高 峰，朱碧輝

（重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074）

在實際隧道開挖過程中，隧道地震波超前預報技術（Tunnel Seismic Prediction，TSP）憑借其探測時間長、探測距離長，精度高等優(yōu)勢，在隧道工程施工過程中得到了廣泛的應用和發(fā)展。文中以重慶市軌道交通6號線中梁山隧道為例，展示了TGP206隧道超前地質(zhì)預報系統(tǒng)在隧道施工中的重要作用。

1 TGP探測原理及方法

隧道地震波超前地質(zhì)預報的工作原理是利用在隧道圍巖以排列方式激發(fā)地震波，地震波在向三維空間傳播的過程中，遇到聲阻抗界面產(chǎn)生反射波。聲阻抗是介質(zhì)傳播地震波的速度與介質(zhì)密度的函數(shù)，介質(zhì)的聲阻抗數(shù)值為速度與密度的乘積。因此，地層中的巖性變化界面、構(gòu)造破碎帶、巖溶和巖溶發(fā)育帶等存在聲阻抗界面，會產(chǎn)生彈性波的反射現(xiàn)象，反射的地震信號被高靈敏地震波檢波器接收，輸入到儀器中進行信號放大、數(shù)字采集和處理，來實現(xiàn)拾取掌子面前方巖體中的反射波信息。其中，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，通過測量直達波速度、反射回波時間、波形和強度，并結(jié)合已有的地質(zhì)資料綜合分析，就可以較準確地探測掌子面前方可能存在的巖性分界、斷層、巖體破碎帶、軟弱夾層，以及巖溶等不良地質(zhì)體的規(guī)模、性質(zhì)及延伸情況等。

地震波預報采用TGP206型隧道地質(zhì)超前預報系統(tǒng)（Tunnel Geology Prediction，TGP）。TGP隧道超前地質(zhì)預報系統(tǒng)包括儀器主機、配件和處理軟件3部分。

TGP采用對稱觀測方式，炮孔和檢波器布置在隧道側(cè)壁同平面內(nèi)，1對檢波器對稱分布于同隧道斷面內(nèi)。外業(yè)工作時，具體布置如下：距掌子面5～10m布置第1個炮孔，后依次間隔1.5m共布置24個炮孔。距最后1個炮孔20m斷面對稱布置兩接收孔。炮孔與接收孔孔深均為2m，布置圖見圖1。內(nèi)業(yè)工作如下：對測線布置段和隧道掌子面巖體進行地質(zhì)描述，并選擇巖體相對完整的地段布置接收孔位置。記錄檢波器接收孔，對于不等間距的炮孔要測量炮孔間距，記錄隧道掌子面的里程；定向并耦合安置孔中三分量檢波器；逐炮孔安置帶有計時線的炸藥卷，藥量一般控制在60～120g；根據(jù)隧道巖體條件選擇儀器采集參數(shù)：一般軟巖條件采樣率選擇0.1ms，硬巖條件采樣率選擇0.05ms；通過選擇采樣點數(shù)的多少保證地震記錄的長度不小于300～400ms。以上有關數(shù)據(jù)填寫在TGP現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄表中。進行逐炮地震波數(shù)據(jù)的采集工作，測量中要求隧道內(nèi)具有安靜的條件，有關的產(chǎn)生振動施工的項目需要暫時停止。所有炮孔的數(shù)據(jù)采集完畢，在檢查采集數(shù)據(jù)合格后結(jié)束現(xiàn)場測量工作。

圖1 炮孔及接收孔布置

根據(jù)TGP法的原理和工作經(jīng)驗，把距離隧道軸線近、能量大的反射波組判釋為圍巖異常區(qū)，并綜合頻譜分析資料、地震波速、反射波相位、泊松比和楊氏模量等參數(shù)對圍巖異常區(qū)的類別進行劃分。采集的TSP數(shù)據(jù)，通過TGP Win軟件進行處理、獲得P波、SH波、SV波的時間剖面、相關偏移歸位剖面等成果。在成果分析中：以P波、SH波、SV波的原始記錄分析測段巖體的地質(zhì)條件；以相關偏移歸位剖面預報前方巖體地質(zhì)條件，預報分析推斷以P波剖面資料為主，結(jié)合橫波資料綜合解釋。解釋中遵循以下準則：

1）若S波反射較P波強，則表明巖層含水；

2）左右洞壁對比，以激發(fā)和接收在同一側(cè)的資料為主的原則；

3）縱橫波的資料對比，以縱波資料為主的原則。

2 工程應用

2.1 工程概況

軌道交通6號線中梁山隧道位于川東平行嶺谷低山區(qū)，構(gòu)造作用輕微，通過白廟子斷層，中梁山槽谷區(qū)為灰?guī)r、白云巖、含石膏、巖鹽等可溶巖，存在巖溶洞穴，以及三疊系須家河組煤系地層，局部存在有害氣體及采空區(qū)。

其中，2號隧道全長4336m，為特長隧道。2號隧道地質(zhì)條件較為復雜，進洞口段屬構(gòu)造剝蝕中丘地貌，處于呈脊狀山丘前緣，場地地勢南東低、北西高，斜坡坡向與巖層傾向一致，為順向斜坡地形。下伏基巖為侏羅系下中統(tǒng)自流井組泥巖，巖層節(jié)理裂隙不發(fā)育，層理發(fā)育、層間結(jié)合差。出洞口段屬構(gòu)造剝蝕中丘地貌，處于呈脊狀山丘前緣，場地地勢南東高、北西低，斜坡坡向與巖層傾向一致，為順向斜坡地形。下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)新田溝組泥巖，巖層節(jié)理裂隙不發(fā)育，層理發(fā)育、層間結(jié)合差。

2.2 TGP預報成果概況

本次預報時掌子面里程為YDK49＋065，預報里程范圍為YDK49＋065～YDK49＋165段（即預報隧道掌子面前方100m）。其中YDK49＋096～YDK49＋122段變化較為顯著。原始的現(xiàn)場地震波同側(cè)3分量采集圖，經(jīng)處理后所得偏移圖，見圖2。在綜合地質(zhì)預報成果圖上（見圖3），該段巖體的“比速度”顯著降低，加上縱橫波存在多個反射界面，總體推斷該區(qū)間的圍巖較前一段破碎程度應有較大的增加，地下水的發(fā)育程度較前一段也可能有較大的增加；故綜合推斷圍巖等級為Ⅴ級，地下水發(fā)育，有巖溶突水的情況發(fā)生；在YDK49＋096～YDK49＋105區(qū)間內(nèi)，在繞射偏移圖上顯示該區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了短尖滅弧的情況，出現(xiàn)了溶腔的反射情況，推斷在YDK49＋096～YDK49＋105附近極有可能有溶腔的存在。其余區(qū)段除表現(xiàn)有部分巖石等級降低和帶有少量裂隙外均未表現(xiàn)出明顯的危險源。

圖2 同側(cè)P、SH、SV 波偏移

根據(jù)超前地質(zhì)預報長短結(jié)合、多種探測手段綜合運用的原則，采用意大利IDS公司生產(chǎn)的RISK2最新型探地雷達設備對潛在的危險段進行地質(zhì)雷達探測。掌子面里程為YDK49＋086，探測范圍為30m。根據(jù)所得地質(zhì)雷達圖像及波形圖（見圖4）推斷YDK49＋093～106段有明顯的能量團聚集，該段波幅突然增大，波形相似性較好，可以判斷該段有十多米的破碎帶、軟弱夾層或溶腔的存在，賦存水量較大。根據(jù)超前地質(zhì)預報報告，施工方及時采取加強支護、超前探孔、堵水注漿等措施，保證隧道開挖順利通過此段。后繼開挖情況與TGP和地質(zhì)雷達預報結(jié)果基本符合。

圖4 地質(zhì)雷達波形

通過對中梁山2號隧道進出口段TGP、地質(zhì)雷達超前預報與實際開挖情況的多次對比分析，總結(jié)出一定的規(guī)律，對隧道后續(xù)超前地質(zhì)預報有一定的指導意義。

3 結(jié) 論

超前地質(zhì)預報是隧道新奧法施工中的重要輔助手段，在隧道開挖過程中，對掌子面前方地質(zhì)情況進行比較準確的了解，可以有效防止工程施工事故的發(fā)生，具有重要的經(jīng)濟性和實用性。為了提高預報的準確性，需要做到以下幾點。

1）對隧道所處區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造進行仔細研究，認真觀察掌子面情況，了解該地區(qū)不良地質(zhì)體的類型和特點。對于掌子面前方地質(zhì)情況的判斷有著重要的指導意義。

2）做好超前地質(zhì)預報的準備工作，準備工作的好壞直接影響預報工作能否順利進行，以及預報的準確性。協(xié)調(diào)好預報工作與隧道施工的矛盾，盡量選擇在隧道內(nèi)較安靜情況下進行。

3）堅持長短結(jié)合、多種探測手段綜合運用的原則，相互比較和對照。

4）做好地質(zhì)預報與實際情況的對比分析，上下對照，總結(jié)規(guī)律，為后續(xù)預報工作提供指導依據(jù)。

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