沈世偉,謝合恩

(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林 長春 130026)

隧道在開挖掘進(jìn)的過程中,因?yàn)樯襟w中地質(zhì)條件有所不同,圍巖地質(zhì)情況復(fù)雜多變,掌子面前方往往存在不良地質(zhì)地段,導(dǎo)致各種地質(zhì)災(zāi)害(如涌水、瓦斯突出、巖爆、大變形等)時(shí)常發(fā)生,嚴(yán)重影響隧道工程施工進(jìn)度以及人員設(shè)備安全[1]。隧道超前預(yù)報(bào)能夠預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及圍巖完整性與含水可能性,為正確選擇開挖方式、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)[2]。

在我國,隧道超前預(yù)報(bào)研究始于上世紀(jì)50年代末,而隧道超前預(yù)報(bào)實(shí)際應(yīng)用于隧道工程建設(shè)始于上世紀(jì)70年代[3]。常用的隧道超前預(yù)報(bào)方法包括水平聲波/地震波剖面法[4](HSP,horizontal sonic/seismic profiling)、隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)法[5](TGP,tunnel geology prediction)、真正反射層析成像法[6](TRT,true reflection tomography)、隧道地震波層析成像法[7](TST,tunnel seismic tomography)、地震波反射法(TSP,tunnel seismic prediction)等。其中TSP目前在國內(nèi)外隧道超前預(yù)報(bào)中有很廣泛的應(yīng)用。

TSP在隧道工程中應(yīng)用廣泛,具有單次預(yù)報(bào)距離長、影響施工時(shí)間短、環(huán)境適用性強(qiáng)等特點(diǎn)[8],且預(yù)報(bào)結(jié)果準(zhǔn)確,得到了普遍應(yīng)用和肯定。但由于隧道工程的施工環(huán)境和工程地質(zhì)條件具有隨機(jī)性和復(fù)雜性,利用TSP進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)會(huì)受到各種因素(如炮孔質(zhì)量、震源激發(fā)量、觸發(fā)信號(hào)延時(shí)、檢波器錨固效果、施工振動(dòng))的干擾,以及掌子面前方不良地質(zhì)體的復(fù)雜性帶來的物探解譯多解性,TSP在資料采集、資料處理方面過程復(fù)雜且要求比較高,同時(shí)對預(yù)報(bào)工作人員的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)以及成果解譯經(jīng)驗(yàn)要求高,導(dǎo)致在實(shí)際工作中預(yù)報(bào)結(jié)果與隧道實(shí)際圍巖地質(zhì)狀況存在一些錯(cuò)報(bào)或漏報(bào),影響預(yù)報(bào)結(jié)果和施工進(jìn)度,甚至?xí){到人員設(shè)備的安全,帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

我們在前人研究的基礎(chǔ)上,闡述了TSP超前預(yù)報(bào)的原理與方法,并分析了TSP數(shù)據(jù)采集過程中的干擾因素,同時(shí)以集安-雙遼高速公路泉太隧道為依托,對TSP法預(yù)報(bào)的實(shí)測數(shù)據(jù)行了解譯分析,為正確有效地指導(dǎo)施工提拱參考。

1 TSP原理與方法

TSP是利用地震波在彈性介質(zhì)中的傳播理論,首先在洞內(nèi)指定的震源點(diǎn)用小量炸藥激發(fā),產(chǎn)生的地震波在巖石中以球面波的形式向前傳播,當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(即波阻抗界面,如斷層、巖石破碎帶、巖性突變等)時(shí),一部分地震信號(hào)反射回來,另一部分地震信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì),反射的地震信號(hào)將被2個(gè)三維高靈敏度的地震檢波器接收。通過對接收信號(hào)的動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行分析,可推斷斷層和巖石破碎帶等不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀及巖石動(dòng)力參數(shù)。

通過對隧道三維波場的充分認(rèn)識(shí),將側(cè)方回波、后方回波、地表回波等無用波形進(jìn)行濾波,使檢波器接收隧道掌子面前方返回的有效反射波,通過波形圖像處理及波場分析等手段,進(jìn)行時(shí)頻特征和振幅特征分析,獲得掌子面前方不良地質(zhì)體的特征信息,從而達(dá)到指導(dǎo)隧道施工的目的。

TSP隧道工程超前預(yù)報(bào)是在隧道已開挖段一側(cè)襯砌上開鑿18～24個(gè)炮孔,采用由掌子面開始依次爆破的方式發(fā)射地震波,當(dāng)圍巖波阻抗發(fā)生變化時(shí)(例如遇巖溶、斷層或巖層的分界面),一部分地震波將會(huì)被反射回來,另一部分地震波將會(huì)繼續(xù)向前傳播。反射的地震波由高精度三分量檢波器所接收并在主機(jī)形成地震波波形原始數(shù)據(jù),通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以獲得隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、巖石的反射層位、各反射層能量大小等成果資料,同時(shí)可得到反射層的二維及三維空間分布,從而獲得掌子面前方可能影響施工及隧道穩(wěn)定性的不良地質(zhì)體的具體地質(zhì)情況,達(dá)到預(yù)報(bào)效果[9]。地震反射波法探測原理示意圖如圖1所示。

圖1 地震反射波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道工程中探測原理示意圖Fig.1 Diagram of the sounding principle of seismic reflection wave advanced geographical forecasting in tunnel engineering

地震波數(shù)據(jù)處理時(shí),首先測得從震源直接到達(dá)地震波檢波器的縱波傳播時(shí)間,然后計(jì)算地震波的傳播速度Vp,其計(jì)算公式[10]為

(1)

其中:L1為震源到地震波檢波器的距離(m);T1為直達(dá)波的傳播時(shí)間(s)。

已知地震波的傳播速度,可以換算出反射波的傳播時(shí)間T2,其計(jì)算公式為

(2)

其中:L2為震源到反射面的距離(m);L3為地震波檢波器到反射面的距離(m) 。

反射波的波速、延時(shí)時(shí)間與掌子面前方地質(zhì)體的位置及性質(zhì)相關(guān)。通過分析接收的反射波可以得到掌子面前方地層不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀等。

2 TSP系統(tǒng)在隧道工程預(yù)報(bào)過程中的影響因素及改進(jìn)措施

在隧道TSP超前預(yù)報(bào)過程中,前期的資料采集、隧道的施工環(huán)境、炮孔的布置、地震波的激發(fā)、接收以及后期數(shù)據(jù)處理和物探解譯的多解性等都會(huì)對超前預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性及精確性帶來干擾。在分析前人研究的基礎(chǔ)上,總結(jié)了提高和改善 TSP系統(tǒng)預(yù)報(bào)效果的措施和方法。

2.1 前期資料采集

預(yù)報(bào)段地質(zhì)資料是進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理及解譯的基礎(chǔ)性資料。因此,在預(yù)報(bào)之前要收集預(yù)報(bào)段的地質(zhì)、水文資料,在進(jìn)入隧道施工現(xiàn)場后,要認(rèn)真觀察記錄已開挖段以及掌子面的圍巖情況(包括巖性、圍巖等級(jí)、主要結(jié)構(gòu)面類型、走向、地下水等),為數(shù)據(jù)解譯奠定基礎(chǔ)。

2.2 預(yù)報(bào)過程中隧道環(huán)境干擾

隧道環(huán)境對預(yù)報(bào)結(jié)果的干擾主要有2種,一是隧道內(nèi)大型機(jī)器及大型車輛作業(yè)振動(dòng)產(chǎn)生的脈沖干擾;二是隧道內(nèi)電器及電路產(chǎn)生的電磁干擾[11]。

為防止脈沖干擾,預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)停止預(yù)報(bào)區(qū)內(nèi)的施工作業(yè),禁止大型車輛在預(yù)報(bào)區(qū)內(nèi)行駛,防止脈沖干擾的產(chǎn)生。而預(yù)防電磁干擾的措施,主要是在預(yù)報(bào)時(shí)讓檢波器盡量遠(yuǎn)離電器及輸電線路,如條件允許可將一些電器設(shè)備斷電,以盡可能的消除電磁干擾。脈沖干擾情況下采集的波形如圖2所示。

2.3 地震波激發(fā)干擾

TSP地震波的激發(fā)是在隧道已開挖段一側(cè)襯砌上開鑿18～24個(gè)炮孔,采用依次起爆的方法發(fā)射地震波。炮孔施工的規(guī)范程度、爆破藥量及雷管的選擇等對地震波震源信號(hào)具有決定性作用,而地震波震源信號(hào)的好壞是決定TSP超前預(yù)報(bào)準(zhǔn)確與否最重要的因素。

圖2 脈沖干擾數(shù)據(jù)Fig.2 Pulse interference data graph

根據(jù)地震波的采集需要,檢波孔深度應(yīng)大于炮孔。通常情況下,炮孔深度為1.5 m,檢波孔深度2.0 m[12]。在各炮孔及檢波器孔孔口應(yīng)用炮泥封堵,以防止爆炸能量損失。TSP系統(tǒng)超前預(yù)報(bào)中地震波經(jīng)過τ-p變換提取反射波,得到真實(shí)時(shí)差。當(dāng)炮孔高度不同時(shí),實(shí)際上布置的是彎曲測線,反射波從炮孔到檢波孔的時(shí)差發(fā)生明顯的跳躍。彎曲測線上通過各個(gè)震源接收到的信號(hào)經(jīng)過變換后存在新的時(shí)差,疊加效果差,預(yù)報(bào)精度受到極大影響。炮孔高度不同時(shí)接收到的波形如圖3所示。

圖3 不同炮孔高度干擾下的波形Fig.3 Waveform interfered by different blasthole heights

TSP震源的激發(fā)是通過炸藥爆炸產(chǎn)生地震波,爆炸后能量都以地震波的方式向前傳播。若炮孔過淺或孔口封堵效果不好,大部分能量會(huì)耗散在空氣中,可能導(dǎo)致檢波器接收到的信號(hào)頻率較低,影響系統(tǒng)探測分辨率。同時(shí)炮孔過淺震源激發(fā)后產(chǎn)生的大量能量可能會(huì)導(dǎo)致初襯混凝土嚴(yán)重?fù)p壞,造成不必要的損失。

另一方面,炸藥用量的多少?zèng)Q定了震源信號(hào)強(qiáng)度。炮孔內(nèi)裝藥量過少,將導(dǎo)致地震波能量不足,使 TSP 的檢波器無法接收到足夠的反射縱波,無法保證預(yù)報(bào)精度;裝藥量過大,將使炮孔周圍的巖體發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形并粉碎,并在空氣中產(chǎn)生空氣沖擊波和劇烈聲響,形成干擾信號(hào)。不同硬度的巖石適用的炸藥量也有所差異,這是因?yàn)椴煌捕鹊膸r石,其地震波的主頻分布不同。通過國內(nèi)外物探工作者常年積累、總結(jié)的經(jīng)驗(yàn),不同硬度的巖石其震源主頻分布如表1所列[13]。

表1 不同硬度巖石主頻分布

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),完整新鮮的堅(jiān)硬巖石炸藥用量為40～70 g;破碎巖體、軟巖(全風(fēng)化巖體)炸藥用量為80～200 g。藥量選擇還與隧道的形式及預(yù)報(bào)距離有著密切的關(guān)系。此外,由于炮孔與檢波器的距離不同,炸藥用量應(yīng)遵循“越遠(yuǎn)越多”的原則。在選擇雷管時(shí),應(yīng)選擇瞬發(fā)雷管,避免產(chǎn)生延時(shí)誤差,給預(yù)報(bào)精度帶來影響[14]。藥量不合理?xiàng)l件下的波形如圖4和圖5所示,采用延時(shí)雷管產(chǎn)生延時(shí)的波形如圖6所示。

圖4 炸藥過多時(shí)的波形Fig.4 Waveform when explosives are too much

2.4 地震波采集過程中的干擾

地震波的采集質(zhì)量決定了其預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確度與精確度,因此TSP地震波的采集至關(guān)重要。在實(shí)際操作中,檢波孔的布置對檢波器接收地震反射波的影響很大[15]。檢波孔不應(yīng)布置在空腔位置,且檢波器應(yīng)與圍巖耦合良好,以保證其對地震反射波的接收。由于TSP數(shù)據(jù)采集時(shí)采用單側(cè)放炮,這樣必然會(huì)產(chǎn)生地震反射波接收盲區(qū),當(dāng)隧道前方線路彎曲或隧道橫截面較寬時(shí),應(yīng)在隧道雙側(cè)布置檢波器,在處理時(shí)結(jié)合2個(gè)檢波器接收的地震波形進(jìn)行分析,以更好地對前方地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。檢波器與圍巖耦合不好時(shí)的波形如圖7所示。

圖5 炸藥過少時(shí)的波形Fig.5 Waveform when explosives are too less

圖6 使用延時(shí)雷管時(shí)的波形Fig.6 Waveform when using using detonators

圖7 檢波器與圍巖耦合不好時(shí)波形圖Fig.7 Waveform when the detector is not well coupled with the surrounding rock

2.5 后期數(shù)據(jù)處理及解譯中的干擾

在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)切忌盲目使用軟件內(nèi)置的默認(rèn)參數(shù),導(dǎo)致真實(shí)的波形被掩蓋,干擾波形被增益,造成漏報(bào)和錯(cuò)報(bào)[16]。正確的做法是對應(yīng)不同波頻的特點(diǎn),選取合適的參數(shù),提取有效的反射波,抑制或舍棄干擾波(如聲波、面波、散射波等)。應(yīng)根據(jù)圍巖條件及初始波形等因素綜合考慮,選取低截、高通、低通、高截的數(shù)值。在資料解譯的過程中要結(jié)合全部資料(包括2D層位圖、速度圖、深度偏移圖等),不要過于關(guān)注單方面資料,導(dǎo)致解譯結(jié)果片面和失準(zhǔn)。同時(shí)解譯工作人員要對隧道的基本地質(zhì)情況和水文情況有所了解,熟悉各種地質(zhì)模型的特點(diǎn)以及發(fā)育規(guī)律,靈活的運(yùn)用所掌握的一切資料,科學(xué)的有依據(jù)地進(jìn)行解譯。

3 工程實(shí)例

3.1 泉太隧道工程地質(zhì)概況

集安-雙遼高速公路泉太隧道位于吉林省遼源市東遼縣泉太鎮(zhèn)境內(nèi),隧道分左右2幅,隧道間距22.0～25.5 m,右幅長949 m,左幅長981 m,屬中隧道,其工程概況如表2所列。

表2 泉太隧道工程概況

隧道位于吉林優(yōu)地槽褶皺帶后嶺隆起,主要地質(zhì)構(gòu)造為遼源-東豐斷裂帶與遼源盆地。隧道通過的地區(qū)巖性主要為華力西晚期花崗巖,上覆第四系松散層。隧道區(qū)水系不發(fā)育,隧道處山溝內(nèi)溪流受季節(jié)影響大,雨季及春融有水量,主要以大氣降水補(bǔ)給,垂直蒸發(fā)排泄,總體水量不大。

該區(qū)域地下水以孔隙水、基巖裂隙水為主,水量不大,其補(bǔ)給來源主要為大氣降水,氣候?qū)Φ叵滤男纬善鹬鴺O為重要的作用,使其地下水具有周期性與季節(jié)性變化,與之相應(yīng)的潛水水位及間歇性泉的涌水量也隨之變化。

3.2 TSP現(xiàn)場工作布置

選擇泉太隧道右線YK166+613～YK166+710段TSP地質(zhì)超期預(yù)報(bào)為例進(jìn)行分析。在已開挖一側(cè)隧道洞壁上開鑿24個(gè)深度1.5 m、孔徑40 mm的炮孔(第1個(gè)炮孔距離掌子面5 m,相鄰兩炮孔間距1.5 m),在距檢波孔最近處炮孔內(nèi)放置60 g炸藥,后每隔4個(gè)孔炸藥增加5 g,依次爆炸,在距離掌子面最遠(yuǎn)一個(gè)炮孔15 m處開鑿深度2.0 m、孔徑50 mm的檢波孔,用于接收地震反射波。具體測點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 TSP地震反射波法超前預(yù)報(bào)測點(diǎn)布置示意圖Fig.8 TSP seismic reflection wave method advanced forecasting points layout

3.3 數(shù)據(jù)分析

將原始波形圖導(dǎo)入TSPwin軟件處理,利用TSPwin軟件處理可得P波和S波波場分布規(guī)律,其分析過程為:波形調(diào)入→初至拾取→炮能量平衡→頻率濾波→自動(dòng)增益控制→波場分離→P-S波分離→速度掃描→偏移成像→地質(zhì)解譯,最終顯示掌子面前方與隧道軸線相交的波阻抗界面及其地質(zhì)解譯二維成果圖。分析結(jié)果如圖9～圖12所示。

圖9 YK166+613斷面三分量速度掃描圖像Fig.9 YK166 613 section three-component speed scan imagery

速度掃描利用反射波層析成像原理求出掌子面前方巖體在空間上的速度分布狀況,從而定量評(píng)價(jià)掌子面前方被測巖體的軟硬程度,更好地為施工提供參數(shù)。

為將掌子面前方的反射波在空間上準(zhǔn)確定位,利用深度偏移實(shí)現(xiàn)了對被測巖體地質(zhì)界面成像用以確定地質(zhì)界面的產(chǎn)狀。圖10中的圓弧線代表掌子面前方的波阻抗界面(即地質(zhì)反射界面),其中紅色線條為巖體由軟變硬的界面,藍(lán)色線條為巖體由硬變軟的界面;先藍(lán)后紅的組合表明此處為斷裂帶;線條密集表明構(gòu)造發(fā)育、巖體破碎;線條稀疏表示巖體完整。由圖10可以看出YK166+695-YK166+706區(qū)域內(nèi)裂隙發(fā)育豐富。

圖10 YK166+613斷面三分量深度偏移后的圖像Fig.10 Image after three-component depth offset of the YK166 613 section

圖11 掌子面前方圍巖波速曲線Fig.11 The wave velocity curve of the surrounding rock in front of the face

圖12 掌子面前方結(jié)構(gòu)面位置及產(chǎn)狀示意圖Fig.12 Position and occurrence of the structural surface in front of the face

掌子面前方圍巖波速曲線如圖11所示,圖11(a)中紅線為縱波(Vp),藍(lán)線為橫波(Vs),圖11(b)中藍(lán)線為VP/Vs。由圖11可知在YK166+635-YK166+654區(qū)域內(nèi)縱波明顯減小。經(jīng)過速度掃描及深度偏移成像后的掌子面前方波阻抗界面位置及產(chǎn)狀如圖12所示。

3.4 預(yù)報(bào)結(jié)果

經(jīng)數(shù)據(jù)解譯,預(yù)報(bào)結(jié)果如下:

(1) 泉太隧道YK166+613斷面超前預(yù)報(bào)里程從掌子面開始至YK166+710,預(yù)報(bào)距離97 m。

(2) 根據(jù)巖體波速結(jié)果可以看出,在YK166+635-YK166+654區(qū)域內(nèi),巖體波速明顯減小,表明該段圍巖破碎程度高,且含水量大,疑似為斷層破碎帶,建議在施工過程中加強(qiáng)支護(hù),必要時(shí)注漿堵水,保證隧道的穩(wěn)定性。

(3) YK166+695及YK166+706斷面存在2處明顯的波阻抗界面,且該段范圍內(nèi)巖體波速較其余地段小,說明此區(qū)域內(nèi)圍巖較破碎,建議在施工中注意觀察,必要時(shí)可采取增加錨桿數(shù)量等加強(qiáng)支護(hù)形式,預(yù)防塌方。

(4) 在YK166+661、YK166+679斷面處也存在明顯的波阻抗界面,但巖體波速未出現(xiàn)明顯變化,可能為軟弱結(jié)構(gòu)面,也可能為小規(guī)模結(jié)構(gòu)面,建議在開挖過程中注意觀察。

3.5 預(yù)報(bào)結(jié)果驗(yàn)證

在實(shí)際開挖過程中,在YK166+643～YK166+651附近,圍巖裂隙增多,裂隙含水量增加,其中幾處有水流出,但水流量不大。在YK166+695及YK166+706斷面處圍巖較破碎,在開挖過程中出現(xiàn)了落石掉渣現(xiàn)象。開挖結(jié)果顯示,TSP超前預(yù)報(bào)準(zhǔn)確地預(yù)測了掌子面前方的地質(zhì)狀況,與解譯結(jié)果吻合良好。

4 結(jié)論

(1) 對于TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)可在前期的資料采集、隧道的施工環(huán)境、炮孔的布置、地震波的激發(fā)、接收以及后期數(shù)據(jù)處理和物探解譯的多解性等多方面采取有效措施,可以降低干擾,提高預(yù)報(bào)精度。

(2) 提高TSP超前預(yù)報(bào)精度的手段包括:①預(yù)報(bào)前認(rèn)真采集隧道有關(guān)資料;②降低脈沖干擾和電磁干擾的影響;③規(guī)范合理的布置炮孔;④合理的選用炸藥用量及雷管類型;⑤確保檢波器與圍巖耦合良好;⑥合理地選用參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,科學(xué)有據(jù)地進(jìn)行解譯。

(3) 通過在泉太隧道進(jìn)行TSP超前預(yù)報(bào),驗(yàn)證了在隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中,TSP 能快速、準(zhǔn)確地識(shí)別掌子面前方一定距離范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體(如斷層裂隙水、圍巖破碎帶等)的類型、位置、構(gòu)造走向等空間分布特征,且與現(xiàn)場開挖情況吻合良好。