趙莉蒙

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，天津 300000)

目前我國(guó)仍處在經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展過程中，對(duì)于交通和其他基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求很大，尤其是在中西部山區(qū)，在建和擬建隧道數(shù)量眾多。很多隧道不僅很長(zhǎng)，埋深也很大，巖爆、斷層等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅施工和人員安全。因此，不良地質(zhì)隧道施工必須開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。目前，常用的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有：掌子面地質(zhì)描述、超前鉆探法、地質(zhì)調(diào)查法、TEM法探測(cè)、TSP法探測(cè)等[1-3]。其中隧道地震預(yù)報(bào)法TSP技術(shù)在國(guó)內(nèi)巖體隧道工程中應(yīng)用較多，但現(xiàn)有技術(shù)手段預(yù)報(bào)精度不夠，無法更有效的指導(dǎo)隧道現(xiàn)場(chǎng)施工、規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。本文采用USP21地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，通過“角度、位置偏移+多震源多接收”的聯(lián)合疊加方法進(jìn)行長(zhǎng)距離地震波反射法預(yù)報(bào)，可提高長(zhǎng)距離隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)精度，為隧道施工提供可靠的地質(zhì)信息資料。

1 USP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

1.1 系統(tǒng)組成

USP21是一種新型的隧道及地下工程開挖綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。采用三維空間排布、256個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集和多個(gè)震源點(diǎn)位置偏移，在隧道前方形成高密度的三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體。通過對(duì)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的一系列處理和分析，形成各種三維空間地震波的圖形圖像，最終計(jì)算出巖土的各種力學(xué)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道及各種地下工程前方地質(zhì)條件的判譯和預(yù)測(cè)。USP21系統(tǒng)包括：地震接收器、起爆器、錘擊震源、電磁掃描、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電磁發(fā)送機(jī)，如圖1所示。

圖1 USP21系統(tǒng)設(shè)備

1.2 長(zhǎng)距離地震反射技術(shù)

1.2.1 “角度+位置”偏移聯(lián)合體系

該體系采用多眼定位法原理，以角度偏移為主，輔助位置偏移。提供256個(gè)通道，配置數(shù)量不等的單分量、三分量、平板式及半球多分量地震接收器，接收器中的每個(gè)傳感器作為一個(gè)基本單元，描述位置和方向，并使用位置、角度偏移對(duì)接收到的透射波和反射波進(jìn)行射線追蹤及歸位成像[6]，并實(shí)現(xiàn)多震源、多接收器以及疊加次數(shù)不限的方法組合，解決復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)問題。多分量空間接收器結(jié)構(gòu)見圖2，位置與角度的互換見圖3。

1.2.2 繞射疊加

繞射疊加是從繞射波歸位到其頂點(diǎn)的幾何地震

圖2 多分量空間接收器結(jié)構(gòu)

圖3 位置偏移與角度偏移的互換

學(xué)偏移方法。首先，將地下空間劃分為網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)都是繞射點(diǎn)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算出它所發(fā)出繞射波的時(shí)距曲線，然后按照此繞射雙曲線給定的時(shí)距曲線與實(shí)際記錄的各繞射點(diǎn)的振幅值一一對(duì)應(yīng)，將它們相加后作為偏移后繞射點(diǎn)的輸出振幅。

對(duì)角度偏移的繞射疊加，設(shè)接收器到繞射點(diǎn)的距離S1，繞射點(diǎn)到震源點(diǎn)距離S2，那么，所有空間檢波器在繞射點(diǎn)處的反射波幅的貢獻(xiàn)等于(S1+S2)/V時(shí)刻的值乘以與繞射點(diǎn)與接收器連線的夾角余弦之和，工作原理見圖4、圖5。

圖4 繞射疊加原理 圖5 USP21的繞射疊加

1.2.3 深度偏移

地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)是用地震波形同相軸表示的，偏移(歸位)處理在疊加剖面上是使地震波更能接近或準(zhǔn)確地反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)叵碌貙訛樗綘顟B(tài)，反射波形正好反映記錄隧道正下方的地層。如果反射地層為傾斜界面，地震反射同相軸就要向下傾方向移動(dòng)。此時(shí)，疊加剖面上反射同相軸的視傾角φ*與地層的真實(shí)傾角φ不等。USP21系統(tǒng)采用的是速度譜分析法和繞射疊加進(jìn)行深度偏移處理地震剖面，如圖6所示。

1.3 多震源多接收器的聯(lián)合疊加方法

在隧道掌子面前方布置多個(gè)接收器與震源激勵(lì)點(diǎn)，通過不斷有規(guī)律地改變震源點(diǎn)，來查看地震反射波形的變化，根據(jù)其差異來確定隧道掌子面前方圍巖的地質(zhì)構(gòu)造細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)隧道施工高精度超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。選取了S1～S6不同震源的反射波型進(jìn)行疊加，抽取S1震源反射波效果見圖7。

圖7 S1震源反射波疊加結(jié)果

1.3.1 多震源的偏移

多震源的偏移說明不同的震源與接收器的空間位置與圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系變化。就像不同方向的光源下，會(huì)看到不同的地下結(jié)構(gòu)，由于路徑不同，看到的情況相近但不同。

1.3.2 地震波偏移、疊加與聯(lián)合

將S1～S6多震源偏移的空間展示進(jìn)行繞射聯(lián)合疊加，再對(duì)疊加的聯(lián)合文件的波形進(jìn)行抽取，提取較大的正負(fù)反射點(diǎn)如圖8所示。圖8中顏色的亮暗差異表示地震波對(duì)前方圍巖的反射程度不同，反映了該區(qū)域或該斷面地質(zhì)的完整性，顏色鮮紅表示地震波波速高，代表該區(qū)域巖體較密實(shí)；顏色暗紅表示地震波波速低，代表該區(qū)域巖體空隙率高，軟弱較破碎或富含地下水。顏色有明顯變化的地方表示該處圍巖不均勻，完整性差，地質(zhì)復(fù)雜多變。進(jìn)一步提取見圖9，可實(shí)現(xiàn)對(duì)前方軟弱帶等不良地質(zhì)體的準(zhǔn)確探測(cè)。

圖8 較大反射的 圖9 最大的幾處反射界面

反射界面 (波速明顯增加)

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

八片山隧道為汕(頭)湛(江)高速公路惠州至清遠(yuǎn)段的一部分，位于惠州市境內(nèi)。隧道全長(zhǎng)1 001.0 m，凈寬10.25 m，凈高5 m，最大埋深140.6 m，最小埋深20.3 m。隧道全線地形復(fù)雜、地勢(shì)陡峭，不良地質(zhì)多。隧道出露地層圍巖主要為風(fēng)化花崗巖，斷層、破碎帶均有分布，開挖時(shí)易發(fā)生坍塌。

隧道穿越區(qū)域地質(zhì)情況復(fù)雜，有可能出現(xiàn)未探測(cè)到的斷層和破碎帶等不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2.2 測(cè)線布置

USP21預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用5個(gè)炮點(diǎn)的激發(fā)數(shù)據(jù)，2個(gè)半球接收器置于隧道掌子面下方，6個(gè)三分量接收器置于隧道側(cè)壁及底部，震源點(diǎn)在掌子面上方，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況如圖10、圖11所示。

2.3 超前預(yù)報(bào)結(jié)果分析

通過USPwin21軟件對(duì)采集到的USP數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得了P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面、反射層提取以及巖石物理參數(shù)等。在成果解釋中，主要通過球面擴(kuò)散→平均均衡→頻譜分析→帶通濾波→繞射疊加的三維空間資料P波對(duì)巖體進(jìn)行劃分，并結(jié)合S波數(shù)據(jù)對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。解釋遵循以下準(zhǔn)則：

(1)正反射(紅色)界面表示進(jìn)入硬巖層，負(fù)反射(藍(lán)色)界面表示進(jìn)入軟巖層。

(2)如果S波反射比P波強(qiáng)，則表明巖層飽含水。

(3)Vp/Vs的增加或泊松比的突然增加通常是由流體的存在引起的。

2.3.1 右線2K41+728-2K41+668預(yù)報(bào)情況

(1)開挖后掌子面地質(zhì)描述：中風(fēng)化花崗巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，拱部無支護(hù)情況下易發(fā)生掉塊等現(xiàn)象，圍巖整體性、穩(wěn)定性一般?，F(xiàn)場(chǎng)情況如圖12所示。

圖10 USP布置 圖11 USP現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 圖12 掌子面圍巖裸露情況

(2)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況。根據(jù)圖13分析可知：

圖13 右線2K41+728-2K41+668 TSP地質(zhì)預(yù)報(bào)

2K41+728-2K41+698區(qū)域以正反射界面居多，顏色暗紅且顏色變化明顯，表示地震波穿越區(qū)域內(nèi)巖體波速低，代表本段硬巖巖體強(qiáng)度均質(zhì)度低，空隙或裂隙較多，整體性較差、巖體較破碎、裂隙發(fā)育。

2K41+698-2K41+668區(qū)域顏色鮮紅且顏色無明顯變化，表示地震波穿越區(qū)域內(nèi)巖體波速高，代表本段巖體強(qiáng)度有逐漸變強(qiáng)趨勢(shì)，圍巖相對(duì)穩(wěn)定。建議按開挖面的實(shí)際情況，可合理考慮圍巖支護(hù)類型。

(3)實(shí)際開挖情況：如圖14所示，2K41+698處圍巖有明顯變化，整體性有所加強(qiáng)，巖性變好。

2.3.2 左線 F1K41+766-F1K41+666預(yù)報(bào)情況

圖14 2K41+698處掌子面圍巖裸露

(1)開挖后掌子面地質(zhì)描述：中風(fēng)化花崗巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，拱部無支護(hù)情況下易發(fā)生掉塊等現(xiàn)象。圍巖整體性、穩(wěn)定性一般，開挖時(shí)受層理、節(jié)理、裂隙影響，掌子面巖體軟硬不均。另外，特別注意夾層處的施工，開挖時(shí)極易掉塊，崩塌，施工時(shí)應(yīng)引起注意。

(2)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況。根據(jù)圖15分析可知：

F1K41+766-F1K41+746，本段圍巖為中風(fēng)化花崗巖，紅藍(lán)反射界面都存在說明本段圍巖處于軟巖硬巖交互地段，且正反射界面紅色變化明顯，表明該區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育，施工時(shí)需加強(qiáng)支護(hù)。

圖15 左線F1K41+766-F1K41+666 TSP地質(zhì)預(yù)報(bào)

F1K41+746-F1K41+666，本區(qū)域只有正反射界面且顏色無明顯變化，表示地震波穿越區(qū)域內(nèi)巖體波速高，巖體強(qiáng)度有逐漸變強(qiáng)趨勢(shì)，圍巖相對(duì)穩(wěn)定，爆破震動(dòng)后易產(chǎn)生坍塌。

(3)實(shí)際開挖情況：如圖16所示，F(xiàn)1K41+746處圍巖變好，整體性有所加強(qiáng)，圍巖相對(duì)穩(wěn)定；F1K41+726處圍巖強(qiáng)度有所加強(qiáng)，整體性較好，圍巖相對(duì)穩(wěn)定。

圖16 掌子面圍巖裸露情況

3 結(jié)論

USP地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在八片山隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在試驗(yàn)里程段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了隧道掌子面前方60 m范圍內(nèi)巖體完整體特征的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，精準(zhǔn)度可達(dá)85%。

(1)通過不同分量地震接收器的組合布置，利用位置、角度偏移進(jìn)行地震波的射線追蹤和歸位成像，實(shí)現(xiàn)了不同場(chǎng)地條件下長(zhǎng)大隧道施工的地質(zhì)預(yù)測(cè)。

(2)通過多頻采集數(shù)據(jù)的疊加和多個(gè)單震源文件的組合，提高了預(yù)測(cè)精度和準(zhǔn)確性，為隧道施工提供了具體的災(zāi)害體形狀和準(zhǔn)確的空間位置。