趙軼凡 劉 闖 鄒錦洲 宋文超

(華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 武漢 430074)

彈性波反射法(tunnel seismic prediction,TSP)方法是目前隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)中先進(jìn)的地球物理方法，不僅能夠探測(cè)工作面前方巖層、巖溶、斷層或破碎帶變化的空間信息，確定含水層的位置，還能提供工作面前方巖層的力學(xué)參數(shù)[1]。運(yùn)用地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，可以知道當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)狀況，如掌子面前方工程地質(zhì)狀況及圍巖等級(jí)，然后通過(guò)合理的判斷，為施工方提供施工依據(jù)，改進(jìn)施工方案，同時(shí)也可對(duì)隧道突水、突氣、突泥等工程災(zāi)害采取預(yù)先措施[2]。

1 TSP隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)

TSP系統(tǒng)由瑞士安伯格(Amberg)技術(shù)公司研發(fā)，已經(jīng)在隧道施工中得到了廣泛的運(yùn)用，其探測(cè)范圍可達(dá)數(shù)百米，能夠快速地對(duì)隧道開(kāi)挖的周圍地區(qū)進(jìn)行三維空間的工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)， 為隧道施工的安全高效提供決策依據(jù)[3]。

1.1 TSP原理

TSP法是一種多波多分量高分辨率地震反射法。地震波一般是通過(guò)對(duì)小量炸藥在預(yù)先設(shè)定的震源點(diǎn)(一般在隧道的一側(cè)邊側(cè)墻，炮點(diǎn)數(shù)量約為24個(gè))激發(fā)生成。當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ趥鞑サ倪^(guò)程中遇到巖石波界面的阻抗差異(如斷層、破碎帶和巖性的變化等導(dǎo)致阻抗差異) 時(shí)，一些地震信號(hào)會(huì)被反射回去，而另外一些透射進(jìn)入前方介質(zhì)中。被介質(zhì)反射的地震信號(hào)(圖1)可通過(guò)高靈敏度的地震傳感器接收到。對(duì)于接受到的數(shù)據(jù)，可以利用TSPwin軟件處理，從而分析前方地質(zhì)體的性質(zhì)、所處方位及規(guī)模大小[4]。

圖1 TSP探測(cè)原理

TSP數(shù)據(jù)的處理是通過(guò)專門搭配的TSPwin軟件實(shí)施的。該軟件處理數(shù)據(jù)時(shí)主要包含11個(gè)步驟，即頻譜分析、帶通濾波、能量均衡、縱橫波分離、速度分析、偏移歸位、反射層提取等。其提供的結(jié)果為地震反射層的2D和3D空間分布，并且還能夠反映出與其相應(yīng)的巖體力學(xué)參數(shù)?？蓳?jù)此結(jié)果先對(duì)反射波組合情況及其他特性進(jìn)行分析，再結(jié)合巖石物理力學(xué)性質(zhì)解讀并推測(cè)地質(zhì)體情況。

1.2 TSP地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

在隧道挖掘過(guò)程中，巖層條件和地質(zhì)危險(xiǎn)帶存在許多隱藏的危險(xiǎn)。 若是對(duì)有概率出現(xiàn)危險(xiǎn)的地段如巖石的非均質(zhì)條件、斷層或破碎帶、巖溶、含水地層缺少預(yù)報(bào)，則在施工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)隧道塌方、涌水等事故。

有效的預(yù)報(bào)系統(tǒng)可超前探測(cè)出隧道工作面周圍的三維空間圖，合理預(yù)判到開(kāi)挖面前的不良地質(zhì)體，以合理規(guī)避可能出現(xiàn)的地質(zhì)危害。

在隧道的施工過(guò)程中，使用TSP技術(shù)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，能夠在施工中同步反饋施工下一階段的地質(zhì)狀況，以合理規(guī)避可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)帶，提供足夠的時(shí)間來(lái)完善施工計(jì)劃。在當(dāng)前的施工階段就能對(duì)下一步的施工做出預(yù)判，如支撐隧道的巖石是否足夠牢固可靠，是否能讓開(kāi)挖設(shè)備不停止的連續(xù)施工，以最大幅度的縮短工期，節(jié)省工程費(fèi)用[5-6]。

1.3 TSPwin處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

TSPwin是一款久經(jīng)考驗(yàn)的智能化軟件，具有簡(jiǎn)單、易用的系統(tǒng)界面；根據(jù)工程地質(zhì)自適應(yīng)的參數(shù)計(jì)算，智能化地質(zhì)預(yù)報(bào)，多維度力學(xué)參數(shù)計(jì)算，快速生成評(píng)估結(jié)果等功能。

TSPwin的優(yōu)點(diǎn)主要有：預(yù)報(bào)范圍從100 m到1 000 m；無(wú)須利用開(kāi)挖面；TBM施工及鉆爆法等常規(guī)開(kāi)挖的場(chǎng)景下均可運(yùn)用；操作簡(jiǎn)單，對(duì)施工過(guò)程無(wú)妨礙；數(shù)據(jù)收集、處理速度快，可在施工現(xiàn)場(chǎng)的評(píng)估中運(yùn)用；能判定各種不良地質(zhì)體(如巖溶、破碎帶、含水帶等)性質(zhì)及空間位置；30 min即可作好準(zhǔn)備工作；測(cè)量時(shí)間小于90 min；同其他預(yù)報(bào)方法相比，成本低廉。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

2.1 工程背景

以某軟弱破碎隧道TSP實(shí)際應(yīng)用為例，具體分析研究TSP方法的運(yùn)用及存在問(wèn)題和提高措施。該隧道以近乎平行的方式穿越以桂頭群為主的背斜山。從野外地質(zhì)調(diào)查、鉆探及物探資料的結(jié)果來(lái)看，殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土、碎石土是隧址區(qū)內(nèi)主要的覆蓋土層，并且沿山坡和山間谷的坡地分布，具有厚度小的特征；下伏基巖主要為泥盆系中下統(tǒng)桂頭群(D1-2gtb)砂礫巖、砂巖、粉砂巖等。隧道軸線通過(guò)泥盆系中下統(tǒng)桂頭群砂礫巖、砂巖、粉砂巖等為主組成背斜北翼，頂部粉砂巖組合，兩側(cè)巖層傾向相反，分別形成南北兩翼。隧道地段地表水體較發(fā)育，地下水主要有第四系孔隙潛水、基巖裂隙水等幾種類型。

2.2 TSP現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

本次預(yù)測(cè)的24個(gè)炮點(diǎn)布置在隧道右邊的墻體上，呈一字排開(kāi)，每一個(gè)炮點(diǎn)相隔1.5 m，孔深1.5 m，孔徑42 mm；接收器的孔徑50 mm，第1個(gè)炮點(diǎn)設(shè)置在離接收器20 m處的位置。

先打好孔，將接收器套管放置進(jìn)去。在此過(guò)程中必須將套管和圍巖牢牢地耦合在一起。將接收器對(duì)好方向置于套管內(nèi)，接受信號(hào)線的兩端分別與接收器和記錄單元相連。

炸藥包(藥量為75 g)的制作采用乳化炸藥和瞬發(fā)電雷管，通過(guò)木制炮棍固定安放炸藥包，起爆線兩端與接雷管角線和接觸發(fā)盒分別相連。在引爆炸藥之前，需要引水填充炮孔，從而將炮口封住。見(jiàn)圖2。

圖2 TSP系統(tǒng)裝配圖

數(shù)據(jù)采集通過(guò)連續(xù)激發(fā)24炮得到，本次預(yù)測(cè)中，采樣率為62.5 μs，共得到7 218個(gè)樣點(diǎn)，在X-Y-Z三個(gè)分量接收。

2.3 TSP應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

綜合物探、鉆探資料及地調(diào)成果，出口左線ZK16+572-ZK16+422圍巖主要由微風(fēng)化花崗巖、輝長(zhǎng)巖、斷層角礫巖組成，巖體較為破碎。出口右線K16+649-K16+499圍巖主要由微風(fēng)化花崗巖、輝長(zhǎng)巖組成，巖質(zhì)較硬～堅(jiān)硬，為斷層影響帶，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎為主，局部較完整，兩段均處于富水帶。

通過(guò)對(duì)掌子面的觀察，發(fā)現(xiàn)ZK16+572樁號(hào)巖性為微風(fēng)化花崗巖，結(jié)合較好，巖石完整性較好，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水豐富，自穩(wěn)能力一般。K16+649樁號(hào)掌子面巖體為微風(fēng)化花崗巖，結(jié)合較好，巖石完整性好，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，自穩(wěn)能力較差，有滲滴水情況。

故對(duì)出口左線ZK16+572-ZK16+422及出口右線K16+649-K16+499兩段進(jìn)行TSP超前預(yù)報(bào)。左線ZK16+572-K16+422 P波原始記錄如圖3所示，P波深度偏移如圖4所示，2D反射面如圖5所示。從TSP得到的反射面圖中可知，預(yù)報(bào)階段的反射面較為稀疏。圍巖縱橫波速度略有起伏，推斷預(yù)報(bào)巖體較掌子面圍巖情況改變不大，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，局部裂隙水發(fā)育[7-8]。

圖3 ZK16+572-ZK16+422 P波原始記錄圖

圖4 ZK16+572-ZK16+422 P波深度偏移圖

圖5 ZK16+572-ZK16+422 2D反射面圖

預(yù)報(bào)范圍為ZK16+572-ZK16+490內(nèi)，根據(jù)隧道所處區(qū)域地質(zhì)背景及TSP探測(cè)的成果，推斷ZK16+572-ZK16+422段工程地質(zhì)情況如下。

1) ZK16+572-ZK16+490，長(zhǎng)82 m?？v橫波速度稍有降低，局部稍有起伏，推斷該段圍巖強(qiáng)度略有起伏，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙水豐富，自穩(wěn)較差，易坍塌掉塊。并且，整體的縱波速度為3.7 km/s，綜合預(yù)判后，可以認(rèn)定圍巖等級(jí)是IV級(jí)偏弱。

2) ZK16+490-ZK16+422，長(zhǎng)68 m?？v、橫波速度較平直，速度變化不明顯，推斷該段圍巖較掌子面變化不大，受構(gòu)造影響，圍巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部強(qiáng)度不均勻，自穩(wěn)略差。整體縱波速度3.7 km/s，綜合預(yù)判后，可以認(rèn)定圍巖等級(jí)是IV級(jí)。

右線K16+649-K16+499 P波原始記錄如圖6所示，P波深度偏移如圖7所示，2D反射面圖如圖8所示。從TSP反射面圖可知，反射面較稀疏。圍巖縱橫波速度無(wú)明顯變化，推斷圍巖整體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部裂隙水較發(fā)育。

圖6 K16+649-K16+499 P波原始記錄圖

圖7 K16+649-K16+499 P波深度偏移圖

圖8 K16+649-K16+499 2D反射面圖

在預(yù)報(bào)階段K16+649-K16+499的范圍內(nèi)，根據(jù)隧道所處區(qū)域地質(zhì)背景及TSP探測(cè)成果，推斷K16+649-K16+499段圍巖工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件分述如下。

1) K16+649-K16+589，長(zhǎng)60 m?？v、橫波速略有下降，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部裂隙水較發(fā)育,預(yù)報(bào)段整體縱波速度3.7 km/s，綜合預(yù)判之后，可以認(rèn)為圍巖的等級(jí)為IV級(jí)偏弱。

2) K16+589-K16+558，長(zhǎng)31 m?？v、橫波速度略有起伏，推斷預(yù)報(bào)段段圍巖較掌子面變化不大，預(yù)報(bào)段整體縱波速度3.8 km/s，綜合預(yù)判之后，可以認(rèn)定圍巖等級(jí)是IV級(jí)。

3) K16+558-K16+499，長(zhǎng)59 m?？v、橫波速略有下降，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙水發(fā)育，預(yù)報(bào)段整體縱波速度3.7 km/s，綜合預(yù)判之后，可以認(rèn)定圍巖等級(jí)是IV級(jí)偏弱。

綜合TSP預(yù)報(bào)結(jié)果和掌子面地質(zhì)觀察，初步判斷左線ZK16+572-ZK16+422段和右線K16+649-K16+499段為F3斷層破碎帶的影響范圍，圍巖等級(jí)是IV級(jí)，實(shí)際開(kāi)挖結(jié)果證實(shí)了F3斷層通過(guò)預(yù)報(bào)洞段。該洞段圍巖為微風(fēng)化花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部裂隙水發(fā)育，穩(wěn)定性較差，圍巖級(jí)別為IV級(jí)，與預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致。

3 TSP預(yù)報(bào)精度提高措施

針對(duì)在實(shí)際操作中可能導(dǎo)致TSP預(yù)報(bào)結(jié)果不準(zhǔn)確的因素，需采取必要的手段來(lái)加以改善。

1) 預(yù)報(bào)前資料準(zhǔn)備和收集需充分。在預(yù)報(bào)前，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)、水文資料進(jìn)行收集，在進(jìn)場(chǎng)后，需對(duì)已開(kāi)挖段及掌子面的圍巖情況進(jìn)行詳細(xì)記錄，掌握第一手資料。

2) 確保收集的原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量。對(duì)于未按規(guī)范布置的觀測(cè)系統(tǒng)，如炮孔和接收孔的深度不合規(guī)范，炮間距或偏移距未達(dá)到預(yù)報(bào)要求等，應(yīng)依照隧道施工情況及規(guī)范要求，使炮間距、偏移距、炮孔和接收孔深度、角度等合乎要求，并盡可能處在同一水平面上，使接收孔和炮孔布設(shè)合理，并應(yīng)在預(yù)報(bào)前進(jìn)行復(fù)測(cè)。

由于TSP處理系統(tǒng)的三分量高靈敏度傳感器是安裝在一根與巖體耦合的長(zhǎng)2 m的金屬管套上的，而地震波的能量在傳播中會(huì)逐漸減弱，到達(dá)傳感器時(shí)一般都很微弱，假若接受套管未耦合好，能量就會(huì)損失；炸藥量的不準(zhǔn)確及裝填炸藥的不合理也會(huì)導(dǎo)致能量的不同，裝量過(guò)小會(huì)導(dǎo)致信號(hào)弱，影響探測(cè)深度和精度，裝量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致能量超出上限，出現(xiàn)信號(hào)過(guò)載和失真；現(xiàn)場(chǎng)大量的噪聲干擾，如機(jī)械振動(dòng)、爆破的聲波干擾，也會(huì)影響數(shù)據(jù)的有效性和可靠度，影響預(yù)報(bào)效果。因此安置接受管套的空洞尺寸要滿足要求，可用軟布或海綿進(jìn)行包裹以減輕自振，必須確保完全耦合；裝設(shè)炸藥時(shí)要注意圍巖情況，裝藥量要根據(jù)圍巖情況及預(yù)期預(yù)報(bào)深度等確定，在條件允許的情況下可進(jìn)行試爆，裝填時(shí)要使炸藥和炮孔接觸緊密，并且要向孔內(nèi)注錨固劑或水以使炸藥與圍巖足夠耦合；在采集過(guò)程中應(yīng)停止隧道內(nèi)施工設(shè)備，無(wú)關(guān)人員離場(chǎng)，從而盡可能地排除采集過(guò)程中的干擾，同時(shí)也可通過(guò)將炮孔泥封或設(shè)立屏障的方法進(jìn)一步避免聲波的干擾。

3) 提高數(shù)據(jù)處理效果。軟件參數(shù)等應(yīng)盡可能正確設(shè)置，以免處理資料時(shí)盲目遵從軟件信息，導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際存在較大差距，甚至?xí)鲆暜惓｜c(diǎn)或增加虛假異常，影響了真實(shí)性和有效性。

同時(shí)，解譯資料過(guò)程中需要將每個(gè)圖結(jié)合起來(lái)，過(guò)分注意2D反射面圖而忽視速度圖和其他相應(yīng)的物性參數(shù)會(huì)影響預(yù)報(bào)效果。預(yù)報(bào)人員知識(shí)儲(chǔ)備、對(duì)隧道基本地質(zhì)和水文情況了解的不足，相應(yīng)的物探和地質(zhì)知識(shí)的缺乏，各類地質(zhì)模型的分布發(fā)育規(guī)律的不熟悉等等，都會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

由于存在的干擾較多，在處理的過(guò)程中要通過(guò)選取合理的參數(shù)來(lái)剔除干擾，可以通過(guò)多次嘗試處理，綜合分析確定。對(duì)資料的解譯要科學(xué)客觀，要根據(jù)開(kāi)挖的圍巖情況，合理確定預(yù)報(bào)的范圍，在充分了解基本情況，熟悉不良地質(zhì)發(fā)育分布規(guī)律的前提下進(jìn)行解譯，條件允許應(yīng)進(jìn)行多種物探手段進(jìn)行補(bǔ)測(cè)和驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 本文基于實(shí)際的工程項(xiàng)目，將掌子面地質(zhì)資料和TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料結(jié)合考慮，有效地預(yù)報(bào)了掌子面前方的巖體情況、圍巖等級(jí)和地下水狀況。將探測(cè)結(jié)果與實(shí)際開(kāi)挖中顯示的實(shí)際圍巖情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，表明TSP技術(shù)對(duì)隧道超前預(yù)報(bào)具有較好的實(shí)用性和準(zhǔn)確性。

2) 在測(cè)試時(shí)，預(yù)報(bào)人員要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)、水文資料進(jìn)行收集，應(yīng)深入現(xiàn)場(chǎng)，認(rèn)真觀察，記錄已開(kāi)挖段及掌子面的圍巖情況，同時(shí)嚴(yán)格按照規(guī)范布置系統(tǒng)，控制爆破質(zhì)量，按規(guī)范要求進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，確保采集到的數(shù)據(jù)有效可靠。

3) 預(yù)報(bào)人員需對(duì)隧道基本地質(zhì)和水文情況有充分了解，具備相應(yīng)的物探和地質(zhì)知識(shí)，熟悉各種地質(zhì)模型的分布、隧道施工及不良地質(zhì)體發(fā)育分布規(guī)律。處理數(shù)據(jù)時(shí)，要合理設(shè)置處理參數(shù)，多次處理對(duì)比分析，提高處理水平。解譯數(shù)據(jù)過(guò)程中，要將每個(gè)圖聯(lián)系起來(lái)，充分考慮掌子面開(kāi)挖情況及勘察設(shè)計(jì)資料，以便綜合分析準(zhǔn)確判斷。

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