關(guān)于TST技術(shù)在TBM掘進(jìn)隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

李忠洪

重慶化工職業(yè)學(xué)院（401228）

研究隧道位于巴基斯坦的東北部，為某水電站引水發(fā)電隧道，隧道全長(zhǎng)為28.6km。該隧道距離地表的深度為500～1900m，屬于深埋長(zhǎng)隧道。隧道圍巖屬于第三系巖層，主要巖石類型是砂巖以及泥質(zhì)軟巖，砂巖洞段約占40%，砂巖與泥質(zhì)軟巖互層段占60%。砂巖以淺灰色和青灰色為主，風(fēng)化程度在強(qiáng)風(fēng)化～微風(fēng)化之間，強(qiáng)度較高；泥質(zhì)軟巖呈現(xiàn)出紅色和黃色，強(qiáng)度總體較低，易破碎。物探檢測(cè)表明，砂巖的波速大于泥巖及砂巖泥巖互層波速。鑒于本隧洞處于較硬的砂巖、泥巖層，并有砂巖與泥巖互層的情況，因此采用TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)是必要的。

1 基本原理

采用TST技術(shù)對(duì)隧道圍巖情況進(jìn)行超前預(yù)報(bào)時(shí)，需要利用以下系統(tǒng)：隧道檢測(cè)斷面儀器空間布置系統(tǒng)、地震波激發(fā)系統(tǒng)、信號(hào)接收系統(tǒng)。產(chǎn)生地震波是檢測(cè)預(yù)報(bào)的第一步，地震波在傳播中穿透巖性分界面、斷層破裂帶、裂隙密集帶等，這些界面都屬于巖體當(dāng)中的波阻抗變化界面。在經(jīng)歷以上這些波阻變化界面之后，部分地震波就會(huì)被散射回來，然后相關(guān)操作人員通過這些散射信號(hào)在介質(zhì)當(dāng)中傳播的時(shí)間及與散射界面之間的距離，通過對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到不同巖層當(dāng)中的具體地質(zhì)情況。一般情況下，散射信號(hào)傳播時(shí)間與散射界面之間的距離成正比關(guān)系，所以在使用地震波接收器對(duì)波速進(jìn)行獲取之后，計(jì)算出隧洞附近巖性分界面、斷層、影響帶的情況，最終判定出不良地質(zhì)體的位置及其規(guī)模。在對(duì)隧洞散射地震成像技術(shù)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，可以對(duì)非地震回波進(jìn)行有效的判別及過濾，然后直接將掌子面前方巖體的波速及不良地質(zhì)體的位置通過圖像進(jìn)行準(zhǔn)確的呈現(xiàn)。

2 觀測(cè)系統(tǒng)及參數(shù)選擇

該引水發(fā)電隧道的直徑為8.53m。測(cè)試區(qū)域的巖體地震波主頻率為300Hz左右，波長(zhǎng)為10m。在實(shí)際測(cè)量之前，整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)的布置必須要遵循以下要求：首先，總的觀測(cè)長(zhǎng)度必須大于或等于兩個(gè)波長(zhǎng)以上；其次，每?jī)蓚€(gè)檢波點(diǎn)之間的距離必須要大于或者等于1/4個(gè)波長(zhǎng)；然后，每?jī)蓚€(gè)激發(fā)點(diǎn)之間的距離必須要等于6個(gè)檢波點(diǎn)之間的距離；最后，觀測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的寬度必須要大于或等于1/10的預(yù)報(bào)距離。按照以上要求，最終觀測(cè)系統(tǒng)的布置參數(shù)為：設(shè)置6個(gè)激發(fā)點(diǎn)、12個(gè)檢波點(diǎn)，總的測(cè)試長(zhǎng)度設(shè)置為54m，總的測(cè)試寬度為12.5m，每?jī)蓚€(gè)激發(fā)點(diǎn)之間的距離為18m，每?jī)蓚€(gè)檢波點(diǎn)之間的距離為3m。

3 數(shù)據(jù)處理及解譯

檢測(cè)系統(tǒng)布置完成后，緊接著是對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)波場(chǎng)進(jìn)行分離，進(jìn)行速度掃描成像，然后對(duì)最終收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合解釋，最后進(jìn)行報(bào)告的編寫，完成整個(gè)隧洞散射地震成像技術(shù)的使用。

通過解譯獲得了所測(cè)洞段的地震波偏移圖像，經(jīng)過對(duì)這些圖像進(jìn)行分析，可以判斷樁號(hào)9+678～9+664、9+658～9+638、9+623～9+615、9+610～9+595、9+595～9+578的圍巖都存在不穩(wěn)定的情況，同時(shí)也有可能存在不良地質(zhì)體。所以在使用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)，必須要對(duì)掘進(jìn)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行重新調(diào)整，并制訂出科學(xué)合理的事故預(yù)防措施。地震波速度曲線顯示出樁號(hào)9+652～9+605段的波速明顯大于3 500m/s，基本可以認(rèn)定該樁附近為較硬的砂巖。在檢測(cè)到9+678～9+652及9+605～9+578這兩段隧道時(shí)，波速較低，判斷應(yīng)屬泥巖或砂泥巖互層。

4 結(jié)語

一般情況下，開挖隧道前，都會(huì)對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行收集，根據(jù)地質(zhì)分析成果來進(jìn)行綜合的解釋，然后通過地震波偏移圖像、開挖掌子面前方巖體地質(zhì)特征為隧道開挖提供指導(dǎo)。通過對(duì)比巴基斯坦某深埋長(zhǎng)隧道9+678～9+578段使用隧道散射地震成像技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)所獲得的預(yù)報(bào)成果，可以發(fā)現(xiàn)預(yù)報(bào)成果的數(shù)據(jù)與超前水平鉆探結(jié)果、TBM推力、貫入度參數(shù)大小及開挖后地質(zhì)編錄成果等指標(biāo)之間的數(shù)據(jù)幾乎相同，也就是說使用隧道散射地震成像技術(shù)對(duì)隧道開挖斷面分析，能夠獲得較為真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，也比較符合客觀地質(zhì)的實(shí)際情況。因此對(duì)該技術(shù)進(jìn)行有效的使用，能夠在一定程度上加快隧道工程開挖進(jìn)程，并保障隧道施工人員的生命安全。