TST技術在某隧道超前地質預報中的應用

馬小鋒，喬東華，任國宏，王朋朋

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550001;2.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

1 興義I號隧道簡介

興義I號隧道位于汕昆高速公路貴州境內，隧址位于揚子地臺與華南地臺的接壤部位，隸屬揚子地臺西南邊界地帶，隧址區出露地層主要為三疊系下統永寧鎮組下段(T1ya)白云質灰巖、泥灰巖;表覆第四系坡積粘土夾少量角礫。

隧道為單洞雙車道小凈距短隧道。右洞起訖樁號為:K90+020～K90+345，全長325 m;左洞起訖樁號為:ZK90+020～ZK90+325，全長305 m。隧道圍巖主要以Ⅳ、Ⅲ為主，穿越白云質灰巖和泥灰巖，存在巖溶、裂隙水，施工時出現淋雨狀或涌水狀出水。

綜上所述，興義Ⅰ號隧道地質條件復雜，巖溶發育，地下水豐富，巖體破碎，施工中容易引發工程災害。因而在施工中開展地質超前預報，目的是探明隧道掌子面前方軟弱巖層的分布、節理裂隙發育帶、巖溶與涌水、突泥等不利地質條件，判定不良地質體的位置、形式、規模及其對施工的影響程度，提出預防措施與建議，以便指導施工，保證工程的安全和質量。

2 超前預報方法的選擇和TST的技術特點

目前國內外應用的隧道地質超前預報方法有陸地聲納、負視速度法、HSP 水平剖面方法、TSP203、TGP206、TRT、TST等，都屬于地震法超前預報技術，以地震反射或散射理論為基礎，通過隧道內的地震觀測反演掌子面前方的地質情況。要達到準確、可靠預報的目標，必須有科學的觀測方案、可靠的資料處理方法、有效的反演方法和合理的技術流程，這些就構成了超前預報的技術核心，也稱超前預報的理論問題。這些核心問題中最關鍵的是如何區分不同方向的回波，分離出前方回波，及如何可靠地確定前方圍巖速度分布，準確確定地質界面位置兩個問題［1］。TST技術(Tunnel Seismic Tomography)是隧道地震CT成像技術的簡稱，它在深入地研究地下三維波場特征的基礎上，從觀測方案、三維波場分離、圍巖波速分析、散射波場原理、偏移成像等方面進行了理論研究與軟件技術開發，成功地解決了超前預報的核心理論技術問題，成就了國際領先水平［2］。主要技術特點如下:

(1)觀測方式設計的原則滿足三方面的技術要求:一是滿足圍巖速度分析的要求;二是滿足三維波場識別、反向濾波的要求;三是盡量減少面波干擾。按上述要求，TST的觀測方式布置成二維陣列方式(圖1)，檢波器和炮點布置在一個平面內，縱向長40～60 m，橫向寬15～20 m，分布成陣列，具有不同的橫向偏移距，在滿足速度分析和波場分離兩項要求的前提下最為簡捷。

圖1 TST二維陣列觀測方式示意

(2)TST技術采用以線性波場分離為主的F－K或T－P變換方法更適合超前預報的特點，進行波場識別與分離的效果更好。

(3)隧道掌子面前方圍巖波速的準確確定十分重要，不但關系到對圍巖工程類別的判斷，更重要的是直接影響到地質對象的準確定位。TST使用偏移疊加能根據最大化原理確定最優偏移速度，效果很好。

(4)目前的超前預報中應用的理論主要為反射理論，如TSP203、TGP206、TRT等，僅TST技術使用散射理論。散射理論比反射理論具有更高的分辨率，減少斜交構造和孤立體的漏報幾率。

(5)目前的超前預報技術中，TSP203、TRT、TGP206、TST等技術都使用偏移成像技術，但是像 TSP203、TRT、TGP206等技術不能提供準確的速度，無法保證地質界面位置的準確定位。如果偏移成像之前不能正確地進行波場分離，不能濾除干擾波，則偏移圖像中不可避免地包含虛假成分，造成誤報［1］。TST技術成功地解決了波速分析和波場分離兩個重要問題，保證了預報結果的準確可靠。

3 興義I號隧道的TST現場采集系統

根據TST技術的要求，興義I號隧道超前預報的現場采集布置參見圖2。

(1)檢波器12個，布置在兩側壁內，每側6個，間距4 m，埋深1.8～2.0 m，靠近掌子面;

(2)爆炸震源6個，布置在兩側壁內，每側3個，每側第1個炮孔距最近檢波器4 m，其余2個間距24 m，埋深1.8～2.0 m，炸藥量450 g，遠離掌子面;

(3)成孔采用60風鉆成孔，單發毫秒雷管，采用啟爆器控制啟爆;

(4)采用炮泥耦合和封堵。

圖2 興義I號隧道TST觀測系統現場布置

本次超前預報使用的TST硬件系統主要由地震記錄器、信號分離器、拉拔式IC加速度檢波器及信號電纜組成。信號分離器承擔檢波器直流供電和交直流信號分離的作用，IC檢波器是具有內置放大器的壓電晶體檢波器，傳輸距離可達250 m，爆炸作為地震波信號震源。各部裝置連接參見圖3。

圖3 TST系統硬件組成與連接

4 TST超前預報的資料處理過程

TST超前預報技術的資料處理主要經過下列幾個環節，首先是對接收點和激發點的坐標進行輸入和編輯;接下來是采用F－K二維方向濾波技術濾除側向和后向回波及面波，提取前方回波;第三是使用不同橫向偏移距的前方回波進行速度掃描，依據疊加能量最大化判定原理確定各段圍巖的最優波速分布;最后，使用前方回波記錄和速度分布進行地質構造的偏移成像。TST提供的預報結果包括構造偏移圖像和圍巖波速分布圖像兩部分，它們相互印證，便于分析構造和圍巖類別劃分及綜合地質解釋。據此，再結合地質資料進行解釋和預報。上述處理過程中關鍵的技術有三個，分別是三維波場的識別與方向濾波、圍巖波速分析和構造偏移成像三部分［2］。

TST超前預報的解釋根據處理結果提供的地質偏移圖像和速度分布曲線，再結合地質資料進行解釋預報。

5 興義I號隧道超前地質預報結果

以興義I號隧道超前地質預報右洞K90+242～K90+345段為例，本次觀測共得到有效觀測記錄6炮72道，處理后得到興義I號隧道右線出口K90+242～K90+345地質體偏移圖像、圍巖波速曲線圖參見圖4、圖5。

TST地質構造偏移成像圖中，橫坐標為隧道里程，縱坐標為隧道橫向距離。

圖4 興義I號隧道偏移成像成果

圖5 興義I號隧道圍巖速度曲線分布

利用上述成果圖并結合地質資料分析得出以下預報結果:興義I號隧道進口右線K90+242～K90+345段的地質情況可分成三段:

第一段從K90+242～K90+263，從圍巖速度分布曲線上可以看出波速偏低;從隧道偏移成像圖上可以看出該段存在明顯的界面密集帶，節理裂隙極發育，特別是K90+256～K90+263處出現一反射界面，推測該位置圍巖巖性或巖質可能發生變化，節理發育，建議圍巖級別為IV級;

第二段從K90+263～K90+306，波速較高，巖質較堅硬，節理裂隙發育，為中～弱風化基巖，建議圍巖級別為II級;

第三段從K90+306～K90+345，波速明顯降低，為強風化基巖，巖質偏軟，穩定性較差，建議圍巖級別為IV級。

結合地質資料及預報結果整體來看，預報段地下水不發育，且無溶蝕跡象。

詳細情況見表1。

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綜合分析，本次超前地質預報隧洞段(K90+242～K90+345)，總體上圍巖節理裂隙較發育，未發現構造斷層及溶洞發育等重大不良地質。

其中掌子面前方K90+256至K90+263附近重點關注圍巖巖性或巖質可能發生變化，提前做好支護。

實際開挖驗證，K90+260圍巖發生變化，巖質變硬，節理裂隙較發育，另外，K90+308圍巖巖質變軟，節理裂隙比前段有了明顯的發育，穩定性開始變差。

6 結束語

本次隧道超前地質預報采用TST技術，基本查明了預報范圍內的地質情況，探明了隧道掌子面前方巖性及軟弱巖層的分布范圍和規模以及節理裂隙發育情況，并且通過開挖驗證得到了證實。

TST技術在興義I號隧道超前地質預報中的成功應用，指導了施工，對隧道支護參數的及時調整提供了依據，從而確保了隧道的安全。

［1］趙永貴，蔣輝.TSP203超前預報技術的缺陷與TST技術的應用［J］.工程地球物理學，2008，5(3):266 －273

［2］趙永貴.中國工程地球物理研究的進展與未來［J］.地球物理學進展，2002，17(2):301 －304

［3］劉志剛，趙勇.隧道隧洞施工地質技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2001

［4］曲海鋒，劉志剛，朱合華.隧道信息化施工中綜合超前地質預報技術［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(6)