三維地震波超前探測(cè)方法在不良地質(zhì)隧道工程施工中的應(yīng)用

蔡一超，張 倩，羅 瑛

(1.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，昆明 650011； 2.曹縣蘇集鎮(zhèn)中學(xué)，山東 菏澤 274400； 3.保山公路局，云南 寶山 678000)

1 隧道工程施工中的不良地質(zhì)問題

隧道工程施工難度大，工程復(fù)雜，容易出現(xiàn)復(fù)雜的地質(zhì)問題，如斷層碎裂、裂隙發(fā)育、軟弱地層、溶洞等，不良地質(zhì)條件會(huì)影響隧道工程的施工安全，增加施工難度。針對(duì)隧道工程施工中存在的問題，可運(yùn)用三維空間觀測(cè)、有效成像方法、三維地震波場(chǎng)響應(yīng)技術(shù)等。本研究重點(diǎn)利用三維地震超前波技術(shù)，解決隧道工程施工問題，提出切實(shí)可行的質(zhì)量保障措施。

1.1 不良地質(zhì)特征

隧道工程施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，因此三維地震波場(chǎng)也十分復(fù)雜。三維地震波超前探測(cè)通過分析不良地質(zhì)類型及地震波場(chǎng)的特性，對(duì)周邊的地質(zhì)環(huán)境建立巖性分界面與不良地質(zhì)模型，并進(jìn)行地震波正演模擬，得出不良地質(zhì)三維地震波的響應(yīng)規(guī)律，利用正演數(shù)據(jù)對(duì)三維地震波成像方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，為隧道工程建設(shè)提供有效的施工建議[1]。隧道工程中的巖性界面是不同巖性的巖石交界處，經(jīng)常發(fā)生不良地質(zhì)災(zāi)害，隨著隧道工程開挖，巖石的巖性發(fā)生變化，需注意支護(hù)方式。對(duì)巖性界面進(jìn)行分析時(shí)，要利用技術(shù)對(duì)分界面裂隙、斷層走向與傾向及傾角進(jìn)行分析。

1.2 斷層與溶洞問題

斷層需圍繞巖石破碎問題建設(shè)不良地質(zhì)體，根據(jù)巖石破裂的情況采用合理的技術(shù)分析方式，預(yù)判圍巖破碎、穩(wěn)定性等問題，避免施工塌方。

溶洞是指隧道工程的地質(zhì)條件存在溶隙，即長(zhǎng)度較長(zhǎng)的巖溶腔體[2]，在對(duì)溶洞進(jìn)行分析時(shí)，需利用地震波場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)。溶洞內(nèi)的填充物一般波速低、密度低，當(dāng)溶洞尺寸較小時(shí)，地震波檢測(cè)會(huì)出現(xiàn)明顯的繞射現(xiàn)象，需利用技術(shù)分析的方式對(duì)溶洞的情況進(jìn)行檢測(cè)。施工前，判斷干溶洞、填充溶洞的情況，基于地震波分析，干溶洞的反射效果較強(qiáng)，而填充溶洞含有的水分較為豐富，橫波反射強(qiáng)度比縱波強(qiáng)度更強(qiáng)。地震波超前檢驗(yàn)的方式有助于做好施工控制方案[3]。

2 三維地震波超前探測(cè)技術(shù)方法

隧道工程施工中，隧道超前探測(cè)的結(jié)果具有多樣性，需要進(jìn)行深入分析。利用隧道綜合超前預(yù)報(bào)的方式進(jìn)行考察，加強(qiáng)地質(zhì)考察結(jié)果的準(zhǔn)確性；利用三維地震波超前探測(cè)方式進(jìn)行地質(zhì)條件的檢驗(yàn)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行反復(fù)演練及結(jié)果推演；利用三維地震超前檢驗(yàn)的方式，對(duì)地質(zhì)預(yù)告方法進(jìn)行約束檢驗(yàn)；利用地震反射法、瞬變電磁法、增加紅外探水法、超前鉆探法、三維電阻率法及地質(zhì)雷達(dá)法等對(duì)不良地質(zhì)體的響應(yīng)特征，進(jìn)行探測(cè)結(jié)果的綜合分析[4]，在約束反演及聯(lián)合解釋過程中構(gòu)建超前的綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)體系，提升隧道工程地質(zhì)周邊環(huán)境預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，提升對(duì)隧道工程施工輔助的效果。

2.1 探測(cè)過程

對(duì)隧道工程地質(zhì)條件進(jìn)行分析，采用不良地質(zhì)探測(cè)方法，針對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的常見特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，分析傳遞反饋的結(jié)果，得出相應(yīng)的結(jié)論。一是利用宏觀地質(zhì)預(yù)報(bào)的方式，對(duì)隧道工程施工中可能遇到的不良地質(zhì)類型、規(guī)模、大致位置等信息進(jìn)行探究檢測(cè)，常用地質(zhì)素描、推斷隧道前方地質(zhì)情況等方式進(jìn)行綜合的地質(zhì)施工情況全方位調(diào)查。基于宏觀地質(zhì)預(yù)報(bào)，可了解地質(zhì)施工情況。二是利用超前鉆探法，對(duì)鉆探設(shè)備的前方鉆探情況進(jìn)行調(diào)查，直觀了解施工中的巖體情況，準(zhǔn)確判斷巖體的鉆孔情況，避免因鉆孔時(shí)間過長(zhǎng)而干擾施工。三是利用地震波法超前進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，利用介質(zhì)彈性和密度差異，觀測(cè)并分析巖層對(duì)于施工操作的反饋情況，推斷地下巖層的性質(zhì)及形態(tài)。為掌握地層界面、斷層、大規(guī)模溶洞等不良地質(zhì)體位置及規(guī)模，使用地震波法超前探究技術(shù)，達(dá)成100～150 m的探測(cè)距離。四是利用地質(zhì)雷達(dá)法，使用高頻電磁波測(cè)評(píng)地質(zhì)條件的含水性，分析介電常數(shù)的變化情況與含水性能，使施工人員清晰了解斷層、裂隙帶、碎巖體、巖性界面等地質(zhì)情況。此雷達(dá)技術(shù)的探測(cè)距離較短，為15～25 m。

探測(cè)過程中，考慮到前端獲取地震資料數(shù)據(jù)有限，使用此部分?jǐn)?shù)據(jù)作為隧道工程施工中的決策數(shù)據(jù)，無法直接反映隧道前方異常結(jié)構(gòu)的空間分布與位置形態(tài)，因此，探測(cè)后需采取對(duì)應(yīng)的措施，進(jìn)行多渠道探測(cè)結(jié)果的成像，通過此方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)結(jié)果的解釋。此過程中，明確探測(cè)結(jié)果反饋圖像具有三相偏移特點(diǎn)，成像過程中，需輔助計(jì)算機(jī)程序與軟件對(duì)不良地質(zhì)環(huán)境探測(cè)數(shù)據(jù)的處理。處理過程如圖1所示。

圖1 不良地質(zhì)探測(cè)數(shù)據(jù)成像處理過程Fig.1 Processing of poor geological detection data imaging

從圖1所示的處理過程中可以看出，探測(cè)數(shù)據(jù)處理與成像過程由兩部分構(gòu)成，分別為數(shù)據(jù)的前期處理與處理后數(shù)據(jù)的成像。處理過程中，可根據(jù)信號(hào)攜帶的濾波，使用頻率濾波法，對(duì)雜波進(jìn)行去除，以提高探測(cè)數(shù)據(jù)的分辨率。由于部分濾波的分辨率與有效波頻率較為接近，采用直接處理的方式，極易導(dǎo)致去除處理的過程出現(xiàn)偏差，因此可引進(jìn)F-K聯(lián)合濾波處理方式，深度分析濾波的構(gòu)成，并根據(jù)隧道復(fù)雜波場(chǎng)反射原理，進(jìn)行地震波的高精度處理。本研究選用的處理方法為余弦邊帶通濾波處理法，處理中，結(jié)合頻譜隨時(shí)間的變化規(guī)律，使用函數(shù)進(jìn)行濾波表達(dá)，采用對(duì)濾波進(jìn)行時(shí)窗分段的處理方式進(jìn)行分帶處理，此時(shí)地震波信號(hào)將被劃分成若干個(gè)區(qū)段，通過對(duì)段落的頻譜分析，掌握記錄區(qū)段的頻譜分布特征。將提取的特征規(guī)律導(dǎo)入濾波器中，通過此種方式，在去除濾波中雜波的基礎(chǔ)上，保留頻譜信號(hào)中的高頻率波部分，以提高淺層結(jié)構(gòu)分辨率，從而確保濾波處理的準(zhǔn)確性。獲取不良地質(zhì)條件下的隧道地震探測(cè)成像結(jié)果，如圖2所示。

圖2 不良地質(zhì)探測(cè)成像Fig.2 Poor geological detection imaging

為避免處理的濾波數(shù)據(jù)的進(jìn)一步成像，可選擇一個(gè)相對(duì)固定的時(shí)窗，在時(shí)窗范圍內(nèi)進(jìn)行信號(hào)的傅里葉轉(zhuǎn)換，得到不同時(shí)窗下的精準(zhǔn)頻譜。

2.2 不良地質(zhì)隧道工程施工方案

以某地區(qū)隧道工程為例，結(jié)合三維地震波探測(cè)方法，進(jìn)行不良地質(zhì)隧道工程施工方案設(shè)計(jì)。此工程項(xiàng)目相關(guān)地質(zhì)信息如表1所示。

表1 不良地質(zhì)隧道工程概況信息Tab.1 General information of poor geological tunneling

相比其他類型的工程項(xiàng)目，隧道工程項(xiàng)目在施工中極易受到外界環(huán)境因素的影響，涉及的工程因素較多，需要在項(xiàng)目施工前，使用隧道地震波超前探測(cè)的方式識(shí)別巖體構(gòu)造、界面、巖性等地質(zhì)條件，掌握隧道斷面結(jié)構(gòu)形態(tài)、斷面面積、隧道深度與開挖跨度，通過對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的分析，掌握圍巖的等級(jí)、穩(wěn)定性等物理參數(shù)，以此為依據(jù)，制定對(duì)應(yīng)的工程施工方案。結(jié)合探測(cè)的結(jié)果數(shù)據(jù)，進(jìn)行工程信息整理，分析隧道結(jié)構(gòu)層中異常地質(zhì)條件的分布，從而加強(qiáng)隧道工程定位，清晰識(shí)別水體賦存構(gòu)造。在對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)賦存構(gòu)造存在問題，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，調(diào)整隧道工程的探測(cè)方向與角度，進(jìn)行進(jìn)一步探測(cè)，分析施工中可能對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)度、安全性產(chǎn)生影響的因素，從而制定風(fēng)險(xiǎn)控制方案。探測(cè)不良構(gòu)造的過程中，瞬變電磁和電阻率法可提升對(duì)于導(dǎo)電水體反應(yīng)的敏感度，拓展空間環(huán)境構(gòu)造，降低復(fù)雜電磁干擾，形成對(duì)整個(gè)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的可靠性及準(zhǔn)確性認(rèn)知。瞬變電磁的探測(cè)距離為60 m左右，電阻率法的探測(cè)距離是30 m左右，二者可以互補(bǔ)升級(jí)，清晰反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)，以幫助制定合理的施工方案[5]。

根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了針對(duì)隧道工程的三導(dǎo)洞施工方案，施工作業(yè)流程為：隧道中間導(dǎo)洞施工→隧道中隔墻結(jié)構(gòu)施工→隧道深埋位置導(dǎo)洞施工→淺埋側(cè)施工→隧道工程主洞施工。為確保工程施工達(dá)到預(yù)期要求，參照《公路隧道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》文件，進(jìn)行隧道圍巖結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)?；诘卣鸩ǔ疤綔y(cè)方法的檢驗(yàn)結(jié)果，對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果反復(fù)推演，對(duì)探測(cè)結(jié)果中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)影響結(jié)果進(jìn)行研究，反復(fù)推演電阻率的病態(tài)程度，對(duì)其中地質(zhì)解釋及地質(zhì)錯(cuò)誤進(jìn)行驗(yàn)證，壓制反演多解性，進(jìn)一步提升施工質(zhì)量。在反復(fù)推演結(jié)果的過程中，利用鉆孔取芯、已知巖性推斷及其他物探方法，進(jìn)行區(qū)域介質(zhì)電阻率的分析，基于信息反饋結(jié)果進(jìn)行電阻率變化范圍的限定，縮小電阻率搜索及推演范圍，提升數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精準(zhǔn)度，壓制多解性，確保隧道施工方案得以順利推廣。按照上述方式，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道工程進(jìn)行規(guī)范化施工，確保工程項(xiàng)目可以排除外界干擾條件順利實(shí)施，在提高工程施工質(zhì)量的同時(shí)，加速隧道工程施工進(jìn)度。

3 結(jié)語

為提高對(duì)隧道不良地質(zhì)體探測(cè)的準(zhǔn)確性，需綜合探測(cè)方法，有效識(shí)別界面和探測(cè)定位的精度，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理過程。采用地震波超前探測(cè)、瞬變電磁、電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)等多種檢測(cè)方法，對(duì)比分析結(jié)果，提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，確保隧道施工人員獲得最基礎(chǔ)、最準(zhǔn)確的地質(zhì)資料。擴(kuò)充電阻率的變化范圍，分析異常體的位置及形態(tài)信息，完善空間結(jié)構(gòu)，確保多種地質(zhì)檢測(cè)手段實(shí)現(xiàn)信息的甄別及整合，令地質(zhì)環(huán)境的檢測(cè)效果達(dá)到最佳。三維地震波超前檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用，可有效探究地質(zhì)環(huán)境對(duì)隧道工程施工的影響因素，基于數(shù)據(jù)分析，可了解不良地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)，但不同的檢測(cè)方法存在一定的局限性，本研究反復(fù)演繹探測(cè)的結(jié)果，總結(jié)得出影響隧道工程施工的原因，構(gòu)建了科學(xué)合理的施工體系，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提供了有效的解決方案，為提升隧道工程質(zhì)量奠定了良好的基礎(chǔ)。