李鈺強,顏英軍,巨廣宏

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

1 三維地質(zhì)預(yù)報的現(xiàn)狀與意義

在地下洞室施工中，經(jīng)常遇到的不良地質(zhì)主要為斷層破碎帶及基巖裂隙水地層，施工中遇到突涌水和塌方，造成施工中斷，因此施工前必須掌握真實的水文地質(zhì)資料，發(fā)生圍巖變化時需要總體規(guī)劃，分析原因，選擇合理的掘進方案[1]。而超前地質(zhì)預(yù)報能在施工中有效地掌握掌子面前方的地質(zhì)情況，采取積極主動預(yù)防和控制措施，降低施工風(fēng)險，對災(zāi)害風(fēng)險進行有效控制、保障生產(chǎn)安全。

近年來，隨著對安全生產(chǎn)的高度重視，對超前地質(zhì)預(yù)報的要求也隨之提高，不僅要求準確預(yù)報各類地質(zhì)現(xiàn)象，提前預(yù)判地質(zhì)災(zāi)害類型，對預(yù)極信息還需直觀、容易理解，預(yù)報中盡可能采用無損預(yù)報方式，不會影響已開挖洞室的穩(wěn)定性。

隨著BIM技術(shù)在設(shè)計施工中的應(yīng)用和三維成像技術(shù)的發(fā)展，在超前地質(zhì)預(yù)報中，也相應(yīng)產(chǎn)生了三維地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，其能直接反應(yīng)隧道與預(yù)報的各種地質(zhì)現(xiàn)象、地質(zhì)構(gòu)造確切關(guān)系，使預(yù)報成果更加直觀明了，通俗易懂[2]。

2 TGS360Pro三維地質(zhì)預(yù)報工作原理

“TGS-360”系統(tǒng)地震波超前預(yù)報方法是基于不同極化反射地震波技術(shù),彈性波記錄系統(tǒng)預(yù)設(shè)了三組分(3C)檢波器可分配，將它們分布在隧道壁等位置(共布設(shè)8個檢波器)。

該技術(shù)的理念是基于航空無線電定位3C檢波器的工作原理提出了一個定向覆蓋錐形雷達(錐角為45°)，經(jīng)過極化處理的波場根據(jù)每個檢波器遷移映射的結(jié)果，將所有覆蓋錐還原成一個在面部的中心點[3]。 在多個震源位置(連續(xù))激發(fā)情況下，完整波場矢量分量記錄被在現(xiàn)場處理，確保在任何方向從四面(前面、后面和兩邊)收到地塊的可靠而穩(wěn)定的總結(jié)性參數(shù)化三維圖像。工作原理見圖1。

3 TGS360Pro三維地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

3.1 建立三維觀測系統(tǒng)

通常在地面，用大地坐標就可以精確建立三維觀測系統(tǒng)，但是地下隧洞中，大地坐標反而不能直接用于三維觀測系統(tǒng)。為便于觀測，需建立符合超前預(yù)報的獨立三維系統(tǒng)。常規(guī)的地震記錄只能記錄一個方向上的分量，三分量檢波器則是由3個相同的檢波器組成，它們具有相同的耦合及相同的靈敏度[4]，可以采集3個方向的反射波。在隧洞內(nèi)采取掌子面布置或在洞壁兩側(cè)布置，圖2為常見的2種三維觀測系統(tǒng)的布置方式。

圖1 TGS360Pro探測原理

圖2 2種不同布置形式三維地震勘探觀測系統(tǒng)

3.2 震 源

更多的超前預(yù)報設(shè)備震源采用的是炸藥爆炸的地震波，如TST[5]、TSP[5]、TGP[7]等，在洞壁打孔，孔內(nèi)安裝炸藥作為震源，炸藥起爆能量足，震動強烈，其產(chǎn)生的地震波具有良好的脈沖特性和高能量等優(yōu)點。但炸藥量的多少、爆炸介質(zhì)的巖性、炸藥包形狀及其與爆炸介質(zhì)的耦合等因素，對地震波的形狀、波的振幅、頻率等特點有重要的影響；且炸藥作為震源，易對已經(jīng)形成的洞壁產(chǎn)生破壞，屬于有損預(yù)報。

錘擊震源與炸藥震源相比，施工效率受各種條件限制小，施工速度快，方便移動，同時可以進行連續(xù)多次激發(fā)進行垂直疊加以加大震源能量，減少對施工干擾的影響，施工便利，不依賴炸藥，不受炸藥管控的影響，近距離作業(yè)安全性能高，降低安全和環(huán)境污染風(fēng)險，施工效率高，但錘擊能量偏小。TGS360PRo采用錘擊作為震源。

3.3 數(shù)據(jù)采集

TGS360Pro用三分量檢波器，且將他們安置在同一個底座上，沿3個軸向方向放置，將隧道前方設(shè)置為X方向，橫向設(shè)置為Y方向，洞頂方向設(shè)置為Z方向，3個方向兩兩垂直，檢波器將反射回來的波接收，同時記錄瞬時速度的3個分量，圖3為三分量檢波器圖片。

圖3 三分量檢波器圖片

三分量檢波器工作原理是在震源發(fā)出地震波的瞬間記錄3個分量方向的波速A(x)、A(y)和A(Z)，當?shù)卣鸩ㄓ龅椒瓷浣缑?，檢波器檢測收集到反射波A′(x)、A′(y)和A′(Z)，同時記錄所用的時間T，分布在掌子面或洞壁兩側(cè)的8個檢波器分別記錄反射波[8]。每一道檢波器只需1根電纜與主機連接，可以實時接收數(shù)據(jù)，監(jiān)測檢波器的狀態(tài)是否接收數(shù)據(jù)源，并將接受的數(shù)據(jù)儲存。

TGS360Pro檢波器布置在深50 cm的孔壁內(nèi)，通過卡簧裝置使其與洞壁充分耦合，一般為8個檢波器，間隔2 m布置，兩排。單個三分量檢波器和兩個三分量檢波器均不能準確定位于隧道掌子面前方波阻抗差異界面的具體位置。為了保證三維預(yù)報的準確性和三維成像的數(shù)據(jù)量，三分量檢波器的安裝數(shù)量必須滿足需求。

3.4 數(shù)據(jù)解譯與分析

三分量檢波器采集完成數(shù)據(jù)資料后，通過提取數(shù)據(jù)資料中的有效波，濾除干擾波，利用不同的方法進行資料的處理和分析。首先利用設(shè)備專業(yè)軟件讀取數(shù)據(jù)資料，數(shù)據(jù)資料處理過程中，可以添加更多信號進行分析；讀取數(shù)據(jù)之后對數(shù)據(jù)進行里程校正、坐標校正和測點編排、檢波器位置校正、檢波器距離校正。測點編排，將橫波和縱波分離，對縱波進行信號分析，剔除縱波信號中的廢道、進行零點校正及噪聲切除。選擇合適的初始波速、增益、濾波設(shè)置等。TGS360Pro的工作原理是根據(jù)下列公式[9]：

利用公式(1)，結(jié)合特定的算法，計算出8個參數(shù)，S(應(yīng)力梯度)、W(含水可能性)、Vp(縱波波速)、Vs(橫波波速)、Vp/Vs(波速比)、μ(泊松比)、Young(楊氏模量)、Category(危險等級)。圖4為TGS360Pro參數(shù)解譯界面。

完成通常的數(shù)據(jù)處理后得到各種信息圖像，不能完全反映地質(zhì)解釋，需要進一步結(jié)合地質(zhì)資料，構(gòu)建預(yù)報區(qū)三維地質(zhì)模型，合理分析解譯各種地質(zhì)現(xiàn)象，如斷層帶、含水、巖溶等。通過數(shù)據(jù)處理后的含水可能性圖像，結(jié)合地層巖性和開挖揭露的地質(zhì)資料，預(yù)報前方涌水、滲水、滴水等現(xiàn)象；預(yù)報區(qū)的應(yīng)力梯度或縱橫波速突變區(qū)，是否存在連貫性，結(jié)合周邊圍巖條件，解譯前方為斷層、節(jié)理密集帶、溶洞等地質(zhì)現(xiàn)象。

圖4 TGS360Pro參數(shù)解譯界面

3.5 三維成果展示

三維地質(zhì)預(yù)報成果主要是在三維鏡像上展示，首先對解譯的掌子面前方地質(zhì)體的縱橫波波速，利用縱橫波的波速計算出應(yīng)力梯度、縱橫波速比、松比、楊氏模量，結(jié)合含水率，繪制圍巖危險等級圖，同時也可以繪制三維切片斷面圖，反映地質(zhì)構(gòu)造體的規(guī)模和位置。

4 實 例

4.1 基本地質(zhì)情況

某工程泄洪洞巖性為白云石大理巖與金云母大理巖互層，灰白～灰黃色，微風(fēng)化，巖質(zhì)較軟，產(chǎn)狀NE70°～85°SE∠15～25°。圍巖整體穩(wěn)定性較差，易在拱頂部位發(fā)生順層剝落現(xiàn)象，洞內(nèi)較潮濕。

4.2 現(xiàn)場測試及預(yù)報解譯成果

現(xiàn)場測試采用掌子面布置8個三分量傳感器，間距2m，錘擊震源，每個錘擊點敲擊8次，采集數(shù)據(jù)。根據(jù)探測數(shù)據(jù)解譯及圖像分析，結(jié)合地勘資料及掌子面圍巖地質(zhì)揭示情況，對前方150m范圍內(nèi)地質(zhì)條件及異常進行了預(yù)測預(yù)報。根據(jù)測試的綜合波速，計算出各個點的應(yīng)力參數(shù)，綜合為危險性系數(shù)，以不同的顏色表示不同的危險等級，和掌子面的巖體進行對比，綠色表示巖體與掌子面一致，紅色表示巖體存在危險性，與含水率分布圖和應(yīng)力梯度圖及地質(zhì)資料綜合分析，預(yù)測前方的地質(zhì)現(xiàn)象和可能的地質(zhì)災(zāi)害類型。

該段解成果為前方巖體整體較完整～較破碎，其中在K2+104m～K2+119m、K2+139m～K2+144m、K2+159m～K2+164m區(qū)段內(nèi)可能存裂隙密集帶或小型斷裂破碎帶，掌子面前方91m范圍內(nèi)主體Ⅲ類，局部為Ⅳ類，整體圍巖基本穩(wěn)定，局部不利組合可能形成不穩(wěn)定塊體。詳細解譯成果匯總見圖5。

圖5 解譯成果匯總

4.3 開挖對比分析

現(xiàn)場對預(yù)報段開挖進行了跟蹤編錄，并與預(yù)報成果進行了對比分析，開挖揭露的洞室圍巖為Ⅳ類，層面節(jié)理較為發(fā)育，降雨后有滲水，局部段節(jié)理密集發(fā)育，詳細對比見圖6。

圖6 TGS360Pro預(yù)報開挖對比

K2+078m～K2+228m段巖性為白云石大理巖與金云母大理巖互層，灰白～灰黃色。巖質(zhì)較軟弱。裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，整體穩(wěn)定性較差。在開挖過程中掌子面前方30m附近、50～60m部位存在節(jié)理密集帶，發(fā)生坍塌。洞內(nèi)較潮濕。圍巖類別以Ⅳ類為主。

通過上圖對比分析，前100m預(yù)報基本準確，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖體較為破碎，為Ⅳ類圍巖，洞室開挖面潮濕，與降雨有直接關(guān)系；而后面50m預(yù)報差別較大，預(yù)測為洞室，實際段無洞室存在，因此需進一步研究。

5 結(jié) 語

TGS360Pro三維預(yù)報系統(tǒng)數(shù)據(jù)真實確定反射界面的空間位置，在超前預(yù)報中具有較強的適用性，錘擊震源使用方便，檢波器僅需打8個50cm深的孔，施工簡單，三維觀測地質(zhì)條件適應(yīng)性很強。根據(jù)開挖驗證成果，其預(yù)報的準確性較高，但在數(shù)據(jù)解譯中如何結(jié)合具體的不良地質(zhì)現(xiàn)象，三維預(yù)報成果更好地展示各種不良地質(zhì)體與隧道關(guān)系，還需要進一步研究。