m，底端使用鐵絲做成鉤狀。用于勾住藥卷包裝皮，順利提到孔外。

（5）改進(jìn)填塞質(zhì)量。在爆破過程中，我們還發(fā)現(xiàn)水孔爆破時(shí)，炮孔填塞質(zhì)量是影響爆破質(zhì)量的一個(gè)重要因素。通常爆破時(shí)所用填塞料都是液壓鉆機(jī)穿孔排出的巖渣，用其填塞干孔和含水較少的炮孔是比較適合的，但用來填塞含水較多的炮孔時(shí)，巖渣就會(huì)被水和成稀泥，使填塞質(zhì)量大大打了折扣，爆破時(shí)極易產(chǎn)生沖天炮，使爆炸能量過早地從炮孔上部泄漏，特別容易產(chǎn)生根底和大塊。因此，對于含水較多的炮孔，填塞料的選用十分關(guān)鍵，在生產(chǎn)實(shí)踐過程中用細(xì)小石子填塞效果較好，并用裝有巖渣的廢炸藥袋壓在填塞完畢的孔口，起增長堵塞長度的目的，實(shí)際觀察效果較好。

（6）爆破效果。上述改善水孔爆破效果的技術(shù)措施于2014年在瑯琊山礦開始實(shí)施，以往常見的爆破根底現(xiàn)象得到明顯好轉(zhuǎn)，爆堆底部根底較少，大塊率下降，臺階平盤平整且無抬高現(xiàn)象，方便了設(shè)備的鏟裝和運(yùn)輸。提高工作效率，大大減少成本。

圖2 自制掏桿

5 總結(jié)

（1）通過對水孔處理措施的實(shí)施，有效地抑制了水孔給爆破施工帶來的不利影響，消除因部分區(qū)域裝藥量不夠造成根底多的現(xiàn)象，降低根底處理費(fèi)用，同時(shí)提高了鏟裝運(yùn)效率。

（2）通過裝藥過程對自制工具鉤子和掏桿的應(yīng)用，裝藥不連續(xù)現(xiàn)象大大減少，杜絕此類原因引起的拒爆、盲炮現(xiàn)象，提高了礦山生產(chǎn)安全。

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1004-5716(2015)11-0158-04

2015-04-17

2015-06-05

孫立軍（1981-），男（漢族），山東泰安人，工程師，現(xiàn)從事軌道交通施工與管理工作。