地震波反射法（TSP）在楊家峪隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用

王麗仙

摘 要：隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)是以地質(zhì)分析法為基礎(chǔ)，對預(yù)報目的和復(fù)雜地段地質(zhì)情況，應(yīng)當(dāng)從技術(shù)和經(jīng)濟層面進行分析比較以便選出符合現(xiàn)場實際情況的方法或是多種方法的合理組合，以實現(xiàn)準確、高效、經(jīng)濟性的目標。本文結(jié)合張?zhí)畦F路楊家峪隧道的現(xiàn)場實際情況，甄選了采用地震波反射法的施工方法來達到超前預(yù)報目的施工方法。

關(guān)鍵詞：地震波反射法；超前地質(zhì)預(yù)報；隧道

中圖分類號：U456 文獻標識碼：A

0.引言

隧道超前地質(zhì)預(yù)報是指隧道開挖掌子面前方圍巖的地質(zhì)情況、不良地質(zhì)體的位置、工程性狀、水文地質(zhì)狀況等進行信息采集，并加以分析，為隧道支護參數(shù)的調(diào)整和安全預(yù)案的準備提供可靠的依據(jù)，確保隧道施工及結(jié)構(gòu)安全、優(yōu)化設(shè)計、實現(xiàn)信息化施工。地震波反射法：通過人工激發(fā)的地震波在不均勻地質(zhì)體中的傳播特性以此來對隧道前方的地質(zhì)情況進行判別的方法。該法屬多波多分量探測技術(shù)，適用于劃分不同地層的界線、查找預(yù)期地質(zhì)構(gòu)造、探測預(yù)報不良的地質(zhì)體的厚度和范圍。

1.工程概況

楊家峪隧道：位于河北省唐山市境內(nèi)，地處剝蝕丘陵區(qū)，地形起伏較大，丘間溝谷多呈“V”型.隧道范圍內(nèi)地表基巖裸露，為薊縣系霧迷山組（JXW）白云巖，局部地表覆蓋第四系上更新統(tǒng)坡洪積薄層粗角礫土。粗角礫土，黃褐色、稍濕、中密、顆粒成分由白云巖、石英巖組成，其中充填物由黏性土及砂粒組成。白云巖，強風(fēng)化～弱風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，礦物成分以白云巖為主，節(jié)理較發(fā)育。隧道內(nèi)地下水類型為基巖裂隙水，補給主要為大氣降水，洞內(nèi)賦存少量的基巖裂隙水。

2.預(yù)報內(nèi)容

結(jié)合本隧道的工程、水文地質(zhì)條件以及工程特點，開展的預(yù)測預(yù)報內(nèi)容工作如下：

（1）不同巖性接觸帶的位置情況，巖層風(fēng)化程度、接觸帶巖體破碎程度、地下水發(fā)育及賦存情況；

（2）隧道的圍巖級別變化發(fā)展趨勢；

（3）巖溶發(fā)育程度、分布范圍、形態(tài)及隧道的相互關(guān)系；

（4）煤系地層瓦斯突出情況。

3.地震波反射法（TSP）預(yù)報原理、方法、特點及步驟

3.1 TSP原理、方法

TSP方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法。在應(yīng)用地震波時地震波由分布在隧道左右墻邊位置的約24個爆破點進行激發(fā)。地震波在穿透非均勻地質(zhì)體如（巖性變化、斷層、破碎帶等）時一部分的地震波會由于介質(zhì)密度的變化而產(chǎn)生反射（如圖1所示），余下的地震波將會繼續(xù)前進進入到前方介質(zhì)中。通過對反射回來的地震波信號使用高靈敏度地震檢波器進行接收并記錄。對記錄的地震波數(shù)據(jù)使用相應(yīng)的軟件進行處理，從而構(gòu)建起前方的地層情況，使用地震波技術(shù)還能夠?qū)λ淼狼胺降牡刭|(zhì)體性質(zhì)（如軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等）和位置進行預(yù)報，通過預(yù)報可以與前期所勘測的數(shù)據(jù)進行對比以判斷掌子面前方圍巖級別與設(shè)計圍巖級別是否相符，從而實現(xiàn)對于圍巖的進一步分級優(yōu)化，對于隧道施工所容易產(chǎn)生的（如坍塌、突泥、突水等）的地質(zhì)災(zāi)害進行預(yù)報。

3.2 儀器

采用TSP 203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)設(shè)備。

系統(tǒng)設(shè)備等主要組成：

（1）記錄單元

12道，24位A/D轉(zhuǎn)換，采樣間隔為62.5μs、125μs，最大的記錄長度1808.5ms，記錄帶寬為8000Hz和4000Hz，動態(tài)范圍為120dB。

（2）接收器（檢波器）

三分量加速度地震檢波器，頻率范圍0.5Hz～5000Hz，靈敏度1000mV/g±5%，共振頻率9000Hz，橫向靈敏度>1%，操作溫度在0℃～65℃之間。

（3）TSPwin軟件

數(shù)據(jù)的采集和處理一體化，具備高度的智能性。

3.3 觀測系統(tǒng)設(shè)計

掌子面的里程為隧道DK403+090處，沿隧道側(cè)壁均勻密布約24個爆炸點，采用一臺高精密接收器接收地震波。TSP探測觀測系統(tǒng)的設(shè)計理論和示意圖分別如下表1和圖2所示。某工程爆炸點分布見表2。

3.3.1 觀測系統(tǒng)布置示意圖（如圖2所示）

3.3.2 儀器采集參數(shù)

對于采集到的地震波采用X-Y-Z三分量，采樣周期為62.5μs，采樣持續(xù)時間451.125ms（7218采樣數(shù)）。對于爆炸點需要采用防水乳化炸藥，設(shè)置無延遲時的瞬發(fā)電雷管，裝藥量大約為100g。

3.3.3 附圖（圖3～圖8）

4.資料數(shù)據(jù)分析

4.1 數(shù)據(jù)分析的原則

主要根據(jù)以下的原則對處理成果的解釋與評估：

①激發(fā)的地震波的振幅越強則反射系數(shù)和波阻抗之間的差別也越明顯。

②正的反射振幅（紅色）表明正的反射系數(shù)，其表示的是所測巖層的剛性；負的反射振幅（藍色）則代表著剛性較差的巖層。

③若S波反射強于P波，則意味著所測巖層中的含水率較高。

④Vp/Vs有較大的增加或泊松比δ突然增大，則意味著巖層中含有流體土質(zhì)。

⑤若Vp下降，則表明土層的裂隙密度或孔隙度有所升高。

4.2 資料的處理流程（圖9）

處理流程如圖9所示。

4.3 誤差的分析

在采用地震波測試方法時，地震波并不是指向性的波，其是向四面擴散的，從而導(dǎo)致地震波的離散性較大，在使用地震波處理軟件對收集到的地震波進行處理時其處理的是地震波波速的平均值；對于間距小于1m的反射面軟件在數(shù)據(jù)處理時將其合并為一個界面，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理時軟、硬巖石互存的薄層，軟件由于分辨精度的影響可能會考慮合并成均質(zhì)巖石從而導(dǎo)致預(yù)報誤差的存在，一般來說這一誤差率多在5%的范圍內(nèi)。

5.預(yù)報成果分析

在對原始數(shù)據(jù)的軟件處理中，24炮數(shù)據(jù)參與分析。

通過對二維結(jié)果圖（圖8）的分析，主要存在問題的區(qū)段如下：（以目前掌子面（DK403+090）巖石情況為參照物），見表3。

6.預(yù)報推斷結(jié)論及建議

（1）DK403+090～DK403+070（20m）該段圍巖強度與掌子面圍巖強度基本一致，巖體結(jié)構(gòu)破碎呈散狀、節(jié)理裂隙發(fā)育、弱風(fēng)化、基巖裂隙水不發(fā)育。圍巖級別推斷為Ⅳ級。

（2）DK403+070～DK403+046（24m）該段圍巖強度相比較前方圍巖強度略微降低，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部有夾土，基巖裂隙水不發(fā)育、圍巖級別判斷為Ⅴ級。

（3）DK403+046～DK403+011（35m）該段圍巖強度相比較前方圍巖強度有所提高，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，基巖裂隙水不發(fā)育。圍巖級別判斷為Ⅳ級。

（4）DK403+011～DK402+981（30）該段圍巖強度較前方圍巖強度有所下降，巖體破碎，軟弱互層局部有夾土，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水不發(fā)育，圍巖級別判斷為Ⅴ級。

（5）DK402+981～DK402+950（31m）該段圍巖強度相比較前方圍巖強度有所提高，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水不發(fā)育，圍巖級別判斷為Ⅳ～Ⅴ級。

綜合以上所述：根據(jù)二維視圖的分析以及工程地質(zhì)資料判斷，掌子面（DK409+090）前方DK403+090～950段巖體存在頻繁的強度變化，巖體破碎，風(fēng)化嚴重，軟弱互層，節(jié)理裂隙發(fā)育，在DK403+070～DK403+046、DK403+011～DK402+981巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部有夾土，基巖裂隙水不發(fā)育、施工時注意施工安全防掉塊，坍塌，減少不必要的損失。

結(jié)語

為確保高風(fēng)險隧道施工安全，如塌方、突水等安全事故的發(fā)生，采用超前預(yù)報避免地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，保障隧道中不良地質(zhì)段的安全施工顯得尤為重要。結(jié)合張?zhí)畦F路楊家峪隧道工程，綜合掌子面地質(zhì)編錄資料和TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)探測資料，成功地預(yù)報了掌子面前方的巖體破碎、圍巖級別和地下水情況。通過預(yù)測結(jié)論和實際開挖情況相對比，分析了該方法的適應(yīng)性及其特點，為隧道施工期超前預(yù)報中類似工程預(yù)報方法的選用具有一定的參考價值。

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