劉 倩，檀朝彬，韓 星，呂會(huì)喜，展先彪

（1.北華航天工業(yè)學(xué)院電子與控制工程學(xué)院，河北廊坊 065000；2.武漢中原電子集團(tuán)有限公司，武漢 430205；3.中地遠(yuǎn)大（廊坊）精密儀器制造有限公司，河北廊坊 065000）

0 引言

我國(guó)地質(zhì)屬多山且地質(zhì)復(fù)雜的地下環(huán)境，使得隧道掘進(jìn)的難度大，而施工中可能出現(xiàn)的松散地層、巖體破碎帶等地質(zhì)異常體［1］，在隧道施工中會(huì)嚴(yán)重拖延工期，甚至危及施工人員的生命安全。通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，可提前獲知隧道掌子面前方的地質(zhì)情況，并及時(shí)將異常信息通過(guò)上位機(jī)上報(bào)給施工管理員。地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)有地震反射波法、電磁法、地質(zhì)分析法、紅外探測(cè)法等。本文采用基于反射波理論的地震反射波法（TSP）與地質(zhì)調(diào)查相結(jié)合的方法，在施工前預(yù)先通過(guò)地質(zhì)觀察，初步判斷掌子面及洞身的地質(zhì)發(fā)育、風(fēng)化、有無(wú)滲水等地質(zhì)情況，并且根據(jù)這些觀察分析繪制地質(zhì)素描圖，然后通過(guò)儀器接收多波多分量的地震反射波信號(hào)［2-5］，并對(duì)提取到的反射波信號(hào)進(jìn)行縱（P 波）、橫波（S波）分離、偏移成像［6］等技術(shù)建立分析和預(yù)測(cè)模型。結(jié)合前期地質(zhì)觀察結(jié)果補(bǔ)充修正分析預(yù)測(cè)模型，最終給出準(zhǔn)確的地質(zhì)解釋?zhuān)栽鰪?qiáng)地質(zhì)環(huán)境的預(yù)報(bào)能力，保證隧道工程的順利進(jìn)行，進(jìn)而節(jié)約地質(zhì)預(yù)報(bào)的工程成本，提高工程效率與探測(cè)精度［7］。

1 地質(zhì)預(yù)報(bào)方法

1.1 地質(zhì)素描調(diào)查法

實(shí)際隧道施工過(guò)程中對(duì)開(kāi)挖面的地質(zhì)情況進(jìn)行如實(shí)而準(zhǔn)確的反映就是地質(zhì)素描法。素描的內(nèi)容包括地層巖性、構(gòu)造發(fā)育情況及地下水的出水狀態(tài)、圍巖的穩(wěn)定性及初期支護(hù)采用的方法等。典型特征是不占用施工時(shí)間和不干擾施工。

1.2 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

TSP預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要由地質(zhì)數(shù)據(jù)預(yù)處理、核心處理、地質(zhì)解釋及上位機(jī)組成，如圖1 所示。

圖1 TSP系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

地震檢波器通過(guò)接收多波多分量的地震反射波信號(hào)，對(duì)提取到的反射波信號(hào)進(jìn)行縱（P波）、橫波（S波）分離，偏移成像等建立分析和預(yù)測(cè)模型，最終給出準(zhǔn)確的地質(zhì)解釋?zhuān)鰪?qiáng)地質(zhì)環(huán)境的預(yù)報(bào)能力，保證隧道工程的順利進(jìn)行，進(jìn)而節(jié)約地質(zhì)預(yù)報(bào)的工程成本，提高工程效率與探測(cè)精度［7］。

TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是在經(jīng)典彈性波理論基礎(chǔ)上，利用地震波形成的多波多分量反射回波進(jìn)行測(cè)量的原理［8］，圖2 所示即為反射波法隧道超前預(yù)報(bào)原理圖［9］。

圖2 反射波法隧道超前預(yù)報(bào)原理圖

通過(guò)小藥量炸藥激發(fā)產(chǎn)生地震波震源，地震波在巖石中以球面波形式傳播，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綇椥圆ㄗ杩共町惤缑鏁r(shí)，例如斷層、巖體破碎帶、巖性變化或巖溶發(fā)育帶［10］等，一部分地震信號(hào)反射回來(lái)；另一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)繼續(xù)傳播［11］。反射的地震信號(hào)被高靈敏度的地震檢波器接收，反射信號(hào)的傳播時(shí)間與傳播距離成正比，與傳播速度成反比，因此通過(guò)測(cè)量直達(dá)波速度、反射回波的時(shí)間、波形和強(qiáng)度，可以達(dá)到預(yù)報(bào)隧道掌子面前方地質(zhì)條件的目的［12］。

在一定間隔距離內(nèi)連續(xù)采用上述方法，結(jié)合施工地質(zhì)調(diào)查，可以得到隧道圍巖的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，如平均水平波速、平均垂直波速、動(dòng)態(tài)彈性模量和泊松比等地質(zhì)物性參數(shù)?；诘卣鸱瓷洳ǖ某疤綔y(cè)核心處理技術(shù)包括波場(chǎng)分離和地質(zhì)偏移成像。波場(chǎng)分離技術(shù)能有效地提取來(lái)自隧道掌子面前方的反射波信號(hào)，即利用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的極化特性進(jìn)行縱波（P波）和橫波（S波）分離。然后將提取出的來(lái)自隧道掌子面前方地震信號(hào)的反射波縱波（P波）信號(hào)，進(jìn)行波速偏移成像，進(jìn)一步獲得隧道掌子面前方的反射面信息，從而實(shí)現(xiàn)超前探測(cè)。

1.2.1 波場(chǎng)分離技術(shù)

用三分量多波多分量的檢波器接收數(shù)據(jù)，接收到地震波數(shù)據(jù)不僅包含縱波（P 波）信息，還包含橫波（S波）及其他干擾波信息，同時(shí)在傳播過(guò)程中，各類(lèi)波型還會(huì)相互轉(zhuǎn)換，形成更復(fù)雜的波場(chǎng)，隧道超前探測(cè)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需要將各類(lèi)型波進(jìn)行分類(lèi)［13］。波場(chǎng)分離采用f-k域?yàn)V波濾波方法，抑制噪聲的同時(shí)提取出隧道掌子面前方的反射波信號(hào)。f -k 域?yàn)V波是通過(guò)二維傅里葉變換，將原始地震記錄從t -x 域變換至f -k域，通過(guò)設(shè)定濾波因子，保留所需的視速度范圍，經(jīng)過(guò)二維傅里葉反變換返回t -x 域后所保留下的可視速度范圍，在t-x域即為來(lái)自掌子面前方的有效反射波信號(hào)［14］。

1.2.2 偏移成像技術(shù)

垂直地震剖面（VSP）方法是通過(guò)在地表激發(fā)地震波，在地下通過(guò)檢波器接收地震波，即是在垂直方向觀測(cè)的；而擬VSP方法是將該方法用于對(duì)前方掌子面進(jìn)行垂直方向的觀測(cè)。Kirchhoff 偏移方法是建立在Kirchhoff積分解的基礎(chǔ)上提出的，在輸出剖面的每一個(gè)點(diǎn)上都進(jìn)行積分求和，從而實(shí)現(xiàn)波場(chǎng)偏移［15］。

Kirchhoff積分疊前深度偏移是建立在全波動(dòng)方程式積分解的基礎(chǔ)之上處理地震勘探資料的歸位問(wèn)題，不受地層傾角的影響且具有對(duì)高頻成份的補(bǔ)償作用和較好的保振幅特征，是目前生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的主要偏移方法之一［15］。綜上，將擬VSP 方法和Kirchhoff 偏移方法相結(jié)合，利用Kirchhoff偏移方法對(duì)掌子面前方反射面成像時(shí)，可以較為直觀地獲得前方反射面的構(gòu)造信息，然后通過(guò)結(jié)合擬VSP 方法，獲得反射界面同向軸與直達(dá)波同向軸的交點(diǎn)信息，即可獲得反射面位置信息，兩者相結(jié)合獲得更準(zhǔn)確的前方構(gòu)造與位置信息。

2 隧道地質(zhì)超前預(yù)測(cè)工程實(shí)例

本文以棟梁坡隧道DK503 +227～DK503 +170 段為對(duì)象，為保證預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率，測(cè)試前需了解測(cè)試范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，可能存在異常體的位置及其大致形態(tài)體征。然后采用TSP 超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)和地質(zhì)調(diào)查法相結(jié)合的方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

2.1 地質(zhì)調(diào)查情況

隧道開(kāi)挖后掌子面揭示巖性為板巖，青灰色，弱風(fēng)化，巖質(zhì)堅(jiān)硬，變余結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，中厚層狀為主，巖層產(chǎn)狀：N30°E/15°S。節(jié)理較發(fā)育，主要有兩組節(jié)理：J1 產(chǎn)狀N50°W/80°N，節(jié)理間距0.3～0.7 m，延伸長(zhǎng)度0.5～1.5 m，密閉，平滑；J2 產(chǎn)狀N20°E/90°，節(jié)理間距0.2～0.6 m，延伸長(zhǎng)度0.5～1.0 m，密閉平滑。巖體整體較完整，圍巖穩(wěn)定性一般，掌子面潮濕。如圖3 所示即為棟梁坡隧道掌子面地質(zhì)素描圖。

圖3 掌子面地質(zhì)素描圖

通過(guò)地質(zhì)調(diào)查揭示隧道洞身地質(zhì)巖性與掌子面巖性基本一致，巖體整體較完整，圍巖穩(wěn)定性一般。同時(shí)，拱頂及邊墻有滲水現(xiàn)象，如圖4 所示為拱頂和兩側(cè)邊墻地質(zhì)素描圖。

圖4 拱頂和兩側(cè)邊墻地質(zhì)素描（m）

2.2 施工參數(shù)設(shè)置

為了提高地震波波速，增加探測(cè)距離，本工程應(yīng)用中使用無(wú)爆炸延遲時(shí)的瞬發(fā)電雷管，防水乳化高爆速炸藥，每孔藥量控制在150 g，并將炸藥和雷管用錨固劑固定在孔底，并且在正式啟爆時(shí)盡量保證起爆時(shí)間一致［16］。

為了保證足夠的反射波能量，盡量從掌子面附近可以施測(cè)的地方開(kāi)始布設(shè)跑孔，并且檢測(cè)點(diǎn)布設(shè)在探測(cè)方向與界面成銳角一側(cè)。三分量加速度型傳感器體積小巧，可以在小口徑接收孔內(nèi)安裝，高頻響應(yīng)好，有利于提高測(cè)試精度，同時(shí)布設(shè)在圍巖堅(jiān)硬致密的地段，在安裝完畢后用布封住安裝孔以阻擋隧道內(nèi)聲波的干擾。隧道內(nèi)的裝置布置圖如圖5 所示。

圖5 隧道內(nèi)數(shù)據(jù)采集布置圖

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際接收器位置在DK503 +288，開(kāi)挖面位置在DK503 +227，測(cè)線位于左邊墻，實(shí)際激發(fā)20 炮，2個(gè)接收器（檢波器）接收。具體參數(shù)如表1 所示。

2.3 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)分析

在對(duì)原始數(shù)據(jù)的處理中，共20 炮數(shù)據(jù)參與軟件處理分析。震源振動(dòng)產(chǎn)生速度向量即X、Y、Z 3 個(gè)分量，這3 分量速度向量都被檢波器接收并記錄下來(lái)，橫坐標(biāo)為偏移量，隨時(shí)間變化。其中垂向Z 分量主要是垂直出射的P波，徑向X和切向Y分量主要記錄的是水平的S波分量。其原始記錄及頻譜圖如圖6、7 所示。X分量能量減弱，其他兩個(gè)方向變化不大。垂直分量的地震記錄的頻率成分主要是高頻信號(hào)，而水平分量的地震記錄的頻率比較低。

以目前開(kāi)挖面巖石為主要參照物，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查資料和施工開(kāi)挖情況，對(duì)掌子面前方地質(zhì)二維處理結(jié)果如圖8、9 所示。圖中：R 代表掌子面中心點(diǎn)為中心的地震波傳播半徑；X為波傳播的水平方向距離。

在實(shí)際施工中記錄到已開(kāi)挖段及開(kāi)挖面為板巖，取已施工的DK503 +288～DK503 +239 總長(zhǎng)49 m 的隧道段作為測(cè)試段來(lái)預(yù)測(cè)掌子面前方地質(zhì)狀況，測(cè)試段平均波速vp=5.44 km/s，vs=3.08 km/s、泊松比0.26、動(dòng)態(tài)彈性模量69 GPa。根據(jù)TSP 測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試，可以將掌子面前方待預(yù)測(cè)段分成三段進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，得到的預(yù)報(bào)結(jié)果如表2 所示。

結(jié)合探測(cè)數(shù)據(jù)，棟梁坡隧道掌子面前方物性及異常特性如圖10 所示。

表1 超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)具體參數(shù)設(shè)置

圖6 TSP系統(tǒng)接收到的P波X、Y、Z方向原始記錄

圖7 TSP系統(tǒng)接收到的X、Y、Z方向的原始記錄頻譜圖

圖8 P波深度偏移剖面

圖9 提取的P波反射層圖

根據(jù)上述棟梁坡隧道掌子面、洞身地質(zhì)素描分析情況及TSP超前預(yù)報(bào)分析結(jié)果，結(jié)合設(shè)計(jì)文件工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，對(duì)掌子面前方57 m洞身及周邊工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析得出如下結(jié)論。

（1）DK503 +227～+213，長(zhǎng)度14 m，該段圍巖物性較上段有變差的趨勢(shì)，預(yù)測(cè)出露巖性仍為板巖，弱風(fēng)化，中厚層狀為主，地層單斜，繼續(xù)存在順層偏壓?jiǎn)栴}，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，局部可能有褶曲和小型斷層等次生構(gòu)造發(fā)育；從物探參數(shù)變化來(lái)看，地下水總體較上一預(yù)測(cè)段發(fā)育，以滲水、滴水現(xiàn)象為主，整體出水量有增大趨勢(shì)，局部可能出現(xiàn)淋雨?duì)畹嗡F(xiàn)象。

表2 棟梁坡隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果

圖10 隧道掌子面前方物性及前方異常特征

（2）DK503 +213～+196，長(zhǎng)度17 m，該段圍巖物性較上段變化不大，預(yù)測(cè)出露巖性仍為板巖，弱風(fēng)化，中厚層狀為主，地層單斜，繼續(xù)存在順層偏壓?jiǎn)栴}，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，局部可能有褶曲和小型斷層等次生構(gòu)造發(fā)育；綜上分析，該段圍巖穩(wěn)定性尚可，開(kāi)挖過(guò)程中局部可能出現(xiàn)掉塊等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。

（3）DK503 +196～+170，長(zhǎng)度26 m，該段圍巖與已開(kāi)挖段近似，預(yù)測(cè)出露巖性應(yīng)為板巖，中厚層狀，地層單斜，存在順層偏壓?jiǎn)栴}，弱風(fēng)化，節(jié)理較發(fā)育，巖體整體較完整，局部相對(duì)較破碎；從探測(cè)參數(shù)變化來(lái)看，地下水較測(cè)試段變化不大，總體不甚發(fā)育，主要為基巖裂隙水，以局部滲水、滴水現(xiàn)象為主；綜上分析，該段圍巖穩(wěn)定性一般，開(kāi)挖過(guò)程中局部可能出現(xiàn)掉塊等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。綜上分析，該段圍巖穩(wěn)定性較差，開(kāi)挖過(guò)程中較易出現(xiàn)掉塊及局部小范圍坍塌等圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 預(yù)報(bào)與工程實(shí)際對(duì)比分析

根據(jù)隧道的開(kāi)挖情況與地震波地質(zhì)超前預(yù)報(bào)進(jìn)行對(duì)比分析，DK503 +227～+213 段整體節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖較為破碎，完整性不好，施工過(guò)程中有滲水現(xiàn)象發(fā)生。DK503 +213～+196 較前段稍好，圍巖破碎程度稍好，施工難度明顯好于前段。DK503 +196～+170段整體節(jié)理發(fā)育，巖體不完整，且施工中有滴水現(xiàn)象。綜合來(lái)看與地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果基本一致。

在DK503 +317～+217 段施工過(guò)程中，建議通過(guò)加深炮孔來(lái)驗(yàn)證預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，采用弱爆破、短進(jìn)尺掘進(jìn)，迅速封閉巖面，加強(qiáng)初期支護(hù)，及時(shí)跟進(jìn)二次襯砌，針對(duì)局部可能出現(xiàn)的圍巖失穩(wěn)和出水情況，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并做好合理的應(yīng)對(duì)措施，以確保安全。另外，針對(duì)可能出現(xiàn)的氣候變化產(chǎn)生集中降水，應(yīng)及時(shí)做好洞內(nèi)防排水措施，尤其對(duì)局部地下水較發(fā)育段，應(yīng)采取應(yīng)對(duì)措施，防止突水等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)造成人員和設(shè)備損失。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用TSP 超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)和地質(zhì)調(diào)查法相結(jié)合的方法進(jìn)行了隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法分析，以棟梁坡隧道DK503 +227～DK503 +170 段為例，先對(duì)隧道掌子面、洞身地質(zhì)情況等進(jìn)行地質(zhì)掃描，對(duì)整個(gè)隧道的地質(zhì)情況有了基本的認(rèn)識(shí)和了解，并結(jié)合這些地質(zhì)情況對(duì)應(yīng)的體質(zhì)雷達(dá)圖像找到規(guī)律，然后結(jié)合核查結(jié)果運(yùn)用地震反射波法預(yù)報(bào)掌子面前方的地質(zhì)信息，開(kāi)挖后地質(zhì)情況驗(yàn)證與地質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致，保證了棟梁坡隧道的施工安全，提高了施工效率。

綜上所示，說(shuō)明在本案例中地質(zhì)調(diào)查可以為后續(xù)地震波的超前預(yù)報(bào)提供有效的信息參考，能提高最終的預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，并且能大大減少預(yù)測(cè)時(shí)間。因此，地質(zhì)預(yù)測(cè)分析方法具有經(jīng)濟(jì)高效，預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)，具有一定的工程使用價(jià)值。