賈金曉, 李天斌, 孟陸波, 劉陽飛, 曹海洋

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)壞境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

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千枚巖隧道破碎帶TSP超前預(yù)報(bào)解譯標(biāo)志

賈金曉, 李天斌, 孟陸波, 劉陽飛, 曹海洋

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)壞境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

千枚巖等軟巖隧道施工中易出現(xiàn)垮塌等地質(zhì)災(zāi)害。以典型千枚巖隧道——汶馬高速公路鷓鴣山隧道為例，以地震波傳播理論為依據(jù)，結(jié)合工程地質(zhì)分析及地震波正演模擬，探討TSP預(yù)報(bào)中針對千枚巖構(gòu)造破碎帶在不同含水率狀況下的地震波反射特性及解譯標(biāo)志，結(jié)果表明：縱波及橫波遇千枚巖構(gòu)造破碎帶反射現(xiàn)象明顯，橫波較縱波反射更強(qiáng)烈；破碎帶富水時，千枚巖泥化變軟，縱波反射加強(qiáng)；從深度偏移角度分析，破碎帶內(nèi)正負(fù)反射頻繁變化，單個反射層延伸性差。研究結(jié)果可以提高TSP在軟巖隧道中的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。

千枚巖；TSP；破碎帶；正演模擬；解譯標(biāo)志

以千枚巖地層為代表的典型軟巖，因其強(qiáng)度低、易變形、遇水易軟化的工程特性，在隧道施工過程中易出現(xiàn)大變形、垮塌等災(zāi)害。軟巖隧道中的構(gòu)造破碎帶、泥化帶等軟弱地質(zhì)體更是引發(fā)隧道垮塌、大變形的危險地帶。目前，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作為隧道信息化動態(tài)設(shè)計(jì)和施工的重要組成部分，及時預(yù)測掌子面前方不良地質(zhì)情況，采取有效預(yù)防措施，確保隧道安全施工，已在工程界得到廣泛認(rèn)可。

TSP超前預(yù)報(bào)技術(shù)被認(rèn)為是國內(nèi)外最先進(jìn)的隧道長距離預(yù)報(bào)方法之一。不少專家學(xué)者針對隧道不良地質(zhì)體的TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行了研究，取得了一定的研究成果。其中，李術(shù)才等[1]、李利平等[2]、周宗青等[3]研究了特長深埋隧道基巖裂隙水的綜合預(yù)測方法。許振浩等[4]分析了巖溶隧道斷層破碎帶、地下水充填型、泥加石充填型、軟弱夾泥充填型溶洞及富水巖層的地震波反射特性。王延壽等[5]運(yùn)用TSP超前預(yù)報(bào)法對秦安高風(fēng)險隧道斷層(碎裂帶)、巖性接觸帶和富水區(qū)等不良地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)報(bào)研究。張劍等[6]將超前預(yù)報(bào)技術(shù)用于軟巖隧道進(jìn)行綜合判別圍巖狀況。自TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法在國內(nèi)推廣以來，在很多工程項(xiàng)目中有所運(yùn)用。在理論方面，許多專家學(xué)者也做了研究，而多數(shù)專家學(xué)者關(guān)于TSP地震波反射特性及解譯標(biāo)志的研究多基于硬質(zhì)巖體。而對于軟巖隧道，TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的解譯標(biāo)志研究甚少。

鷓鴣山隧道位于四川省阿壩州理縣境內(nèi)，起訖地面海拔高度為3 050～4 623.8 m，全長約8.8 km，屬典型高原特長隧道。本文研究區(qū)域主要為隧道進(jìn)口段千枚巖地層，該地層受米亞羅斷裂影響，局部巖體軟弱破碎，多呈薄層狀構(gòu)造，節(jié)理、裂隙極為發(fā)育，整體性差，強(qiáng)度低，遇水泥化變軟，在開挖過程中，多次發(fā)生掌子面坍塌，嚴(yán)重影響施工安全。本文在運(yùn)用TSP法對鷓鴣山隧道進(jìn)行超前預(yù)報(bào)過程中，結(jié)合地震波正演模擬，分析千枚巖破碎帶在干燥和富水情況下TSP方法的解譯標(biāo)志，為后期隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及類似工程提供借鑒。

1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)解譯準(zhǔn)則

TSP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理由其自帶的TSPwin數(shù)據(jù)處理軟件完成，輸入相關(guān)處理參數(shù)可得到掌子面前方預(yù)報(bào)段范圍內(nèi)的深度偏移圖，各里程段圍巖的縱波速度(vP)、橫波速度(vS)、泊松比(μ)、密度(ρ)、彈性模量(E)等參數(shù)，以及波阻抗反射界面位置。通過相應(yīng)的分析預(yù)報(bào)掌子面前方的圍巖地質(zhì)情況。

根據(jù) Dickmann及國內(nèi)學(xué)者對TSP解譯方法研究，總結(jié)了TSP解譯準(zhǔn)則[7-14]：(1)深度偏移圖中，弧線表示波阻抗反射界面，反射能量的強(qiáng)弱根據(jù)偏移大小確定，正反射振幅即紅色區(qū)域，表示巖質(zhì)較硬，負(fù)反射振幅即藍(lán)色區(qū)域，表示巖質(zhì)較軟；(2)縱波速度與巖體硬度呈一定正相關(guān)性，若vP下降，則表明裂隙密度或孔隙度增加；(3)若橫波反射較強(qiáng)，則表明巖層含水或流體；(4)vP/vS或泊松比有較大的增加，常常因流體的存在而引起。

2 典型例子

例一隧道K181+265～K181+376里程段TSP預(yù)報(bào)成果參數(shù)曲線(圖1)，根據(jù)巖體物性參數(shù)曲線和P波深度偏移圖分析，A區(qū)巖體物性參數(shù)曲線(圖1)中，縱橫波速度均有明顯降低，橫波速度降低10.91%，縱波速度降低2.3%，縱橫波速比升高，同時動態(tài)彈性模量明顯降低；同時P波深度偏移(圖2)中，在區(qū)域前端界面，以強(qiáng)烈的負(fù)反射開始，在區(qū)域后端界面，以強(qiáng)烈的正反射結(jié)束，區(qū)域內(nèi)巖質(zhì)較均一，正負(fù)反射層少，表現(xiàn)為前端界面負(fù)反射的延續(xù)，單個反射條帶寬。預(yù)測該段圍巖為軟弱夾層，巖質(zhì)較均一，力學(xué)強(qiáng)度低，地下水較發(fā)育。

開挖揭露情況顯示A區(qū)域(K181+306～K181+334)為千枚巖富水破碎帶，鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體濕潤，局部線狀出水，千枚巖崩解為細(xì)顆粒，局部夾塊狀千枚巖，泥化染手現(xiàn)象嚴(yán)重，有明顯流體特性，在K181+322掌子面發(fā)生坍塌(圖3)。預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖情況對比見表1。

圖1 預(yù)報(bào)結(jié)果2D視圖Fig.1 2D view of prediction results位置：K181+265～K181+376

圖2 P波深度偏移圖Fig.2 Diagram showing P-wave depth shift位置：K181+265～K181+376

例二

ZK181+038～ZK181+150里程段TSP預(yù)報(bào)成果參數(shù)曲線(圖4)，從巖體物性參數(shù)曲線分析，B區(qū)域(ZK181+038～ZK181+060)縱橫波速均起伏變化，橫波速度降低10.95%，縱波速度降幅1.8%，縱橫波速比升高，動態(tài)彈性模量降低；從P波深度偏移角度分析(圖5)，在區(qū)域前端界面，以強(qiáng)烈的負(fù)反射開始，在區(qū)域后端界面，以強(qiáng)烈的正反射結(jié)束，局部段正負(fù)反射層頻繁變化。預(yù)測該段圍巖軟硬巖交替出現(xiàn)，預(yù)報(bào)段內(nèi)除中間局部巖體外，前后兩段巖體極破碎，力學(xué)強(qiáng)度較低，地下水較發(fā)育，可表現(xiàn)為滲滴水-線狀出水。

圖3 K181+322掌子面坍塌Fig.3 Photograph showing tunnel face collapse in K181+322

圖4 預(yù)報(bào)結(jié)果2D視圖Fig.4 2D view prediction results位置：ZK181+038～ZK181+150

開挖揭露情況顯示，B區(qū)域?yàn)榍稁r破碎帶，巖體松散破碎，呈薄片狀，地下水弱發(fā)育，局部滲滴水，在ZK181+054掌子面發(fā)生坍塌，坍塌段長4 m，坍塌現(xiàn)場情況見圖6。預(yù)報(bào)結(jié)果與開挖情況對比見表1。

圖5 P波深度偏移圖Fig.5 Diagram showing P-wave depth shift位置：ZK181+038～ZK181+150

Table 1 Comparison of prediction results with excavation situation for K181+306～K181+334 and ZK181+038～ZK181+060

位置預(yù)報(bào)結(jié)果開挖情況(A)K181+306～K181+334圍巖強(qiáng)度低，局部含軟弱夾層，注意防止局部坍塌。滲滴水?線狀出水K181+322～K181+332段，千枚巖破碎帶，鑲嵌結(jié)構(gòu)，局部為千枚巖細(xì)顆粒，無層理，巖體泥化染手現(xiàn)象嚴(yán)重，地下水局部線狀滲出(B)ZK181+038～ZK181+060預(yù)報(bào)段內(nèi)除中間局部巖體外，前后兩段巖體極破碎，力學(xué)強(qiáng)度較低，地下水發(fā)育，可表現(xiàn)為滲滴水?線狀出水ZK181+042～ZK181+046和ZK181+052～ZK181+058里程段，巖體松散破碎，受構(gòu)造應(yīng)力影響，巖體呈薄片狀，地下水弱發(fā)育，滲滴狀出水

圖6 ZK181+054掌子面坍塌Fig.6 Photograph showing tunnel face collapse in ZK181+054

對比分析例一和例二，實(shí)際開挖情況顯示：2個特殊段揭露的巖體均為千枚巖破碎帶。不同的是，例一中千枚巖破碎帶地下水較為發(fā)育，表現(xiàn)為線狀出水，局部巖體泥化變軟，圍巖松散呈顆粒狀；例二中千枚巖破碎帶地下水發(fā)育較弱，千枚巖呈薄片狀。

TSP預(yù)測結(jié)果顯示：地震波遇2種千枚巖破碎帶時，橫波降幅較為一致，約為10.9%；例一中，破碎帶富水時，縱波降幅更大。

3 不良地質(zhì)體地震波響應(yīng)正演模擬

通過地震正演模擬技術(shù)，查明地震波在復(fù)雜地質(zhì)體中的傳播特征，是研究地震波傳播規(guī)律的有效途徑。地震波場正演方法主要有2種：幾何射線法和波動方程法。幾何射線法可以精確地映射出地震波的射線路徑和旅行時間等運(yùn)動學(xué)特征，但對于一些復(fù)雜的巖性信息和地質(zhì)構(gòu)造容易產(chǎn)生盲區(qū)；而波動方程法以地震波動力學(xué)性質(zhì)為依據(jù)，能夠更好地模擬復(fù)雜地層的地震波場特征。

Tesseral-2D是一個基于波動方程的地震波場數(shù)值模擬軟件包。通過Tesseral-2D高階差分網(wǎng)格，來模擬地震波在介質(zhì)中的傳播，可以考慮速度和密度的任意變化，模擬復(fù)雜地質(zhì)剖面的數(shù)字模型，快速而精確地計(jì)算在介質(zhì)中傳播的P波和SV波，幫助研究者較好地了解地下介質(zhì)中的地震波動過程。

結(jié)合上述典型例子，采用Tesseral-2D正演模擬方法，分析千枚巖破碎帶在地下水弱發(fā)育和富水2種情況時的地震波傳播規(guī)律，可以為隧道超前預(yù)報(bào)提供解釋依據(jù)，對TSP解譯成果進(jìn)行驗(yàn)證，提高解釋精度。

3.1 模型設(shè)置

本文采用Tesseral-2D軟件進(jìn)行正演分析，設(shè)定2種地質(zhì)預(yù)報(bào)模型如圖7所示，分別為千枚巖破碎帶(干燥)及富水破碎帶(含水率10%)?？紤]到地震波反射干擾，設(shè)置模型大小為400 m×600 m，破碎帶寬度均為10 m，設(shè)定20炮逐點(diǎn)放炮激發(fā)地震波，炮孔間隔1.5 m，最前炮孔距離破碎帶20 m；在距離最后一個炮孔15 m位置，每間隔1 m設(shè)置1道檢波器，共4道接收并記錄地震波；震源峰值頻率設(shè)為1 000 Hz，子波類型為對稱單峰(Symmetrical)，地質(zhì)體物性參數(shù)見表2。

3.2 正演模擬結(jié)果分析

千枚巖干燥破碎帶及富水破碎帶(t=20 ms)波場如圖8所示，模擬結(jié)果顯示地震波在破碎帶前后界面均發(fā)生強(qiáng)烈的反射現(xiàn)象；觀測不同時刻波場快照可發(fā)現(xiàn)：縱波速度較橫波速度快，縱波提前于橫波到達(dá)；根據(jù)反射振幅分析，橫波反射振幅更大，反射能量更強(qiáng)。對比2種地質(zhì)模型可以看出，破碎帶富水時的縱波反射能量強(qiáng)于地下水不發(fā)育的破碎帶。

圖7 兩種地質(zhì)模型Fig.7 Two geological models

Table 2 Physical and mechanical parameters

vP/m·s-1vS/m·s-1ρ/g·cm-3千枚巖390020002．67水140001．00

圖8 波場快照(t=20 ms)Fig.8 The snapshot of the wave field

通過千枚巖破碎帶的TSP測試成果及正演模擬結(jié)論，千枚巖因其特有的質(zhì)軟、遇水泥化崩解的特性，使其對橫波的反射效果增強(qiáng)；而硬質(zhì)巖體破碎帶內(nèi)“縱波遇斷層破碎帶反射較強(qiáng)，若巖層富水橫波也反射較強(qiáng)”[4]，破碎帶對縱波的響應(yīng)更加明顯。

4 結(jié) 論

綜合分析TSP現(xiàn)場測試成果及Tesseral-2D軟件對千枚巖破碎帶2種含水條件下的地質(zhì)模型正演模擬結(jié)果，可以得出不同含水條件下千枚巖破碎帶的TSP解譯準(zhǔn)則。共同點(diǎn)：(1)縱波和橫波均對千枚巖破碎帶有較明顯反射現(xiàn)象，橫波降幅約為10.9%，縱波降幅約為2%；(2)橫波反射較縱波強(qiáng)；(3)vP/vS增大，動態(tài)彈性模量降低。不同點(diǎn)：當(dāng)千枚巖破碎帶富水時，縱波反射現(xiàn)象增強(qiáng)。

千枚巖破碎帶與硬質(zhì)巖體破碎帶相比，千枚巖對橫波的反射效果增強(qiáng)。

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Study of seismic wave reflection characteristics of unfavorable geological bodies in phyllite tunnel

JIA Jin-xiao, LI Tian-bin, MENG Lu-bo, LIU Yang-fei, CAO Hai-yang

StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

Collapse and other geological disasters often occur in the process of tunnel construction in soft rock like phyllite. Accurate prediction of geologic bodies in front of tunnel face is particularly important. Taking the typical phyllite tunnel, the Zegu mountain tunnel in Wenchuan-Maerkang Highway of Sichuan as example, on the basis of seismic wave propagation theory, combined with engineering geological analysis and forward modeling, the reflectivity and interpretation signs of seismic waves under different water conditions for phyllite fracture zone in the TSP prediction are discussed. It shows that reflection phenomenon is obvious when longitudinal wave and transverse wave meet fracture zone and transverse wave reflection phenomenon is more intense than the longitudinal wave. When fracture zone is rich in water, phyllite becomes softer and transverse wave reflection intensified. Analysis of the perspective of depth migration reveals that normal reflection and negative reflection shift frequently and the extensibility of single reflecting layer are poor. The result of this research improves the accuracy of TSP prediction in the construction of soft rock tunnel.

phyllite; TSP; structural crushing zone; forward modelling; interpretation signs

10.3969/j.issn.1671-9727.2016.06.13

1671-9727(2016)06-0751-06

2015-11-04。 [基金項(xiàng)目] 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41102189); 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)項(xiàng)目(SKLGP2009Z002); 成都理工大學(xué)優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培育計(jì)劃項(xiàng)目(HY0084) 。

賈金曉(1990-),男,碩士研究生,研究方向：地質(zhì)災(zāi)害研究與防治, E-mail:754206159@qq.com。

U456.33; P642

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