地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)在棟梁坡隧道施工中的應(yīng)用

劉 倩，檀朝彬，韓 星，呂會喜，展先彪

（1.北華航天工業(yè)學(xué)院電子與控制工程學(xué)院，河北廊坊 065000；2.武漢中原電子集團有限公司，武漢 430205；3.中地遠(yuǎn)大（廊坊）精密儀器制造有限公司，河北廊坊 065000）

0 引言

我國地質(zhì)屬多山且地質(zhì)復(fù)雜的地下環(huán)境，使得隧道掘進(jìn)的難度大，而施工中可能出現(xiàn)的松散地層、巖體破碎帶等地質(zhì)異常體［1］，在隧道施工中會嚴(yán)重拖延工期，甚至危及施工人員的生命安全。通過超前地質(zhì)預(yù)報，可提前獲知隧道掌子面前方的地質(zhì)情況，并及時將異常信息通過上位機上報給施工管理員。地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)有地震反射波法、電磁法、地質(zhì)分析法、紅外探測法等。本文采用基于反射波理論的地震反射波法（TSP）與地質(zhì)調(diào)查相結(jié)合的方法，在施工前預(yù)先通過地質(zhì)觀察，初步判斷掌子面及洞身的地質(zhì)發(fā)育、風(fēng)化、有無滲水等地質(zhì)情況，并且根據(jù)這些觀察分析繪制地質(zhì)素描圖，然后通過儀器接收多波多分量的地震反射波信號［2-5］，并對提取到的反射波信號進(jìn)行縱（P 波）、橫波（S波）分離、偏移成像［6］等技術(shù)建立分析和預(yù)測模型。結(jié)合前期地質(zhì)觀察結(jié)果補充修正分析預(yù)測模型，最終給出準(zhǔn)確的地質(zhì)解釋，以增強地質(zhì)環(huán)境的預(yù)報能力，保證隧道工程的順利進(jìn)行，進(jìn)而節(jié)約地質(zhì)預(yù)報的工程成本，提高工程效率與探測精度［7］。

1 地質(zhì)預(yù)報方法

1.1 地質(zhì)素描調(diào)查法

實際隧道施工過程中對開挖面的地質(zhì)情況進(jìn)行如實而準(zhǔn)確的反映就是地質(zhì)素描法。素描的內(nèi)容包括地層巖性、構(gòu)造發(fā)育情況及地下水的出水狀態(tài)、圍巖的穩(wěn)定性及初期支護(hù)采用的方法等。典型特征是不占用施工時間和不干擾施工。

1.2 TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)

TSP預(yù)報系統(tǒng)主要由地質(zhì)數(shù)據(jù)預(yù)處理、核心處理、地質(zhì)解釋及上位機組成，如圖1 所示。

圖1 TSP系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地震檢波器通過接收多波多分量的地震反射波信號，對提取到的反射波信號進(jìn)行縱（P波）、橫波（S波）分離，偏移成像等建立分析和預(yù)測模型，最終給出準(zhǔn)確的地質(zhì)解釋，增強地質(zhì)環(huán)境的預(yù)報能力，保證隧道工程的順利進(jìn)行，進(jìn)而節(jié)約地質(zhì)預(yù)報的工程成本，提高工程效率與探測精度［7］。

TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)是在經(jīng)典彈性波理論基礎(chǔ)上，利用地震波形成的多波多分量反射回波進(jìn)行測量的原理［8］，圖2 所示即為反射波法隧道超前預(yù)報原理圖［9］。

圖2 反射波法隧道超前預(yù)報原理圖

通過小藥量炸藥激發(fā)產(chǎn)生地震波震源，地震波在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綇椥圆ㄗ杩共町惤缑鏁r，例如斷層、巖體破碎帶、巖性變化或巖溶發(fā)育帶［10］等，一部分地震信號反射回來；另一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)繼續(xù)傳播［11］。反射的地震信號被高靈敏度的地震檢波器接收，反射信號的傳播時間與傳播距離成正比，與傳播速度成反比，因此通過測量直達(dá)波速度、反射回波的時間、波形和強度，可以達(dá)到預(yù)報隧道掌子面前方地質(zhì)條件的目的［12］。

在一定間隔距離內(nèi)連續(xù)采用上述方法，結(jié)合施工地質(zhì)調(diào)查，可以得到隧道圍巖的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，如平均水平波速、平均垂直波速、動態(tài)彈性模量和泊松比等地質(zhì)物性參數(shù)?；诘卣鸱瓷洳ǖ某疤綔y核心處理技術(shù)包括波場分離和地質(zhì)偏移成像。波場分離技術(shù)能有效地提取來自隧道掌子面前方的反射波信號，即利用質(zhì)點振動的極化特性進(jìn)行縱波（P波）和橫波（S波）分離。然后將提取出的來自隧道掌子面前方地震信號的反射波縱波（P波）信號，進(jìn)行波速偏移成像，進(jìn)一步獲得隧道掌子面前方的反射面信息，從而實現(xiàn)超前探測。

1.2.1 波場分離技術(shù)

用三分量多波多分量的檢波器接收數(shù)據(jù)，接收到地震波數(shù)據(jù)不僅包含縱波（P 波）信息，還包含橫波（S波）及其他干擾波信息，同時在傳播過程中，各類波型還會相互轉(zhuǎn)換，形成更復(fù)雜的波場，隧道超前探測的實現(xiàn)過程中需要將各類型波進(jìn)行分類［13］。波場分離采用f-k域濾波濾波方法，抑制噪聲的同時提取出隧道掌子面前方的反射波信號。f -k 域濾波是通過二維傅里葉變換，將原始地震記錄從t -x 域變換至f -k域，通過設(shè)定濾波因子，保留所需的視速度范圍，經(jīng)過二維傅里葉反變換返回t -x 域后所保留下的可視速度范圍，在t-x域即為來自掌子面前方的有效反射波信號［14］。

1.2.2 偏移成像技術(shù)

垂直地震剖面（VSP）方法是通過在地表激發(fā)地震波，在地下通過檢波器接收地震波，即是在垂直方向觀測的；而擬VSP方法是將該方法用于對前方掌子面進(jìn)行垂直方向的觀測。Kirchhoff 偏移方法是建立在Kirchhoff積分解的基礎(chǔ)上提出的，在輸出剖面的每一個點上都進(jìn)行積分求和，從而實現(xiàn)波場偏移［15］。

Kirchhoff積分疊前深度偏移是建立在全波動方程式積分解的基礎(chǔ)之上處理地震勘探資料的歸位問題，不受地層傾角的影響且具有對高頻成份的補償作用和較好的保振幅特征，是目前生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的主要偏移方法之一［15］。綜上，將擬VSP 方法和Kirchhoff 偏移方法相結(jié)合，利用Kirchhoff偏移方法對掌子面前方反射面成像時，可以較為直觀地獲得前方反射面的構(gòu)造信息，然后通過結(jié)合擬VSP 方法，獲得反射界面同向軸與直達(dá)波同向軸的交點信息，即可獲得反射面位置信息，兩者相結(jié)合獲得更準(zhǔn)確的前方構(gòu)造與位置信息。

2 隧道地質(zhì)超前預(yù)測工程實例

本文以棟梁坡隧道DK503 +227～DK503 +170 段為對象，為保證預(yù)測的準(zhǔn)確率，測試前需了解測試范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，可能存在異常體的位置及其大致形態(tài)體征。然后采用TSP 超前預(yù)報系統(tǒng)和地質(zhì)調(diào)查法相結(jié)合的方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報。

2.1 地質(zhì)調(diào)查情況

隧道開挖后掌子面揭示巖性為板巖，青灰色，弱風(fēng)化，巖質(zhì)堅硬，變余結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，中厚層狀為主，巖層產(chǎn)狀：N30°E/15°S。節(jié)理較發(fā)育，主要有兩組節(jié)理：J1 產(chǎn)狀N50°W/80°N，節(jié)理間距0.3～0.7 m，延伸長度0.5～1.5 m，密閉，平滑；J2 產(chǎn)狀N20°E/90°，節(jié)理間距0.2～0.6 m，延伸長度0.5～1.0 m，密閉平滑。巖體整體較完整，圍巖穩(wěn)定性一般，掌子面潮濕。如圖3 所示即為棟梁坡隧道掌子面地質(zhì)素描圖。

圖3 掌子面地質(zhì)素描圖

通過地質(zhì)調(diào)查揭示隧道洞身地質(zhì)巖性與掌子面巖性基本一致，巖體整體較完整，圍巖穩(wěn)定性一般。同時，拱頂及邊墻有滲水現(xiàn)象，如圖4 所示為拱頂和兩側(cè)邊墻地質(zhì)素描圖。

圖4 拱頂和兩側(cè)邊墻地質(zhì)素描（m）

2.2 施工參數(shù)設(shè)置

為了提高地震波波速，增加探測距離，本工程應(yīng)用中使用無爆炸延遲時的瞬發(fā)電雷管，防水乳化高爆速炸藥，每孔藥量控制在150 g，并將炸藥和雷管用錨固劑固定在孔底，并且在正式啟爆時盡量保證起爆時間一致［16］。

為了保證足夠的反射波能量，盡量從掌子面附近可以施測的地方開始布設(shè)跑孔，并且檢測點布設(shè)在探測方向與界面成銳角一側(cè)。三分量加速度型傳感器體積小巧，可以在小口徑接收孔內(nèi)安裝，高頻響應(yīng)好，有利于提高測試精度，同時布設(shè)在圍巖堅硬致密的地段，在安裝完畢后用布封住安裝孔以阻擋隧道內(nèi)聲波的干擾。隧道內(nèi)的裝置布置圖如圖5 所示。

圖5 隧道內(nèi)數(shù)據(jù)采集布置圖

現(xiàn)場實際接收器位置在DK503 +288，開挖面位置在DK503 +227，測線位于左邊墻，實際激發(fā)20 炮，2個接收器（檢波器）接收。具體參數(shù)如表1 所示。

2.3 地質(zhì)超前預(yù)報分析

在對原始數(shù)據(jù)的處理中，共20 炮數(shù)據(jù)參與軟件處理分析。震源振動產(chǎn)生速度向量即X、Y、Z 3 個分量，這3 分量速度向量都被檢波器接收并記錄下來，橫坐標(biāo)為偏移量，隨時間變化。其中垂向Z 分量主要是垂直出射的P波，徑向X和切向Y分量主要記錄的是水平的S波分量。其原始記錄及頻譜圖如圖6、7 所示。X分量能量減弱，其他兩個方向變化不大。垂直分量的地震記錄的頻率成分主要是高頻信號，而水平分量的地震記錄的頻率比較低。

以目前開挖面巖石為主要參照物，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查資料和施工開挖情況，對掌子面前方地質(zhì)二維處理結(jié)果如圖8、9 所示。圖中：R 代表掌子面中心點為中心的地震波傳播半徑；X為波傳播的水平方向距離。

在實際施工中記錄到已開挖段及開挖面為板巖，取已施工的DK503 +288～DK503 +239 總長49 m 的隧道段作為測試段來預(yù)測掌子面前方地質(zhì)狀況，測試段平均波速vp=5.44 km/s，vs=3.08 km/s、泊松比0.26、動態(tài)彈性模量69 GPa。根據(jù)TSP 測試系統(tǒng)測試，可以將掌子面前方待預(yù)測段分成三段進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報，得到的預(yù)報結(jié)果如表2 所示。

結(jié)合探測數(shù)據(jù)，棟梁坡隧道掌子面前方物性及異常特性如圖10 所示。

表1 超前預(yù)報系統(tǒng)具體參數(shù)設(shè)置

圖6 TSP系統(tǒng)接收到的P波X、Y、Z方向原始記錄

圖7 TSP系統(tǒng)接收到的X、Y、Z方向的原始記錄頻譜圖

圖8 P波深度偏移剖面

圖9 提取的P波反射層圖

根據(jù)上述棟梁坡隧道掌子面、洞身地質(zhì)素描分析情況及TSP超前預(yù)報分析結(jié)果，結(jié)合設(shè)計文件工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，對掌子面前方57 m洞身及周邊工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析得出如下結(jié)論。

（1）DK503 +227～+213，長度14 m，該段圍巖物性較上段有變差的趨勢，預(yù)測出露巖性仍為板巖，弱風(fēng)化，中厚層狀為主，地層單斜，繼續(xù)存在順層偏壓問題，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，局部可能有褶曲和小型斷層等次生構(gòu)造發(fā)育；從物探參數(shù)變化來看，地下水總體較上一預(yù)測段發(fā)育，以滲水、滴水現(xiàn)象為主，整體出水量有增大趨勢，局部可能出現(xiàn)淋雨狀滴水現(xiàn)象。

表2 棟梁坡隧道地質(zhì)預(yù)報結(jié)果

圖10 隧道掌子面前方物性及前方異常特征

（2）DK503 +213～+196，長度17 m，該段圍巖物性較上段變化不大，預(yù)測出露巖性仍為板巖，弱風(fēng)化，中厚層狀為主，地層單斜，繼續(xù)存在順層偏壓問題，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，局部可能有褶曲和小型斷層等次生構(gòu)造發(fā)育；綜上分析，該段圍巖穩(wěn)定性尚可，開挖過程中局部可能出現(xiàn)掉塊等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。

（3）DK503 +196～+170，長度26 m，該段圍巖與已開挖段近似，預(yù)測出露巖性應(yīng)為板巖，中厚層狀，地層單斜，存在順層偏壓問題，弱風(fēng)化，節(jié)理較發(fā)育，巖體整體較完整，局部相對較破碎；從探測參數(shù)變化來看，地下水較測試段變化不大，總體不甚發(fā)育，主要為基巖裂隙水，以局部滲水、滴水現(xiàn)象為主；綜上分析，該段圍巖穩(wěn)定性一般，開挖過程中局部可能出現(xiàn)掉塊等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。綜上分析，該段圍巖穩(wěn)定性較差，開挖過程中較易出現(xiàn)掉塊及局部小范圍坍塌等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 預(yù)報與工程實際對比分析

根據(jù)隧道的開挖情況與地震波地質(zhì)超前預(yù)報進(jìn)行對比分析，DK503 +227～+213 段整體節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖較為破碎，完整性不好，施工過程中有滲水現(xiàn)象發(fā)生。DK503 +213～+196 較前段稍好，圍巖破碎程度稍好，施工難度明顯好于前段。DK503 +196～+170段整體節(jié)理發(fā)育，巖體不完整，且施工中有滴水現(xiàn)象。綜合來看與地質(zhì)預(yù)報結(jié)果基本一致。

在DK503 +317～+217 段施工過程中，建議通過加深炮孔來驗證預(yù)報的準(zhǔn)確性，采用弱爆破、短進(jìn)尺掘進(jìn)，迅速封閉巖面，加強初期支護(hù)，及時跟進(jìn)二次襯砌，針對局部可能出現(xiàn)的圍巖失穩(wěn)和出水情況，需加強監(jiān)測，并做好合理的應(yīng)對措施，以確保安全。另外，針對可能出現(xiàn)的氣候變化產(chǎn)生集中降水，應(yīng)及時做好洞內(nèi)防排水措施，尤其對局部地下水較發(fā)育段，應(yīng)采取應(yīng)對措施，防止突水等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時造成人員和設(shè)備損失。

4 結(jié)語

本文采用TSP 超前預(yù)報系統(tǒng)和地質(zhì)調(diào)查法相結(jié)合的方法進(jìn)行了隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報方法分析，以棟梁坡隧道DK503 +227～DK503 +170 段為例，先對隧道掌子面、洞身地質(zhì)情況等進(jìn)行地質(zhì)掃描，對整個隧道的地質(zhì)情況有了基本的認(rèn)識和了解，并結(jié)合這些地質(zhì)情況對應(yīng)的體質(zhì)雷達(dá)圖像找到規(guī)律，然后結(jié)合核查結(jié)果運用地震反射波法預(yù)報掌子面前方的地質(zhì)信息，開挖后地質(zhì)情況驗證與地質(zhì)預(yù)測結(jié)果基本一致，保證了棟梁坡隧道的施工安全，提高了施工效率。

綜上所示，說明在本案例中地質(zhì)調(diào)查可以為后續(xù)地震波的超前預(yù)報提供有效的信息參考，能提高最終的預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，并且能大大減少預(yù)測時間。因此，地質(zhì)預(yù)測分析方法具有經(jīng)濟高效，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確的特點，具有一定的工程使用價值。