利用地震勘探預(yù)報(bào)隧道和地下空間的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

（中冶武勘工程咨詢（湖北）有限公司，湖北 武漢 430080）

摘要：本文介紹了在隧道開挖階段采用儀器，可對(duì)掌子面前方＞100 m 的地質(zhì)不確定因素進(jìn)行間斷式或連續(xù)探測(cè)勘察出地質(zhì)的地震反射數(shù)據(jù)，分別對(duì)地下含水帶、洞穴、斷層和破碎帶進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合P波和S波的速度及密度分析了彈性材料中的應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系。通過地震勘探計(jì)算分析可以充分了解地質(zhì)層的結(jié)構(gòu)，對(duì)地址災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)，為地下工程施工人員及隧道通車的安全性提供了保障，有利于減少后期項(xiàng)目的維修成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：地震勘探；波阻抗；楊氏模量；泊松比

中圖分類號(hào)：U456" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " 文章編號(hào)：

Prediction of Geological Risk of Tunnel and Underground Space by Seismic Prospecting

YANG Haibo

（MCC Wuhan Engineering Consulting （Hubei） Co.， Ltd.， Wuhan Hubei 430080，China）

Abstract： This paper introduces the use of instruments in the tunnel excavation stage， which can detect geological uncertainties gt; 100 m in front of the face of the face by intermittent or continuous seismic reflection data， respectively to evaluate the underground water-bearing zone， cave， fault and fracture zone， combined with P wave and S wave velocity and density to analyze the relationship between stress and strain in elastic materials. Through seismic exploration calculation and analysis， we can fully understand the structure of the geological layer， assess and predict the disaster risk of the site， and provide guarantee for the safety of underground engineering construction personnel and tunnel traffic， which is conducive to reducing the maintenance cost of the later project and improving the economic efficiency.

Keywords：seismic exploration;wave impedance;Young's modulus;poisson's ratio

0 引言

隧道及其地下工程建設(shè)是建筑工程中最危險(xiǎn)的活動(dòng)之一，這是因?yàn)榈刭|(zhì)條件復(fù)雜對(duì)施工安全的影響。對(duì)于地下工程，特別是深埋地下工程，通常無法像地面建筑一樣在計(jì)劃開挖的整個(gè)范圍內(nèi)實(shí)施一般性的地質(zhì)勘察，且勘察精度要求更高。地質(zhì)條件不但決定了地下建筑的建設(shè)成本，也可能最終決定一個(gè)項(xiàng)目的整體可行性。工程人員對(duì)地質(zhì)及其巖土參數(shù)等勘察資料的了解是地下工程建設(shè)重要的先決條件之一。由于條件的限制，越來越多的地下工程不得不在非常復(fù)雜的巖土條件下實(shí)施，特別是其深埋于地表以下時(shí)。

較高的建設(shè)成本和更高的安全需求導(dǎo)致對(duì)開挖效率的要求越來越高，這也要求盡可能使用更先進(jìn)的技術(shù)和更為優(yōu)化的方案。地下建筑項(xiàng)目的圍巖性質(zhì)的空間不確定性普遍大于普通的地上建設(shè)工程項(xiàng)目，地質(zhì)環(huán)境和造價(jià)之間相關(guān)聯(lián)，這使得工程專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)成為項(xiàng)目順利開展的至關(guān)重要影響因素。但是，由于缺乏類似地質(zhì)條件下的施工經(jīng)驗(yàn)，必須考慮與地質(zhì)條件相對(duì)應(yīng)的特有的不確定性。鑒于地下工程的特殊性，需要對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行徹底和持久的調(diào)查。這為巖土工程師和工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來了不小的困難和挑戰(zhàn)。本文將討論如何采用輔助工具在復(fù)雜的地質(zhì)條件下安全施工。

1 隧道地震勘探

20世紀(jì)60年代到70年代出版了許多關(guān)于地震勘探應(yīng)用于地下建筑的文獻(xiàn)。最初對(duì)地震勘察方面的分析來自挪威，主要研究了不同地質(zhì)條件的重要性，如節(jié)理密度、巖石類型和構(gòu)造等，及其對(duì)地震參數(shù)的影響，建立了地震縱波速度與巖石力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，由此得出了基于折射地震數(shù)據(jù)的巖石分類。

地震波通過震源（如爆炸、機(jī)械振動(dòng)器或沖擊錘）的振動(dòng)或振動(dòng)位移而在地層中傳播[1]。與沿開挖面?zhèn)缺诘臋C(jī)械錘擊法相比，在開挖面?zhèn)缺诩s1.5 m深的鉆孔中通過少量的非破壞性炸藥可獲得最大的探測(cè)距離，而機(jī)械錘擊法可以快速獲取多組可重現(xiàn)的振動(dòng)信號(hào)，并通過信號(hào)疊加得到相當(dāng)可觀的長達(dá)80 m～100 m的探測(cè)距離。

如果地震波穿過地層并遇到反射面，可被反射到接收器（傳感器）中，例如，接收器被放置于掌子面中1.5 m～2 m深的細(xì)長鉆孔中。傳感器最好由三軸加速度計(jì)組成，這樣可以測(cè)量高頻信號(hào)，該信號(hào)在低于其固有頻率的頻段范圍內(nèi)受固體巖石影響較小。

圖1顯示地震記錄儀測(cè)量地震波從震源到反射界面再到接收器所需的傳播時(shí)間。

地震數(shù)據(jù)處理中的一個(gè)基本問題是確定時(shí)（間）-深（度）轉(zhuǎn)換，這是地球物理學(xué)和地質(zhì)學(xué)的交匯點(diǎn)[2]。時(shí)-深轉(zhuǎn)換的計(jì)算需要在不同類型的地層或巖層中建立地震速度模型。一旦地震波在反射界面處被反射，就意味著波阻抗的變化足夠大，在接收端可以獲得一個(gè)可測(cè)出的\"非零的\"反射系數(shù)。若縱波從一個(gè)巖層傳播到另一個(gè)巖層時(shí)速度發(fā)生了變化，或者巖層的體積密度不同，就會(huì)出現(xiàn)這種情況。

波阻抗被定義為Z=ρVP，其中ρ為巖層的體積密度kg/m3，VP為縱波在巖層中的速度km/s。如果密度和速度有較大的變化，比如巖層和空洞接觸時(shí)，地震信號(hào)響應(yīng)會(huì)非常顯著。相反，若是石灰?guī)r和白云巖接觸，地震探測(cè)就很難觀測(cè)到，這是因?yàn)閮煞N巖石類型之間的波阻抗變化很小。其次，地震速度對(duì)于土木工程來說是一個(gè)強(qiáng)相關(guān)的參數(shù)。此外，縱波速度和橫波速度都很重要，但其只有在通過三維傳感器接收到完整的彈性波波場(chǎng)，且經(jīng)過數(shù)據(jù)后處理程序，將不同類型的縱波和橫波清晰地分離出來，方才有用。鑒于地震處理和成像技術(shù)在石油和天然氣勘探中的進(jìn)步，預(yù)計(jì)在未來十年內(nèi)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，得出減少地震結(jié)果的多解性，從而實(shí)現(xiàn)更多的自動(dòng)化。造成多解性的常見變量是深度（埋深）、孔隙度或節(jié)理裂隙密度、單軸抗壓強(qiáng)度和巖層密度。盡管巖石類型相同，但上述因素在地震波速變化中起著重要作用。當(dāng)節(jié)理裂隙發(fā)育時(shí)，VP和VS通常會(huì)有很大程度的降低，而VP/VS相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值則是增加的。另一方面，地震波速與節(jié)理裂隙密度不一定成正比，因?yàn)閹r石成分等其他因素也發(fā)揮了重要作用。深度（埋深）對(duì)地震速度的影響是常見的。地震速度隨深度或覆蓋層的增加而增加。但這一規(guī)律具有不確定性，因?yàn)殚_挖層面的巖石質(zhì)量和原位應(yīng)力可能不同。因此，與直接在地下進(jìn)行的測(cè)量相比，從地面進(jìn)行的地震測(cè)量結(jié)果在解釋時(shí)包含更多的不確定性，因?yàn)樵诘叵逻M(jìn)行的測(cè)量結(jié)果可以將直達(dá)波的地震速度與開挖的地質(zhì)情況進(jìn)行真正的對(duì)比，這樣可以對(duì)測(cè)量的地震參數(shù)和觀測(cè)到的地質(zhì)情況進(jìn)行標(biāo)定，減少多解性。此外彈性理論是描述彈性波傳播的基礎(chǔ)。胡克定律給出了彈性材料中的應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系。各向同性材料具有三個(gè)常用的獨(dú)立彈性特性，即楊氏模量、剪切模量和泊松比。

楊氏模量E，定義為單軸應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力與應(yīng)變之比。動(dòng)態(tài)楊氏模量公式如下：（1）（2）（3）

式（1）～式（3）中：Edyn為動(dòng)彈性或楊氏模量；ρ為巖層密度；μ為剪切模量，定義為剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之比；V為泊松比，Vp為縱波速度，km/s；Vs為橫波速度，km/s；定義為單軸應(yīng)力狀態(tài)下的側(cè)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的負(fù)比值。

所有三種彈性巖石特征都可以通過VP和VS，即P波和S波的速度及密度得出。

2 地下含水帶評(píng)估

地下水狀況調(diào)查對(duì)于地下工程的順利進(jìn)行非常重要，僅憑地面進(jìn)行的初步調(diào)查研究很難評(píng)估深埋地下水的狀況。然而，通過對(duì)P波和S波速度變化及泊松比的變化進(jìn)行深入分析，利用地震方法探測(cè)含水帶是可行的[3]。在良好至中等巖體條件下，泊松比可在0.2～0.3變化。地震預(yù)測(cè)結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)表明，如果計(jì)算的泊松比值取0.3～0.35，可探（預(yù)）測(cè)出含水巖層。

圖2顯示了在隧道掌子面前方約130 m范圍內(nèi)的地震預(yù)測(cè)所得出的泊松比圖。在這個(gè)范圍內(nèi)，里程9 750 m～9 722 m和里程9 701 m～9 674 m預(yù)測(cè)了兩段可能的含水帶。挖掘過程中，進(jìn)行了多次超前鉆孔探測(cè)，在里程9 739 m處探測(cè)到一個(gè)長2 m、出水量為3 L/s 的含水帶，第二段含水帶長約32 m，從里程9 689 m開始，報(bào)告的出水量為10.2 L/s。

3 洞穴評(píng)估

在地下工程施工過程中遭遇隱藏在巖體中的溶洞或空洞會(huì)帶來多種危害，如塌方、泥石流或突涌水，導(dǎo)致人員和設(shè)備等存在被掩埋的風(fēng)險(xiǎn)。由于巖體與空洞之間的波阻抗比非常高，在這些界面處會(huì)產(chǎn)生非常顯著的地震信號(hào)響應(yīng)，這樣可以大幅提高地震探測(cè)的有效性[4]。

圖3展示了一個(gè)實(shí)際案例，在此案例中，一座剛開始施工的寬為13 m的公路隧道需要垂直下穿一座既有隧道。圖3顯示隧道掌子面前方約140 m范圍內(nèi)的P波速度分布。根據(jù)片巖試樣的物理性質(zhì)測(cè)試，在干燥和飽和巖體條件下富含石英云母片巖的P波速度可能在4 300 m/s～5 000 m/s。然而，變質(zhì)巖，尤其是片麻巖和片巖，表現(xiàn)出各向異性，平行于片理方向的波速大于垂直于片理方向的波速。本次案例研究在接收點(diǎn)和震源點(diǎn)間探測(cè)到的直達(dá)P波速度為5 700 m/s，這表明該巖體非常堅(jiān)硬和完整，在圖3中以橙色表示，而黃色區(qū)域則代表硬度稍低的片巖。圖3（a）顯示隧道掌子面前方區(qū)域經(jīng)計(jì)算得到的速度云圖，代表超低值的藍(lán)色區(qū)域在云圖的后方清晰可見。圖3（a）～（d）分別顯示了數(shù)據(jù)立方體模型的3D總體視圖、3D目標(biāo)視圖、水平視圖、垂直視圖，此外，應(yīng)用一個(gè)表面渲染算法繪制所有速度值低于1 420 m/s的目標(biāo)值。

4 斷層和破碎帶評(píng)估

巖土工程師評(píng)估或測(cè)量最困難的變量之一是巖體中的原位應(yīng)力場(chǎng)。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模量之間的差異是由于巖石存在裂隙而不具有絕對(duì)的線彈性、均質(zhì)和各向同性。巖石的裂隙和非線性響應(yīng)對(duì)靜態(tài)探測(cè)的影響大于動(dòng)態(tài)探測(cè)，這導(dǎo)致了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模量的差異[5]。Van Heerden[6]通過對(duì)不同巖石類型在不同地應(yīng)力下的測(cè)試得到了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)楊氏模量之間的一般關(guān)系，即靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模量之間存在下列指數(shù)關(guān)系。Estat=aEdynb，其中Estat和Edyn的值以GPa為單位，系數(shù)a和b與地應(yīng)力有關(guān)。

圖4顯示了主要由砂巖、粉砂巖和黏土類巖所構(gòu)成的巖體的真實(shí)案例研究。由于砂巖的P波速度一般介于2 700 m/s～5 600 m/s，所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)條件顯然屬于低速度范圍，表明為劣質(zhì)巖體。根據(jù)直達(dá)波速得到的動(dòng)彈性模量Edyn參考值為20 GPa，由此計(jì)算得到的靜彈性模量Estat值為7 GPa～9 GPa。通過對(duì)掌子面前方VP，VS和巖土參數(shù)分析，確定了2個(gè)破碎帶和含水帶位置。

圖4包含縱向和平面圖上的VP，VS，泊松比，Estat，Edyn地震預(yù)測(cè)圖和根據(jù)掌子面素描進(jìn)行的巖石分類。虛線表示軟弱圍巖的分界線，它與預(yù)測(cè)結(jié)果一致。

雖然在整個(gè)預(yù)測(cè)范圍內(nèi)，巖體質(zhì)量差異不大，但巖體整體狀況較差，存在較強(qiáng)的波能量衰減。將模量圖和速度圖與巖石分級(jí)的RMR值相比較，可以發(fā)現(xiàn)十分相同的曲線。特別是上述破碎帶可以很好地被預(yù)測(cè)到，因?yàn)樗c圖4中通過掌子面繪圖所得到的巖體等級(jí)圖中的紅色區(qū)域具有可比性。在較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)，巖體的完整性從13 435 m開始至13 445 m變得較差，之后繼續(xù)變差直至13 470 m巖體破碎帶區(qū)域的開始。破碎帶區(qū)域的開始體現(xiàn)為VP和VS的雙下降，之后接收器沒有接收到進(jìn)一步的信號(hào)反射，VP和VS與最后接收到的反射信號(hào)保持一致。地質(zhì)預(yù)報(bào)圖（圖4）中所描述的淺藍(lán)色區(qū)域是指潛在含水帶區(qū)域。在開挖過程中，遇到25 L/s～100 L/s的涌水。

5 結(jié)語

三維地震勘探是一種經(jīng)濟(jì)有效的地下工程探測(cè)方法，能夠評(píng)估巖石力學(xué)參數(shù)，將地震反射能量反演到實(shí)際反射體位置。借助準(zhǔn)確的速度模型可以充分了解巖層結(jié)構(gòu)，能夠?qū)ζ鋷r石力學(xué)特性進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。通過復(fù)雜的速度分析過程，建立一個(gè)非均質(zhì)模型，在這個(gè)模型中，波阻抗差的結(jié)構(gòu)成像以及與之相對(duì)應(yīng)的地質(zhì)變化被揭示出來。

本文討論的隧道案例研究表明，在沒有或僅有有限的通往地表的區(qū)域，地震探測(cè)有助于地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。盡管地震勘探還不能產(chǎn)生100%地下結(jié)構(gòu)成像，但在識(shí)別巖石變化時(shí)，已實(shí)現(xiàn)了80%～90%的檢出率。如今，地震勘探在距掌子面50 m處的誤差精度為±1 m，在距掌子面150 m的誤差精度為±5 m，并朝著自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理和結(jié)構(gòu)成像的方向持續(xù)努力，這將促進(jìn)地下工程中地震勘探的長足發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王輝.用于巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的地震波Q值計(jì)算方法[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，14（5）：699-702.

[2]牟元存，曹強(qiáng)，高樹全，等.隧道綜合超前預(yù)報(bào)效果及其影響因素分析[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2021，18（5）：603-612.

[3]李術(shù)才，劉斌，孫懷鳳，等.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（6）：1090-1113.

[4]趙永貴.國內(nèi)外隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)評(píng)析與推介[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007（4）：1344-1352.

[5]王夢(mèng)倩，岳建華，劉盛東.反射波超前成像預(yù)報(bào)系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2014，29（3）：1439-1444.

[6]Vanheerden W L.General relations between static and dynamic module of rocks[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences amp; Geomechanics Abstracts，1987，24（6）：381-385.

編輯：楊洋

作者簡(jiǎn)介：楊海波（1985～），男，湖北省紅安縣人，碩士，工程師，從事工程檢測(cè)、工程物探方面的工作。