盧奮強(qiáng) 黃 涵

1.廣西金盛交通勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣西南寧 530028；2.廣西交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣西南寧 530000

我國的華南地區(qū)為多山地區(qū)，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，及土地矛盾的日益尖銳，大量的公路鐵路隧道穿越高山丘陵地區(qū)，解決了土地問題的同時(shí)，增加了公路鐵路施工的難度，隧道穿越地質(zhì)條件復(fù)雜、斷裂帶發(fā)育、巖溶發(fā)育及地下水豐富地區(qū)的同時(shí)也帶來了塌方、冒頂、巖爆、軟巖蠕變、巖溶及突泥突水等一系列問題，故在擬建隧道開挖前進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就顯得極為重要。

目前我國公路工程中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要以地表及掌子面地質(zhì)調(diào)查結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)和TSP等物探手段為主，必要的時(shí)候采用超前水平鉆探的方法查明掌子面前方圍巖情況。

地表及掌子面工程地質(zhì)調(diào)查，是傳統(tǒng)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，通過對隧道區(qū)的工程地質(zhì)條件如地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、新構(gòu)造運(yùn)動、水文地質(zhì)的調(diào)查，從而掌握隧道區(qū)各種不良地質(zhì)體的發(fā)育情況，預(yù)測隧道掌子面前方的不良地質(zhì)體，避免事故發(fā)生。

通過工程地質(zhì)調(diào)查來進(jìn)行超前預(yù)報(bào)是一種比較有效的方法，但是其對預(yù)報(bào)人員的專業(yè)技能要求較高，且在隧道埋深較深、巖溶發(fā)育區(qū)等地質(zhì)條件相對復(fù)雜的區(qū)域，這種方法的準(zhǔn)確性就降低了，需要借助地球物理的方法來進(jìn)行綜合超前預(yù)報(bào)。地質(zhì)雷達(dá)法是目前公路隧道超前預(yù)報(bào)中一種常用的預(yù)報(bào)方法，它主要利用電磁波作為預(yù)報(bào)手段，因其操作方便，分辨率高從而被廣泛的應(yīng)用，其缺點(diǎn)是易受金屬干擾，且預(yù)報(bào)里程較短。地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，是利用地震波中的縱波和橫波的信息來探測隧道掌子面前方圍巖情況，比起電磁波法，其預(yù)報(bào)里程較長，有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于本次研究對象范圍較大，電磁波法不能全面的反映掌子面前方圍巖發(fā)育情況，故本文采用地震波法來進(jìn)行預(yù)報(bào)。

1 工程概況

隧道地處低緯度區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，所屬地貌為低山地貌單元，山體坡度較大，一般為40°～ 60°之間，局部地區(qū)達(dá)到70°，相對高差約為198m。地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)碎石及殘坡積粉質(zhì)粘土，下覆全風(fēng)化～微風(fēng)化鈣質(zhì)砂巖及中風(fēng)化石灰?guī)r。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

碎石土母巖以砂巖為主，濕，稍密，由粉質(zhì)粘土及粗砂填充，層厚約5.0m，僅在部分地區(qū)零星分布。鈣質(zhì)砂巖為紅褐色～灰黑色，強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)砂巖巖石結(jié)構(gòu)部分已被完全破壞，巖芯呈碎塊狀～短柱狀。中風(fēng)化鈣質(zhì)砂巖完整性較差，巖芯呈短柱狀～長柱狀，局部垂直裂隙發(fā)育。擬建隧道地區(qū)發(fā)育的石灰?guī)r主要為中風(fēng)化，灰白色～深灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，巨厚層狀構(gòu)造，受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動的影響，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。

根據(jù)地表調(diào)查，隧道穿過一環(huán)形斷裂，該斷裂為壓扭性，且陡傾坡外，斷層下盤為二疊系石灰?guī)r，屬于強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū)，斷層上盤為三疊系中統(tǒng)鈣質(zhì)砂巖，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。

經(jīng)前期地表調(diào)查及現(xiàn)場鉆探發(fā)現(xiàn)隧道部分溝谷地表水發(fā)育，水質(zhì)清澈，常年流水。地下水埋藏較深，勘察階段僅有個(gè)別鉆孔中發(fā)現(xiàn)地下水，地下水埋藏深度約為3.5～20.5m。

2 TSP地震波法預(yù)報(bào)原理

TSP（Tunnel Seismic Prediction） 方法屬于地震波反射法，是目前隧道中長期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要方法，它的特點(diǎn)在于能夠同時(shí)接收地震反射波中的縱波和橫波，且分辨率較高。它的工作原理如下：先將震源點(diǎn)即炮點(diǎn)布置在隧道邊墻上，通常選擇隧道軸向與地層或構(gòu)造走向成銳角的邊墻，炮點(diǎn)數(shù)量一般為24個(gè)，然后用小量炸藥依次激發(fā)產(chǎn)生地震波，地震波向掌子面前方傳播，當(dāng)它遇到斷層、破碎帶，巖性變化時(shí)，其波阻抗會發(fā)生明顯變化，形成波阻抗差異界面，一部分地震波會被這個(gè)界面反射回來，一部分地震波會繼續(xù)向前傳播，反射的地震波信號通過兩個(gè)高分辨率多波多分量傳感器接收，并經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換以數(shù)字形式存儲在電腦中（圖2） 。通過專用軟件將采集好的原始炮數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并與掌子面地質(zhì)素描相結(jié)合進(jìn)行綜合分析，即可預(yù)測隧道掌子面前方是否存在不良地質(zhì)體（如軟弱巖層帶、破碎帶、斷層、含水巖層、溶洞等） ，并可以大致判斷它們的具體位置及規(guī)模。

3. 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

2016年12月6日在華南地區(qū)某在建隧道進(jìn)行TSP地震波法地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)掌子面里程樁號為K118+631，由掌子面向小里程方向進(jìn)行預(yù)報(bào)，儀器采用瑞士產(chǎn)TSP 303 Plus型。數(shù)據(jù)采集時(shí)，設(shè)計(jì)激發(fā)震源24炮，采用2個(gè)X-Y-Z三分量接收器同時(shí)接收，儀器采樣間隔41.66μ s，記錄長度500ms。震源采用無爆炸延期的瞬發(fā)電雷管，防水乳化炸藥，激發(fā)藥量為每孔100～150g。觀測系統(tǒng)參數(shù)見表1，觀測系統(tǒng)示意見圖3。

表1 觀測系統(tǒng)參數(shù)表

圖3 觀測系統(tǒng)示意圖

2個(gè)接收器靈敏度較高，周圍的噪聲和震動都會使數(shù)據(jù)接收的質(zhì)量受到影響，因此，在進(jìn)行放炮采集數(shù)據(jù)的過程中隧道內(nèi)的所有施工都要暫停，并將無關(guān)人員全部撤離，以確保安全。

4. 數(shù)據(jù)分析解譯

4.1 數(shù)據(jù)處理

將采集好的數(shù)據(jù)通過Amberg TSP Plus專用軟件處理，軟件處理流程主要包括以下步驟：數(shù)據(jù)設(shè)置-濾波-初至拾取-炮能量均衡-Q因子計(jì)算-反射波提取-速度分析-深度偏移-反射層拾取。

其中，濾波包含兩個(gè)步驟：（1） 時(shí)變高截濾波，其作用是在信號頻率范圍內(nèi)壓制空氣波噪音；（2） 帶通濾波，其作用是在信號頻率范圍內(nèi)消除噪音振幅。

初至拾取的作用是確定P波的初至?xí)r間，使得P波速度得到校準(zhǔn)。炮能量均衡的作用是通過對地震剖面進(jìn)行一定的能量補(bǔ)償從而消除每炮之間的能量差異。Q因子即品質(zhì)因子，其與衰減因子α和頻率f的關(guān)系為通過對Q因子的計(jì)算便能夠確定地震波的衰減因子。速度分析的作用是依據(jù)隧道模型創(chuàng)建地震波速度的三維網(wǎng)格模型，每個(gè)立體網(wǎng)格都有一個(gè)速度值，從而使探測范圍網(wǎng)格化。深度偏移的作用是通過計(jì)算從炮點(diǎn)到潛在反射點(diǎn)再到接收位置的最終的P波及S波的傳播時(shí)間，對最終的三維速度模型進(jìn)行成像歸位，得到三維速度偏移模型。反射層提取的作用是從最終的三維速度偏移結(jié)果中提取主要的P波和S波的反射界面。

經(jīng)過以上處理步驟之后，就得到了最終的處理結(jié)果。

4.2 結(jié)果解譯

本次得到的處理結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 巖石屬性2D平面圖

圖5 P波2D平面圖和縱視圖

從圖中可以看到掌子面前方0～28m范圍內(nèi)縱波波速、橫波波速、密度、靜楊氏模量都較小。

掌子面前方28～97m范圍內(nèi)縱波波速、橫波波速、縱橫波速度比、泊松比、密度、靜楊氏模量較高。

掌子面前方97～120m范圍內(nèi)縱波波速、縱橫波速度比、泊松比、密度、靜楊氏模量減小。

掌子面前方120～131m范圍內(nèi)縱縱波波速、縱橫波速度比、泊松比、密度、靜楊氏模量高低起伏。

5 結(jié)語

通過現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合前期工程地質(zhì)勘查，對比TSP解譯結(jié)果，得出如下結(jié)論：

（1） 掌子面前方0～28m圍巖較差，經(jīng)地表調(diào)查分析認(rèn)為其為淺埋段，地表風(fēng)化卸荷作用強(qiáng)烈。掌子面前方28～97m圍巖完整性逐漸轉(zhuǎn)好。97～131m為斷層帶，圍巖破碎，縱波及橫波波速顯著降低。

（2） 在成果解釋中，應(yīng)以P波資料為主，結(jié)合S波資料對隧道掌子面前方圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行分析，應(yīng)遵循以下原則：①若Vp減小，表明圍巖裂隙較發(fā)育或孔隙度較高；②若Vp明顯減小，而Vs不發(fā)生明顯變化，則表明巖層中含有流體；③若Vp，Vs都減小，但Vs減小幅度更大，即Vp/Vs明顯增大，則表明圍巖較破碎或較疏松。

通過以上實(shí)例說明基于地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)可以對隧道工作面前方規(guī)模較大的不良地質(zhì)體進(jìn)行有效的預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)成果以二維視圖的形式進(jìn)行展現(xiàn)，能夠直觀地反映異常的結(jié)構(gòu)信息和空間信息，因此對于指導(dǎo)隧道施工具有重要意義。

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