TSP法隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)研究與應(yīng)用

牟元存， 李星， 高樹(shù)全， 王凱

（中鐵二院成都工程檢測(cè)有限責(zé)任公司 工程檢測(cè)一所，四川 成都 610031）

0 引言

目前，我國(guó)鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)體系包含的方法有地質(zhì)調(diào)查法、物探法、鉆探法和超前導(dǎo)坑法，其中物探法中又有地震波反射波法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、激發(fā)極化法等。由于各種物探方法有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，針對(duì)不同的不良地質(zhì)情況采用最優(yōu)化的預(yù)報(bào)方法組合模式，能夠事半功倍提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率［1-6］。為此，在大量隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作實(shí)踐的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了隧道掌子面前方超前地質(zhì)預(yù)報(bào)物探成套技術(shù)研究，基于TSP法結(jié)合大量的工程實(shí)踐總結(jié)和數(shù)值模擬正反演情況進(jìn)行闡述。

眾所周知，TSP彈性波反射法屬長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)的物探手段，一般當(dāng)隧道開(kāi)挖有60 m 左右空間時(shí)，可布置觀測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展TSP 法超前預(yù)報(bào)工作，在絕大多數(shù)環(huán)境下，其預(yù)報(bào)距離在100 m以上。采用該方法不僅能對(duì)斷層破碎帶等面狀不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報(bào)，也能對(duì)巖溶等不良地質(zhì)體有一定的預(yù)報(bào)效果，但對(duì)斷層等面狀不良地質(zhì)體的預(yù)報(bào)效果優(yōu)于巖溶等三維不良地質(zhì)體。通過(guò)TSP法［7-8］隧道掌子面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的正反演數(shù)值模擬，研發(fā)了TSP正演數(shù)值模擬軟件，形成了典型不良地質(zhì)體的TSP正反演圖譜，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合大量的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)實(shí)踐提出了TSP最大有效探測(cè)距離，總結(jié)了巖石動(dòng)態(tài)楊氏模量與隧道圍巖級(jí)別之間的大致對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 技術(shù)路線

研究的技術(shù)路線為編制完成正演數(shù)值模擬計(jì)算軟件，在軟件模型中人為添加斷層、溶洞等不良地質(zhì)體。通過(guò)正演軟件計(jì)算得出帶不良地質(zhì)體模型的正演數(shù)據(jù)，而后將正演計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)入TSP 數(shù)據(jù)后處理軟件進(jìn)行反演，并將反演的計(jì)算結(jié)果與正演的不良地質(zhì)體模型進(jìn)行對(duì)比分析，研究有效預(yù)報(bào)距離、分辨率變化、多個(gè)不良地質(zhì)體存在情況下的預(yù)報(bào)效果等。

2 理論正反演數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)

數(shù)值模擬研究過(guò)程中，課題組與成都理工大學(xué)和瑞士Amberg Technologies AG 合作，開(kāi)發(fā)完成了TSP 正演模擬軟件，并通過(guò)將正演模型得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入后處理軟件進(jìn)行反演計(jì)算，形成了典型不良地質(zhì)體的物探響應(yīng)圖譜。正演過(guò)程中，主要對(duì)構(gòu)造和巖溶通過(guò)建立不同規(guī)模、不同距離、不同傾角、不同交角、單個(gè)及多個(gè)地質(zhì)異常等多種不良地質(zhì)模型的正反演物探響應(yīng)進(jìn)行了研究。

具體理論正反演數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)通過(guò)以下步驟進(jìn)行：（1）建立三維空間模型和帶隧道模型的正演數(shù)值模擬方程，然后將一階應(yīng)力-運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行空間離散和時(shí)間離散，將空間離散為網(wǎng)格后，將各個(gè)變量按照交錯(cuò)網(wǎng)格的方式賦予節(jié)點(diǎn)，利用雷克子波設(shè)置為模型震源。

（2）對(duì)模型內(nèi)隧道斷面輪廓邊界線和位于自由邊界上的網(wǎng)格進(jìn)行處理，使其與實(shí)際情況相吻合。

（3）對(duì)三維空間模型邊界進(jìn)行匹配層處理。

（4）建立不同規(guī)模、產(chǎn)狀的單個(gè)或多個(gè)斷層破碎帶、單個(gè)或多個(gè)不同規(guī)模的溶洞數(shù)值模擬模型，將模型帶入有限差分?jǐn)?shù)值模擬方程中進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

（5）將獲得的正演三分量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，根據(jù)反演計(jì)算結(jié)果和所建立的不良地質(zhì)體模型比對(duì)分析，對(duì)預(yù)報(bào)分辨率、斷層可被探測(cè)的具體規(guī)模大小、多個(gè)不良地質(zhì)體情況下的預(yù)報(bào)效果、有效探測(cè)距離等進(jìn)行研究。

3 數(shù)值模擬

研究正演模型的建立主要考慮斷層破碎帶和溶洞。正演過(guò)程中，主要對(duì)構(gòu)造和巖溶通過(guò)建立不同規(guī)模、不同距離、不同傾角、不同交角、單個(gè)及多個(gè)地質(zhì)異常等多種不良地質(zhì)模型的正反演物探響應(yīng)進(jìn)行研究，根據(jù)研究需要，課題組共完成斷層模型正反演案例27個(gè)，完成溶洞模型正反演案例16 個(gè)，斷層破碎帶和溶洞正反演數(shù)值模擬典型案例如下。

3.1 斷層破碎帶模型

假設(shè)斷層破碎帶寬度為10 m，位于掌子面前方50～60 m處，走向與隧道軸線正交，圍巖縱、橫波速度分別為VP=5 200 m/s，VS=3 006 m/s，密度ρ=2.65 g/cm3，破碎帶縱、橫波速度分別為VP=4 000 m/s，VS=2 312 m/s，密度ρ=2.3 g/cm3。斷層模型（1）的平面示意見(jiàn)圖1，斷層模型（1）反演二維成果見(jiàn)圖2 所示。由圖可見(jiàn)，此時(shí)斷層破碎帶可以被成功預(yù)報(bào)。

圖1 斷層模型（1）平面示意圖

圖2 斷層模型（1）反演二維成果

同理，假設(shè)斷層破碎帶寬度為10 m，位于掌子面前方150～160 m處，與隧道成正交關(guān)系。圍巖縱、橫波速度分別為VP=5 200 m/s，VS=3 006 m/s，密度ρ=2.65 g/cm3，破碎帶縱、橫波速度分別為VP=4 000 m/s，VS=2 312 m/s，密度ρ=2.3 g/cm3。斷層模型（2）的平面示意見(jiàn)圖3，斷層模型（2）反演二維成果見(jiàn)圖4 所示，此時(shí)，斷層破碎帶已經(jīng)不能被預(yù)報(bào)出來(lái)。

圖3 斷層模型（2）平面示意圖

圖4 斷層模型（2）反演二維成果

據(jù)此，當(dāng)再次假設(shè)斷層破碎帶寬度仍為10 m，測(cè)試其位于掌子面前方100～110 m 處，與隧道成正交關(guān)系，其他參數(shù)保持不變，發(fā)現(xiàn)該模型的斷層破碎帶能夠被準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出來(lái)?；谏鲜鲈?，又測(cè)試了存在2條10 m寬的斷層破碎帶，分別位于掌子面前方50～60 m、100～110 m處，均與隧道成正交關(guān)系，圍巖縱、橫波速度分別為VP=5 200 m/s，VS=3 006 m/s，密度ρ=2.65 g/cm3，破碎帶縱、橫波速度分別為VP=4 000 m/s，VS=2 312 m/s，密度ρ=2.3 g/cm3。斷層模型（3）的平面示意見(jiàn)圖5，斷層模型（3）反演二維成果見(jiàn)圖6，可見(jiàn)存在同等規(guī)模的2 條斷層破碎帶時(shí)，第1 個(gè)斷層能被準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，但第2個(gè)難以被預(yù)報(bào)出來(lái)。

圖5 斷層模型（3）平面示意圖

圖6 斷層模型（3）反演二維成果

綜上所述，當(dāng)10 m 寬的單個(gè)斷層破碎帶分別位于掌子面前方50～60 m 和100～110 m 處時(shí)，該斷層破碎帶能被準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)出來(lái)；當(dāng)同等規(guī)模的斷層破碎帶位于掌子面前方150～160 m 時(shí)，該斷層破碎帶已經(jīng)不能被預(yù)報(bào)。

用這種方法，課題組同樣測(cè)試了5 m寬的斷層破碎帶，當(dāng)5 m 寬的斷層破碎帶在掌子面前方100 m 時(shí)，斷層能被準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出來(lái)，當(dāng)5 m寬的斷層破碎帶在掌子面前方150 m時(shí)，已經(jīng)不能被有效分辨預(yù)報(bào)出來(lái)。

除此之外，還對(duì)預(yù)報(bào)段落內(nèi)斷層的不同傾角、不同走向、多個(gè)斷層存在的情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。需要注意的是正反演數(shù)值模擬時(shí)，在有效分辨距離內(nèi)，當(dāng)存在前后2 個(gè)斷層破碎帶時(shí)，往往第1 個(gè)斷層破碎帶能夠被預(yù)報(bào)出來(lái)，但第2個(gè)斷層破碎帶難以被準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

3.2 溶洞模型

假設(shè)存在2個(gè)溶洞，呈球狀，半徑均為7 m，位于掌子面前方93～107 m、118～132 m處。圍巖縱、橫波速度分別為VP=3 500 m/s，VS=2 023 m/s，密度ρ=2.6 g/cm3，溶洞填充物的縱、橫波速度分別為VP=3 000 m/s，VS=1 604 m/s，密度ρ=1 g/cm3。溶洞模型平面示意見(jiàn)圖7，溶洞模型反演二維成果見(jiàn)圖8。

由圖7、圖8 可見(jiàn)，當(dāng)掌子面前方93～107 m 和118～132 m 存在前后2 個(gè)半徑為7 m的溶洞時(shí)，前面的第1 個(gè)溶洞能夠被預(yù)報(bào)出來(lái)，但后續(xù)的第2 個(gè)溶洞已經(jīng)不能被準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

圖7 溶洞模型平面示意圖

圖8 溶洞模型反演二維成果

同理，當(dāng)半徑為10 m 的溶洞在125 m 附近時(shí)能夠被預(yù)報(bào)出來(lái)，但當(dāng)位于150 m 時(shí)，已經(jīng)不能被預(yù)報(bào)出來(lái)。半徑為4 m 的溶洞在100 m 之內(nèi)時(shí)，能夠被預(yù)報(bào)出來(lái)，但當(dāng)溶洞在掌子面前方125 m附近時(shí)，已經(jīng)不能被預(yù)報(bào)出來(lái)。另外，對(duì)所建立溶洞模型的橢球體旋轉(zhuǎn)90°，改變了預(yù)報(bào)異常地質(zhì)體迎頭面的大小。結(jié)果發(fā)現(xiàn)迎頭面減小后，預(yù)報(bào)效果不佳，也進(jìn)一步證實(shí)了對(duì)巖溶類(lèi)不良地質(zhì)體的預(yù)報(bào)不僅與規(guī)模、距離有關(guān)，還和巖溶的發(fā)育形態(tài)有關(guān)。

4 楊氏模量與圍巖級(jí)別對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)TB 10013—2010《鐵路工程物理勘探規(guī)范》附錄E隧道彈性波速度圍巖分級(jí)，可知隧道圍巖彈性波的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但是該表中隧道圍巖級(jí)別劃分的彈性波速度是采用地震折射波法測(cè)量得到的。目前，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作已經(jīng)納入施工工序管理，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作貫穿隧道掘進(jìn)始終，如果利用TSP彈性波預(yù)報(bào)資料能確定隧道掌子面前方的圍巖級(jí)別，則對(duì)隧道施工具有重要指導(dǎo)意義。又因TSP法是利用反射波法進(jìn)行預(yù)報(bào)，其縱橫波速度不能直接拿來(lái)套用附錄E，所以現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)過(guò)程中，利用掌子面的圍巖級(jí)別和彈性波反射法中反射界面密集、聚焦段落的分布等情況，根據(jù)預(yù)報(bào)范圍內(nèi)的圍巖變化趨勢(shì)結(jié)合勘察設(shè)計(jì)資料綜合分析，對(duì)圍巖級(jí)別的劃分進(jìn)行嘗試，實(shí)踐證明按該思路去劃分圍巖級(jí)別有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在上述工作思路基礎(chǔ)上，并通過(guò)云、貴、川地區(qū)大量的案例總結(jié)，嘗試對(duì)圍巖分級(jí)中的動(dòng)態(tài)楊氏模量指標(biāo)（代表圍巖的軟硬程度）進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：

（1）貴廣鐵路統(tǒng)計(jì)動(dòng)態(tài)楊氏模量與圍巖級(jí)別之間的大致對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

Ⅴ級(jí)圍巖：動(dòng)態(tài)楊氏模量＜30 GPa；Ⅳ級(jí)圍巖：30 GPa＜動(dòng)態(tài)楊氏模量＜50 GPa；Ⅲ級(jí)圍巖：動(dòng)態(tài)楊氏模量＞50 GPa。

（2）成蘭鐵路統(tǒng)計(jì)動(dòng)態(tài)楊氏模量與圍巖級(jí)別之間的大致對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

Ⅴ級(jí)圍巖：動(dòng)態(tài)楊氏模量＜20 GPa；Ⅳ級(jí)圍巖：20 GPa＜動(dòng)態(tài)楊氏模量＜50 GPa；Ⅲ級(jí)圍巖：動(dòng)態(tài)楊氏模量＞50 GPa。

（3）云桂鐵路云南段統(tǒng)計(jì)動(dòng)態(tài)楊氏模量與圍巖級(jí)別之間的大致對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

Ⅴ級(jí)圍巖：動(dòng)態(tài)楊氏模量＜20 GPa；Ⅳ級(jí)圍巖：20 GPa＜動(dòng)態(tài)楊氏模量＜50 GPa；Ⅲ級(jí)圍巖：動(dòng)態(tài)楊氏模量＞50 GPa。

隧道開(kāi)挖經(jīng)常遇見(jiàn)的圍巖級(jí)別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)，故此處只體現(xiàn)了Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖的動(dòng)態(tài)楊氏模量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。對(duì)于Ⅱ級(jí)和Ⅵ級(jí)圍巖，由于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中遇見(jiàn)的不多，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)目前還存在著較大的離散性。

5 結(jié)論

經(jīng)對(duì)典型不良地質(zhì)體的物探TSP法響應(yīng)圖譜特征比對(duì)分析，并結(jié)合近年來(lái)約2 000 km 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作實(shí)際統(tǒng)計(jì)分析，研究結(jié)論如下：

（1）地質(zhì)情況簡(jiǎn)單段落，采用TSP法長(zhǎng)距離宏觀預(yù)報(bào)的最大有效探測(cè)距離建議在120 m左右為宜，若預(yù)報(bào)范圍內(nèi)圍巖完整性差，地質(zhì)情況中等復(fù)雜、較復(fù)雜時(shí)，則預(yù)報(bào)距離建議控制在100 m左右為宜。隧道地質(zhì)情況復(fù)雜段落，應(yīng)視情況進(jìn)一步控制預(yù)報(bào)距離，增加預(yù)報(bào)頻次以便控制風(fēng)險(xiǎn)。

（2）因大地濾波的作用導(dǎo)致信號(hào)主頻下降，地震波在地層中的傳播距離越遠(yuǎn)，分辨能力越低，一般認(rèn)為縱向分辨率是波長(zhǎng)的1/4。理論方面，橫向分辨率可按照第一菲涅爾帶的半徑計(jì)算。TSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，縱向分辨率也和預(yù)報(bào)距離息息相關(guān)，從正反演計(jì)算結(jié)果來(lái)看，對(duì)于5 m 和10 m 的斷層破碎帶，當(dāng)預(yù)報(bào)距離達(dá)到120 m左右時(shí)均已無(wú)法有效分辨。

（3）對(duì)于溶洞的三維空間定位依然難度很大，雖然在速度圖、三維圖中有所反映，但是和實(shí)際情況對(duì)比來(lái)看，三維空間定位效果并不十分理想。一般而言在速度分析圖譜中，對(duì)于不良地質(zhì)體可根據(jù)其低速分布區(qū)域大致圈定不良地質(zhì)體的分布范圍，但是2個(gè)數(shù)據(jù)通道共計(jì)6個(gè)分量的速度圖中，低速異常位置的分布往往并不完全一致，這點(diǎn)在判釋上也需要綜合各個(gè)分量的速度圖進(jìn)行判定。究其原因，是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)建模網(wǎng)格化時(shí)，在XYZ3個(gè)分量上如果都是考慮單位長(zhǎng)度，那么對(duì)于一個(gè)立方體而言，顯然X=Y=Z是成立的，但是從立方體的一個(gè)頂點(diǎn)到斜對(duì)面另外一個(gè)頂點(diǎn)的距離則必定大于單位長(zhǎng)度所造成的。

（4）對(duì)于預(yù)報(bào)里程范圍內(nèi)存在多個(gè)同等規(guī)模的不良地質(zhì)體情況下，離掌子面近的第1個(gè)異常一般能夠被準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，但后續(xù)的其他異常已經(jīng)難以被準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出來(lái)。在實(shí)際生產(chǎn)中，還發(fā)現(xiàn)當(dāng)離掌子面近的第1個(gè)不良地質(zhì)體規(guī)模較遠(yuǎn)離掌子面的第2個(gè)不良地質(zhì)體規(guī)模小的時(shí)候，則第2 個(gè)異常仍有可能被準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，即若第1 個(gè)異常為巖溶類(lèi)異常，第2個(gè)異常為斷層等面狀不良地質(zhì)體或更大規(guī)模的巖溶類(lèi)異常時(shí)，則前后2個(gè)異常均可能仍被準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

（5）對(duì)于部分巖溶的漏報(bào)問(wèn)題，因不良地質(zhì)體的形態(tài)復(fù)雜多變，對(duì)規(guī)模比較小的不規(guī)則地質(zhì)體或迎頭面比較小的不良地質(zhì)體，在地震波記錄中不會(huì)形成較連續(xù)的反射波，所以導(dǎo)致漏報(bào)問(wèn)題的發(fā)生。

（6）隧道圍巖級(jí)別的劃分是個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，其與隧道巖性、埋深、巖質(zhì)軟硬程度、隧道斷面大小、圍巖含水情況、圍巖完整程度、是否有構(gòu)造發(fā)育等諸多的綜合因素有關(guān)。后續(xù)工作中，可進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)嘗試，并細(xì)化圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以便更好地服務(wù)于隧道施工。