劉云禎

(北京市水電物探研究所，北京 100027)

0 引言

隧道工程在鐵路、公路、市政、地鐵、水電、國防等建設項目中都具有重要作用。在我國基礎工程建設規(guī)模不斷擴大的形勢下，隧道的數(shù)量和長度在不斷增加，隧道工程的規(guī)模在不斷擴大，地質(zhì)條件的復雜性和施工難度也在不斷增加。在不良地質(zhì)地區(qū)隧道施工中，隧道坍塌、涌水、涌泥、瓦斯爆炸等地質(zhì)災害時有發(fā)生。若不能提前預知、處理不當，很容易造成突發(fā)性重大人員傷亡事故，給人民生命財產(chǎn)安全造成極大的危害。國內(nèi)外因地質(zhì)條件不明造成隧道施工事故的教訓不少，尤其是在我國宜萬鐵路的施工建設中，線路穿越長江水系巖溶極其發(fā)育的灰?guī)r地帶，曾經(jīng)發(fā)生過齊岳山、野三關和馬鹿箐等隧道的大突水事故，給隧道施工安全帶來了巨大危害。因此，利用地質(zhì)超前預報技術為不良地質(zhì)隧道施工提供指導十分必要。

目前常用的隧道超前地質(zhì)預報方法較多，但地震反射波法由于具有預報距離長、適用范圍廣、對施工干擾小等特點被廣泛采用［1］。有不少文獻介紹了TSP在工程中的應用，如楊聰［2］認為TSP預報系統(tǒng)對于有效指導和加快隧道施工能夠提供安全技術保障;羅衛(wèi)華等［3］認為TSP與其他地質(zhì)預報方法相比，在準確性和距離誤差方面具有突出的優(yōu)點;趙巖等［4］認為TSP對隧道掌子面前方圍巖的結(jié)構面發(fā)育情況有較好的反映，對圍巖交界面、貫穿裂隙以及大規(guī)模斷層的判定，有很高的準確率。但也有人認為TSP預報準確率不太高，如張慶松等［5］分析了TSP超前預報中存在的問題，認為TSP探測巖性變化的軟弱面或水層的位置有一定誤差，預報精度稍低;師麗萍［6］認為TSP預報的距離較長，從而導致其精度不是很高，需要進一步提高探測結(jié)果的準確性;顧湘生等［7］曾多次質(zhì)疑宜萬線TSP203預報記錄中的過高頻率，并對宜萬鐵路超前預報準確率進行了統(tǒng)計，如表1所示。

表1 宜萬鐵路超前地質(zhì)預報準確率統(tǒng)計表Table 1 Accuracy of advance geology predictions made in construction of tunnels on Yichang-Wanzhou railway

本文從地震反射波法超前地質(zhì)預報系統(tǒng)探測原理出發(fā)，分析TSP超前地質(zhì)預報系統(tǒng)預報準確率不高的原因，并提出相應的改進措施及方法，應用到TGP系統(tǒng)中，經(jīng)過工程實踐證明，TGP在隧道地質(zhì)超前預報中具有良好的預報效果。

1 TGP 預報基本原理［8］

TGP206(Tunnel Geology Prediction 206，以下簡稱TGP)型隧道地質(zhì)超前預報儀，預報的基本原理是采用隧道地震反射波探測技術。利用地震波在不均勻、不連續(xù)地質(zhì)體中產(chǎn)生的異常反射波，實現(xiàn)隧道地質(zhì)超前預報的目的。

地震波震源采用小藥量炸藥在隧道邊墻的鉆孔中激發(fā)產(chǎn)生，激發(fā)炮孔在洞壁一側(cè)沿直線布置，一般采用24個炮孔。地震波的接收器也安置在孔中，一般左右壁各布置一個，測線布置如圖1所示。地震波在巖石中以球面波形式傳播，當?shù)卣鸩ㄓ龅綇椥圆ㄗ杩共町惤缑鏁r，例如斷層、巖體破碎帶、巖性變化或巖溶發(fā)育帶等，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質(zhì)繼續(xù)傳播和發(fā)生反射。如圖2所示，地震波的直達波傳播路徑由震源點O沿隧道向前傳播，經(jīng)過S1，S2，最后到達 S24;反射波的傳播路徑為由 OAS1，OAS2，直到OBS24，反射的地震波信號最終被高靈敏度的地震檢波器接收。因此，通過測量直達波速度、反射回波的時間、波形和強度，可以達到預報隧道掌子面前方地質(zhì)條件的目的。

TGP采用縱向排列，由圖3可以看出，地震子波排列整齊，直達波與反射波同軸呈喇叭口狀，易于識別。但同時必須滿足以下條件。

1)保證子波排齊——需要接收儀器的觸發(fā)與震源必須同步;

2)保證子波幅度——需要震源能量大、信噪比高，地震檢波儀器靈敏度高。

圖1 測線布置圖Fig.1 Layout of measurement lines

圖2 TGP預報基本原理Fig.2 Principle of TGP

圖3 縱向排列觀測采集的記錄形態(tài)圖Fig.3 Pattern of records made by means of longitudinal array observation

2 TGP206與TSP203相比所做的改進

2.1 數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)方式改進

2.1.1 TSP203 觸發(fā)方式

TSP203采用脈沖信號觸發(fā)方式。其觸發(fā)過程是爆炸機同時送出2路電信號，一路脈沖信號觸發(fā)儀器開始采集，另一路高壓脈沖電信號供給電雷管。在這個過程中誤差的主要根源在于電雷管，眾所周知瞬發(fā)電雷管有“時間延遲差”，即從受電到爆炸需要時間，該時間與瞬發(fā)電雷管的型號有關系，一般為幾ms。

圖4為TSP203采用脈沖觸發(fā)采集的地震波記錄，直線附近首波上下錯動，誤差達6 ms，直達波排列不齊，后面的反射波則更不易識別。按Ⅲ級圍巖速度計算，存在5 m左右的距離誤差，即為觸發(fā)造成的時間誤差。

圖4 TSP203采集的地震波記錄Fig.4 Records of seismic wave made by TSP203

2.1.2 TGP206 觸發(fā)方式

TGP206儀器采用回線開路觸發(fā)方式。將回線綁扎在震源上，通過震源爆炸時炸斷回線觸發(fā)儀器開始采集。該方式與爆炸發(fā)生過程中的雷管延遲沒有關系，因而在綁扎回線不松脫條件下，爆炸同時觸發(fā)儀器采集，消除觸發(fā)的時間誤差。

圖5為TGP206采用回線開路觸發(fā)采集的地震波記錄，圖中首波同相軸整齊排列，第15道(黑色粗線標注)因綁扎松動存在0.5 ms誤差，但其左右地震波都不存在時間誤差，很容易對該波進行校正。

圖5 TGP206采集的地震波記錄Fig.5 Records of seismic wave made by TGP206

2.2 隧道聲波干擾與改進［9］

在宜萬鐵路隧道中采用TSP203儀器進行地質(zhì)預報，筆者通過對大量TSP203儀器采集記錄和處理成果進行研究，發(fā)現(xiàn)在距掌子面80～100 m以后速度曲線異常，如圖6所示。

出現(xiàn)該異常的主要原因是地質(zhì)預報的數(shù)據(jù)中有隧道內(nèi)聲波干擾，該波與巖體中的地震波速度相差十幾倍，因而在距掌子面80～100 m以后曲線出現(xiàn)了異常。該異常為隧道內(nèi)聲波參與處理造成的巖體速度假象，必須進行處理。

圖6 TSP203速度曲線的隧道管波假象Fig.6 Abnormality of wave velocity curves made by TSP203

為規(guī)避隧道聲波干擾，TGP206主要采取了以下措施:

1)增加偏移距離OFF(檢波器與最近炮孔之間的距離)，延遲聲波到達時間。聲波速度為340 m/s，加大偏移距離，實際上延遲了聲波到達時間，加長了有效波記錄的時間(見圖7)，實現(xiàn)預報距離增加的目的。

2)數(shù)據(jù)處理，斜切除聲波干擾，剔除成果中的假象。TSP203數(shù)據(jù)處理時采取水平切除，縮短了預報距離;而TGP206對數(shù)據(jù)采取斜切除，以便利用更多的有效信息。TSP203與TGP206數(shù)據(jù)處理成果如圖8所示。

圖7 加大偏移距離后的有效波對比圖Fig.7 Effective wave with added offset

總之，TGP型預報系統(tǒng)強調(diào)利用有效波，在信息采集和數(shù)據(jù)處理2方面采取措施，以達到預報成果資料真實的目的，實踐證明效果是顯著的。

2.3 檢波器耦合方式

2.3.1 TSP203 耦合方式

TSP203采用環(huán)氧樹脂固結(jié)一根金屬套管，檢波器貼在套管內(nèi)壁上，其波形與金屬套管和鉆孔壁整體固結(jié)的效果、以及檢波器與套管壁貼緊的程度有關，2根套管一次性使用，成本費用很高(TSP203預報系統(tǒng)的檢波器耦合耗材成本在7 000元以上)。其耦合方式常見的問題包括:

1)TSP套管固結(jié)不良，或不固結(jié)套管、重復使用，記錄中出現(xiàn)高頻干擾和套管共振干擾，如圖9所示。3 000 Hz的頻率成分為干擾波，巖體中傳播的地震波遠低于該頻率。

2)TSP檢波器觸點磨損造成貼管壁不緊，記錄中高頻毛刺干擾嚴重，如圖10所示。

圖9 TSP中高頻和套管干擾Fig.9 Medium-high frequency and case interference of TSP

圖10 高頻毛刺Fig.10 Burr of high frequency

2.3.2 TGP 耦合方式

采用液態(tài)或半液態(tài)耦合劑使檢波器與鉆孔壁耦合，檢波器依靠自重接觸孔壁，具有波形可靠，操作便捷，成本低(TGP預報系統(tǒng)的檢波器耦合耗材成本在300元以內(nèi))等優(yōu)點，TGP與TSP耦合方式對比如表2所示。

在保證地震波信號質(zhì)量的前提下，利用TGP記錄，獲得了不同地質(zhì)條件下正確的頻率:黃土100～200 Hz;軟巖200～400 Hz;硬巖400～1 000 Hz;堅硬巖1 000～1 500 Hz。

2.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是對隧道地震波記錄進行加工、制造隧道地質(zhì)預報成果的過程。如果數(shù)據(jù)處理過于簡單，成果圖僅局限于物探的符號表示，則影響使用效果。TGP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在沿用物探符號表示的基礎上，開發(fā)了用地質(zhì)符號表示預報成果的功能。

TGP地質(zhì)預報成果處理的主要手段包括:

1)為方便利用地震波偏移圖進行地質(zhì)預報的分析和推斷，保留全斷面地震波偏移圖(見圖11)、增加偏移相位圖(見圖12)。其中正相位代表前方有較硬巖體，負相位代表軟弱巖體或水。圖11—13中，計算偏移的巖體速度vm為4 290 m/s;像元點矩dX，dR均為0.50 m。

2)檢查成果異常與地震波數(shù)據(jù)的相互關系，剔除由干擾波造成的預報成果圖假象，力求做到預報成果依靠真實數(shù)據(jù)而來。使用中通過點擊異常部位可對應觀測異常部位的波形圖，如圖13所示。

3)通過縱向(沿隧道線)多方位地震波偏移功能，實現(xiàn)地質(zhì)界面的空間定位。增加4個斷面，8個方向的縱向偏移，繪制形成構造界面的三維產(chǎn)狀圖，見圖14。

4)通過橫向(與隧道線垂直的斷面)等距斷面地震波偏移功能，實現(xiàn)地質(zhì)異常的斷面圖分析，有利于確定巖溶及局部孤石在隧道的具體位置，見圖15。

通過數(shù)據(jù)處理得到成果圖，雷同醫(yī)檢獲得“X”光片，欲做出正確判斷需要結(jié)合具體人和病情，同樣依據(jù)成果圖推斷地質(zhì)預報結(jié)論的過程也需要結(jié)合隧道的地形地質(zhì)條件。結(jié)果須科學運用，不能盲目地追求高準確性，并據(jù)此盲目運用，地質(zhì)預報準確性將隨著其他輔助工作(地勘資料、鉆探等)的進行而不斷提高。

圖14 構造界面的三維產(chǎn)狀Fig.14 3D occurrence of structural interface

圖15 對巖溶、孤石的偏移橫斷面掃描圖Fig.15 Scan of offset of karst and boulder

2.5 地質(zhì)預報須結(jié)合超深炮孔鉆探進行

根據(jù)中鐵第四勘察設計院顧湘生等［7］的研究表明:圍巖級別不同，抵抗不同水壓所需的圍巖最小厚度不同，如表3所示。

表3 不同圍巖級別抵抗不同水壓所需的最小厚度Table 3 Minimum thickness of rock mass of different grades to resist different water pressures m

根據(jù)上述研究結(jié)果，在隧道施工中要保護抵抗不良地質(zhì)災害的巖層厚度，通過超前地質(zhì)預報獲得不良地質(zhì)體(溶蝕帶或巖溶)的分布里程后，采用傳統(tǒng)的導洞法、水平鉆孔法等對不良地質(zhì)的檢測不一定是唯一的方法，對應巖溶的分布不隨人愿，水平鉆孔難于設計。顧湘生等［7］對此提出了加深炮孔鉆探方法，具體布孔方式如圖16所示。

圖16 加深炮孔鉆探布孔方式(單位:m)Fig.16 Layout of extra-deep shot holes(m)

根據(jù)地質(zhì)預報結(jié)果提前布孔預留巖層厚度，逐次開挖循環(huán)錯位布置加密探查。在風險地段采取小藥量短掘進的施工方法，發(fā)現(xiàn)風險及時采取措施，以度過高風險地段。

實踐證明，地震波預報確定異常區(qū)段后，利用超深炮孔多、鉆孔快的優(yōu)勢，對巖溶分布和形態(tài)不確定的隧道，預報準確性明顯較高。

3 TGP工程應用實例

3.1 強風化破碎帶預報——三亞繞城高速公路迎賓隧道

圖17中縱(藍線)橫(紅線)波反射界面密集發(fā)育的位置段(右洞壁726～700段)反映巖體被多組構造面切割，巖體破碎。圖18中藍線為縱波反射計算的結(jié)果，紅線為橫波反射計算的結(jié)果。由圖18可知在里程726～700，縱橫波估算速度均明顯降低，而且橫波降低幅度較大。據(jù)此推斷預報段頁巖泥化嚴重或存在裂隙水，預報圍巖具有垮塌的可能。

圖19為三亞迎賓隧道的巖性界面3D產(chǎn)狀分布圖，圖中界面1與界面2之間為構造破碎帶，界面1為負反射屬性，說明(界面后巖體聲阻抗低)界面后巖體破碎;界面2為正反射屬性，說明界面后巖體(聲阻抗變高)較為完整。在隧道里程738～710段呈倒三角楔形，隧道塌方事故發(fā)生后，看到構造帶塌落后的圍巖界面與該預報結(jié)果基本吻合。

3.2 溶洞型巖溶的預報——武廣鐵路客運專線大瑤山1號隧道

武廣客運專線大瑤山1號隧道施工至DK1909+611里程遇到巖溶，發(fā)生突水突泥事故，石塊直徑達2～3 m，突泥堆積長度約50 m，為了解前方地質(zhì)條件，筆者被邀請進行地質(zhì)預報的試驗研究工作。圖20(b)中的黑線(DK1909+611～660段)為不同里程位置繞射波偏移圖的銳變點連線，用作分析推斷巖溶溶洞的發(fā)育方向。

圖21中，圖(a)反映巖溶溶洞形成的反射點發(fā)育高程分布在隧道高程附近，呈現(xiàn)為由左上方向右下方發(fā)育的趨勢;圖(b)反映巖溶溶洞形成的密集反射點展布方向，呈現(xiàn)為與隧道大角度斜交的條帶狀發(fā)育的趨勢。

以上2個應用工程實例說明，TGP206預報系統(tǒng)采用多波多分量的地震波處理技術，實現(xiàn)了地震波預報成果向地質(zhì)預報成果的轉(zhuǎn)化，結(jié)合已有地質(zhì)資料進行綜合分析，直觀方便，有利于預報技術的推廣應用。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

技術改進提高后的TGP地震波預報技術，能夠在如下方面發(fā)揮較好的作用:1)對于斷層帶、裂隙密集帶和軟硬巖性帶的劃分，以及對地質(zhì)界面的空間分布進行預報;對于構造巖溶發(fā)育帶和具有一定規(guī)模的巖溶溶腔的預報，預報水平明顯提高。2)結(jié)合輕便的加深炮孔方法，增加了對于水文地質(zhì)預報、溶管和溶腔等較小規(guī)模不良地質(zhì)體預報的可行性。3)對隧道施工地質(zhì)風險預報的認識有較大提高。

4.2 建議

在進行超前地質(zhì)預報的過程中要注意結(jié)合已經(jīng)掌握的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)相關知識，進行綜合分析判斷，以及合理選擇其他有效的配合手段，以期達到較準確的預報結(jié)果。

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