趙軼凡 劉 闖 鄒錦洲 宋文超

(華中科技大學土木工程與力學學院 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)報中先進的地球物理方法，不僅能夠探測工作面前方巖層、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參數(shù)[1]。運用地質(zhì)超前預(yù)報，可以知道當?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，然后通過合理的判斷，為施工方提供施工依據(jù)，改進施工方案，同時也可對隧道突水、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用，其探測范圍可達數(shù)百米，能夠快速地對隧道開挖的周圍地區(qū)進行三維空間的工程地質(zhì)超前預(yù)報， 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。地震波一般是通過對小量炸藥在預(yù)先設(shè)定的震源點(一般在隧道的一側(cè)邊側(cè)墻，炮點數(shù)量約為24個)激發(fā)生成。當?shù)卣鸩ㄔ趥鞑サ倪^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，一些地震信號會被反射回去，而另外一些透射進入前方介質(zhì)中。被介質(zhì)反射的地震信號(圖1)可通過高靈敏度的地震傳感器接收到。對于接受到的數(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探測原理

TSP數(shù)據(jù)的處理是通過專門搭配的TSPwin軟件實施的。該軟件處理數(shù)據(jù)時主要包含11個步驟，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)的巖體力學參數(shù)?？蓳?jù)此結(jié)果先對反射波組合情況及其他特性進行分析，再結(jié)合巖石物理力學性質(zhì)解讀并推測地質(zhì)體情況。

1.2 TSP地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)的優(yōu)勢

在隧道挖掘過程中，巖層條件和地質(zhì)危險帶存在許多隱藏的危險。 若是對有概率出現(xiàn)危險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，則在施工過程中會出現(xiàn)隧道塌方、涌水等事故。

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

在隧道的施工過程中，使用TSP技術(shù)進行超前預(yù)報，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)的危險帶，提供足夠的時間來完善施工計劃。在當前的施工階段就能對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)省工程費用[5-6]。

1.3 TSPwin處理系統(tǒng)的優(yōu)點

TSPwin是一款久經(jīng)考驗的智能化軟件，具有簡單、易用的系統(tǒng)界面；根據(jù)工程地質(zhì)自適應(yīng)的參數(shù)計算，智能化地質(zhì)預(yù)報，多維度力學參數(shù)計算，快速生成評估結(jié)果等功能。

TSPwin的優(yōu)點主要有：預(yù)報范圍從100 m到1 000 m；無須利用開挖面；TBM施工及鉆爆法等常規(guī)開挖的場景下均可運用；操作簡單，對施工過程無妨礙；數(shù)據(jù)收集、處理速度快，可在施工現(xiàn)場的評估中運用；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即可作好準備工作；測量時間小于90 min；同其他預(yù)報方法相比，成本低廉。

2 實例應(yīng)用分析

2.1 工程背景

以某軟弱破碎隧道TSP實際應(yīng)用為例，具體分析研究TSP方法的運用及存在問題和提高措施。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)場測試

本次預(yù)測的24個炮點布置在隧道右邊的墻體上，呈一字排開，每一個炮點相隔1.5 m，孔深1.5 m，孔徑42 mm；接收器的孔徑50 mm，第1個炮點設(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去。在此過程中必須將套管和圍巖牢牢地耦合在一起。將接收器對好方向置于套管內(nèi)，接受信號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。見圖2。

圖2 TSP系統(tǒng)裝配圖

數(shù)據(jù)采集通過連續(xù)激發(fā)24炮得到，本次預(yù)測中，采樣率為62.5 μs，共得到7 218個樣點，在X-Y-Z三個分量接收。

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圍巖主要由微風化花崗巖、輝長巖、斷層角礫巖組成，巖體較為破碎。出口右線K16+649-K16+499圍巖主要由微風化花崗巖、輝長巖組成，巖質(zhì)較硬～堅硬，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。

通過對掌子面的觀察，發(fā)現(xiàn)ZK16+572樁號巖性為微風化花崗巖，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樁號掌子面巖體為微風化花崗巖，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。

故對出口左線ZK16+572-ZK16+422及出口右線K16+649-K16+499兩段進行TSP超前預(yù)報。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82 m。縱橫波速度稍有降低，局部稍有起伏，推斷該段圍巖強度略有起伏，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，可以認定圍巖等級是IV級偏弱。

2) ZK16+490-ZK16+422，長68 m。縱、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，可以認定圍巖等級是IV級。

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)報段整體縱波速度3.7 km/s，綜合預(yù)判之后，可以認為圍巖的等級為IV級偏弱。

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

3) K16+558-K16+499，長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)報段整體縱波速度3.7 km/s，綜合預(yù)判之后，可以認定圍巖等級是IV級偏弱。

綜合TSP預(yù)報結(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，圍巖等級是IV級，實際開挖結(jié)果證實了F3斷層通過預(yù)報洞段。該洞段圍巖為微風化花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部裂隙水發(fā)育，穩(wěn)定性較差，圍巖級別為IV級，與預(yù)測結(jié)果基本一致。

3 TSP預(yù)報精度提高措施

針對在實際操作中可能導(dǎo)致TSP預(yù)報結(jié)果不準確的因素，需采取必要的手段來加以改善。

1) 預(yù)報前資料準備和收集需充分。在預(yù)報前，需對現(xiàn)場的地質(zhì)、水文資料進行收集，在進場后，需對已開挖段及掌子面的圍巖情況進行詳細記錄，掌握第一手資料。

2) 確保收集的原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量。對于未按規(guī)范布置的觀測系統(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到預(yù)報要求等，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)報前進行復(fù)測。

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2 m的金屬管套上的，而地震波的能量在傳播中會逐漸減弱，到達傳感器時一般都很微弱，假若接受套管未耦合好，能量就會損失；炸藥量的不準確及裝填炸藥的不合理也會導(dǎo)致能量的不同，裝量過小會導(dǎo)致信號弱，影響探測深度和精度，裝量過大會導(dǎo)致能量超出上限，出現(xiàn)信號過載和失真；現(xiàn)場大量的噪聲干擾，如機械振動、爆破的聲波干擾，也會影響數(shù)據(jù)的有效性和可靠度，影響預(yù)報效果。因此安置接受管套的空洞尺寸要滿足要求，可用軟布或海綿進行包裹以減輕自振，必須確保完全耦合；裝設(shè)炸藥時要注意圍巖情況，裝藥量要根據(jù)圍巖情況及預(yù)期預(yù)報深度等確定，在條件允許的情況下可進行試爆，裝填時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；在采集過程中應(yīng)停止隧道內(nèi)施工設(shè)備，無關(guān)人員離場，從而盡可能地排除采集過程中的干擾，同時也可通過將炮孔泥封或設(shè)立屏障的方法進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，以免處理資料時盲目遵從軟件信息，導(dǎo)致結(jié)果與實際存在較大差距，甚至會忽視異常點或增加虛假異常，影響了真實性和有效性。

同時，解譯資料過程中需要將每個圖結(jié)合起來，過分注意2D反射面圖而忽視速度圖和其他相應(yīng)的物性參數(shù)會影響預(yù)報效果。預(yù)報人員知識儲備、對隧道基本地質(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，都會影響結(jié)果的準確性和真實性。

由于存在的干擾較多，在處理的過程中要通過選取合理的參數(shù)來剔除干擾，可以通過多次嘗試處理，綜合分析確定。對資料的解譯要科學客觀，要根據(jù)開挖的圍巖情況，合理確定預(yù)報的范圍，在充分了解基本情況，熟悉不良地質(zhì)發(fā)育分布規(guī)律的前提下進行解譯，條件允許應(yīng)進行多種物探手段進行補測和驗證。

4 結(jié)語

1) 本文基于實際的工程項目，將掌子面地質(zhì)資料和TSP超前地質(zhì)預(yù)報資料結(jié)合考慮，有效地預(yù)報了掌子面前方的巖體情況、圍巖等級和地下水狀況。將探測結(jié)果與實際開挖中顯示的實際圍巖情況進行對比驗證，表明TSP技術(shù)對隧道超前預(yù)報具有較好的實用性和準確性。

2) 在測試時，預(yù)報人員要對現(xiàn)場的地質(zhì)、水文資料進行收集，應(yīng)深入現(xiàn)場，認真觀察，記錄已開挖段及掌子面的圍巖情況，同時嚴格按照規(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)報人員需對隧道基本地質(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，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，要合理設(shè)置處理參數(shù)，多次處理對比分析，提高處理水平。解譯數(shù)據(jù)過程中，要將每個圖聯(lián)系起來，充分考慮掌子面開挖情況及勘察設(shè)計資料，以便綜合分析準確判斷。

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