富水斷層破碎帶隧道超前預報的地震波三維層析成像應用研究

孫立軍

(中鐵十四局集團有限公司，山東濟南250000)

·隧道與建設工程·

富水斷層破碎帶隧道超前預報的地震波三維層析成像應用研究

孫立軍*

(中鐵十四局集團有限公司，山東濟南250000)

富水斷層破碎帶的超前預報是隧道施工地質(zhì)超前預報的重要內(nèi)容之一，依托某在建隧道工程，通過現(xiàn)場測試試驗，研究了地震波三維層析成像方法的應用技術(shù)，總結(jié)了現(xiàn)場測試的基本步驟、富水斷層破碎帶的地質(zhì)解釋判別特征，成果對于富水斷層破碎帶隧道超前預報具有參考意義。

富水斷層破碎帶；隧道施工；地質(zhì)超前預報；地震波三維層析成像

1 概述

隧道施工中的地質(zhì)超前預報關(guān)系到工程的安全、質(zhì)量和進度,因而倍受關(guān)注，特別是在地質(zhì)條件復雜的隧道工程中，必需進行地質(zhì)超前預報工作[1-2]。隧道地質(zhì)超前預報要解決的問題主要有3個方面，包括斷裂、溶洞、破碎帶等不良地質(zhì)對象的性質(zhì)、規(guī)模的判定，不良地質(zhì)體的位置及產(chǎn)狀的確定;巖體工程類別化的識別等內(nèi)容，由于隧道內(nèi)可供觀測的空間位置有限，觀測方案受到限制,因而要準確地達到預報的要求難度很大[3-4]。多年來國內(nèi)外在不斷地改進探測技術(shù)和分析方法，試圖提高預報的可靠性和精度，已經(jīng)取得了很多成功的經(jīng)驗，但是目前的技術(shù)水平在預報準確性和可靠性方面還有待提高。目前地質(zhì)超前預報工作使用的方法包括以下幾種：工程地質(zhì)調(diào)查與推斷、水平鉆孔法、地質(zhì)雷達探測、反射地震和地震CT等[5]。

2 地震反射波層析成像原理

地震波三維層析成像技術(shù)利用地震波反射原理，采用地震層析成像及全息巖土成像技術(shù)，生成地層結(jié)構(gòu)的全息三維圖，準確、全面、直觀地預報隧道前方的地質(zhì)情況。當?shù)卣鸩ㄏ蚯皞鞑ミ^程中遇到聲學阻抗差異（密度和波速的乘積）界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質(zhì)。聲學阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)的不連續(xù)界面。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收，通過分析，用來了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等）、位置及規(guī)模。正常入射到邊界的反射系數(shù)計算公式如下：

假設R為反射系數(shù)，ρ1、ρ2為巖層的密度，V等于地震波在巖層中的傳播速度。地震波從一種低阻抗物質(zhì)傳播到一個高阻抗物質(zhì)時，反射系數(shù)是正的；反之，反射系數(shù)是負的。因此，當?shù)卣鸩◤能泿r傳播到硬的圍巖時，回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是一致的。當巖體內(nèi)部有破裂帶時，回波的極性會反轉(zhuǎn)。反射體的尺寸越大，聲學阻抗差別越大，回波就越明顯，越容易探測到。TRT6000采用層析掃描成像技術(shù)，形成立體、直觀的三維立體圖，立體圖中的反射邊界每一點離散圖像是由空間疊加所有地震波形計算得來，地震波三維探測原理和地震波信號采集如圖1所示。

圖1 地震波三維探測原理

三維地震波層析技術(shù)用地震波反射來獲得地質(zhì)狀況三維圖的原理是以每個震源和地震信號傳感器組的位置為焦點，與所有可能產(chǎn)生回波的反射體可以確定一個橢球。足夠多數(shù)量的震源和地震信號傳感器組對會形成一個三維數(shù)組，每個界面或者反射的地層位置可以由這些眾多橢球的交匯區(qū)域所確定。實際上，反射邊界每一點離散圖像的計算包括由所有震源和地震信號傳感器組所對應的三維巖體空間中選定的區(qū)塊。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 測試方法

布設地震波數(shù)據(jù)觀測系統(tǒng)時，傳感器需要布置在隧道拱頂及邊墻上，呈三維空間分布10個傳感器，用以接收震源激發(fā)的彈性波信號。如圖2所示，首先在距離最后一個震源點約10m處開始布置，左右邊墻各布置4個，每隔5m（里程方向）布置1個，隧道中心線拱頂處布置2個。震源點布置在靠近掌子面（2～5m）的兩側(cè)邊墻上，震源點選擇在凝固成型的初支或穩(wěn)固的圍巖上，兩側(cè)各布置2組共12個震源點，每組沿豎向（高程方向）布置3個震源點，每個震源點高差大約1m，2組間隔2m（沿里程方向）。

圖2 傳感器及震源的典型布置

現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集是三維地震層析技術(shù)應用的最重要組成部分之一，其可靠性主要取決于所選工作儀器及儀器采集參數(shù)、測試方式和解譯結(jié)果。現(xiàn)場探測采用TRT6000系統(tǒng)，其由觸發(fā)器、傳感器、無線遠程數(shù)據(jù)收集模塊、基站、主機及處理軟件等部分組成。

試驗實施流程如下：

（1）選擇震源點及傳感器位置。震源點與傳感器點原則上按照前述布置方法布設，傳感器的最高與最低位置差值必須大于2.5m，這樣才能有效地接收三維地震波數(shù)據(jù)。傳感器與隧道側(cè)壁要緊密結(jié)合，安裝好所有的傳感器，等待耦合劑完全凝固，得到最佳耦合效果。所有布置的傳感器點及震源點的坐標均要測量，建議采用全站儀測量大地坐標，可以選擇激光測距儀測量相對坐標，所有坐標測量誤差少于5cm。

（2）建立基站,連接電腦，初始化采集程序，進行數(shù)據(jù)采集。設備正確連接后，打開計算機，運行采集程序，開始工作。原則要求每個傳感器及無線傳輸模塊都運行正常才開展預報工作。使用重錘錘擊指定的震源點激發(fā)地震波，同一組錘擊的位置不可改變。錘擊觸發(fā)時必須用力錘擊震源點，一次激發(fā)成功，才能獲得最佳的彈性波傳播能量。對震源點錘擊觸發(fā)，采集數(shù)據(jù)，每個測點采集3次，并且要求每次震源錘擊能量大小近似一致。

（3）數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理是地震波隧道施工地質(zhì)超前探測技術(shù)中最為重要的環(huán)節(jié)，其主要作用是將采集到的地震波數(shù)據(jù)，經(jīng)一系列相關(guān)數(shù)據(jù)處理手段，提取出其中與測試目的有關(guān)的有效信息，并最終解釋出掌子面前方巖體縱、橫波速度變化特性以及不良地質(zhì)體的賦存形式、規(guī)模大小、分布范圍以及產(chǎn)狀特征等信息，為隧道探測的數(shù)據(jù)判釋提供基礎。

探測系統(tǒng)的反射體空間位置采用給定的限定一個三維空間橢球體的兩通道傳播時間來定位。由于數(shù)量足夠的地震發(fā)射源和接收傳感器構(gòu)成三維排列，因此每一邊界地震反射波可確定成一個曲面，在該曲面上，對發(fā)射源和接收傳感器，多數(shù)橢球體交切。因此，理論上可對巖土體中的每一格點的反射或散射作用進行重現(xiàn)。就一個單獨的反射或散射異常體影像，包含所有地震發(fā)射源和接收傳感器的巖石場地的選擇塊體內(nèi)的每一個三維網(wǎng)格點。對每一網(wǎng)格中點的影像，采用疊加所有地震波來計算離散體，每一波形相應變換為由經(jīng)該格點的發(fā)射源到接收傳感器的總距離。對勘察塊體的離散體，變換采用確定的速度模塊來計算。采用這種方法，最終影像類似于全息重構(gòu)。調(diào)整格點間距可提高影像的分辨率，記錄地震波的最短波長決定分辨率的高低，控制影像范圍的塊體的維數(shù)與成像的期望分辨率成反比關(guān)系，這取決于控制在預定塊體內(nèi)生成影像所需時間。

初始速度模塊是通過速度層析外推求出直達波和其他有效資料（速度測量值、地質(zhì)資料，已知空洞）來建立。隧道開挖前移時，速度模塊應根據(jù)地質(zhì)超前預報和巖土地質(zhì)成圖實際情況及觀測到的巖石條件間的比較結(jié)果連續(xù)進行適時修正和改進。

3.2 試驗結(jié)果

在貴州某在建工程和平隧道為依托進行了現(xiàn)場測試實驗。隧道位于甕安縣和平村，隧道圍巖為寒武系婁山關(guān)群（∈2-3Ls）白云巖、二疊系梁山組（P1l）頁巖、茅口棲霞組（P1m+q）灰?guī)r、二疊系峨眉山組（P2β）玄武巖及二疊系吳家坪組（P2w）灰?guī)r。地質(zhì)構(gòu)造復雜，隧道施工風險較大。

探測試驗得到隧道里程DK842+735掌子面前方150m內(nèi)的地質(zhì)體地震波三維全息圖像顯示，預報范圍為150m，寬度為中心線左右各20m，高度為40m：

（1）DK842+735～DK842+695段(40m)：圍巖基本分級為Ⅴ-Ⅳ級（設計基本分級為Ⅴ-Ⅳ級）。

該段范圍內(nèi)圍巖破碎，圍巖完整性和穩(wěn)定性差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，存在軟弱巖層或滲水點，其中D1K842+ 710～D1K842+695范圍存在明顯低速異常區(qū)，推測為富水溶腔或破碎帶。

（2）DK842+695～DK842+655段(40m)：圍巖基本分級為Ⅳ級（設計基本分級為Ⅳ級）。

該段范圍內(nèi)圍巖破碎，圍巖穩(wěn)定性和完整性差，節(jié)理和裂隙發(fā)育，裂隙含水，可能存在與隧道軸線斜交的斷裂面。

（3）DK842+655～DK842+585段(70m)：圍巖基本分級為Ⅳ級（設計基本分級為Ⅳ級）。

該段范圍內(nèi)圍巖破碎，圍巖完整性差，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，局部存在含水裂隙。

經(jīng)開挖驗證，2012年1月隧道出口上臺階掌子面施工至DK842+697時，掌子面開始涌水涌泥，施作超前孔過程中鉆桿多次被泥水從鉆孔中頂出，鉆桿拔出后有泥漿噴出，噴出物為流塑狀粘性土，有臭味。泥漿噴射距離最遠約15m,根據(jù)噴射壓力分析溶腔高度及規(guī)模較大。見圖3、圖4。

圖3 鉆孔涌出泥漿

圖4 上臺階底部涌泥

4 主要結(jié)論

通過現(xiàn)場試驗及對比分析，富水斷層破碎帶的地震波三維層析成像地質(zhì)解譯特征如下：斷層破碎帶在成果圖中斷裂面兩側(cè)圖形互相錯開，沿斷裂面兩側(cè)巖性差異明顯，節(jié)理或裂隙面在斷裂面處尖滅或錯斷，如果地震波反射進行效益增大處理，中線兩邊的圖形會加深加長，中間白色空隙會更加明顯。根據(jù)異常區(qū)域圖像相對于圍巖背景，從背景波速分析異常的縱波、橫波波速差異，進而判斷圍巖類別。成像圖解釋要從從整體上考慮，不能單獨參照一個斷面的圖像。對圍巖類別的判斷必須與地質(zhì)情況相結(jié)合，綜合分析。

[1]肖書安，吳世林.復雜地質(zhì)條件下的隧道地質(zhì)超前探測技術(shù)[J].工程地球物理學報，2004(2)：63-69.

[2]牛建軍.地震波隧道施工地質(zhì)超前探查系統(tǒng)研究[D].吉林大學，2006.

[3]何發(fā)亮，李蒼松.隧道施工期地質(zhì)超前預報技術(shù)的發(fā)展[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2001.

[4]陳建峰.隧道施工超前預報技術(shù)比較[J].地下空間，2003，23（3）：3.

[5]薛建，曾昭發(fā).隧道掘進中掌子面前方巖石結(jié)構(gòu)的超前預報[J].長春科技大學學報，2000，30(1)：87-89.

圖1 連接鉤繩

如有藥卷卡在孔中可以采用自制掏桿（圖2）進行進行取藥，掏桿使用25mmPPR管材，兩端使用常用水管連接頭熱熔連接，每根長為4m，底端使用鐵絲做成鉤狀。用于勾住藥卷包裝皮，順利提到孔外。

（5）改進填塞質(zhì)量。在爆破過程中，我們還發(fā)現(xiàn)水孔爆破時，炮孔填塞質(zhì)量是影響爆破質(zhì)量的一個重要因素。通常爆破時所用填塞料都是液壓鉆機穿孔排出的巖渣，用其填塞干孔和含水較少的炮孔是比較適合的，但用來填塞含水較多的炮孔時，巖渣就會被水和成稀泥，使填塞質(zhì)量大大打了折扣，爆破時極易產(chǎn)生沖天炮，使爆炸能量過早地從炮孔上部泄漏，特別容易產(chǎn)生根底和大塊。因此，對于含水較多的炮孔，填塞料的選用十分關(guān)鍵，在生產(chǎn)實踐過程中用細小石子填塞效果較好，并用裝有巖渣的廢炸藥袋壓在填塞完畢的孔口，起增長堵塞長度的目的，實際觀察效果較好。

（6）爆破效果。上述改善水孔爆破效果的技術(shù)措施于2014年在瑯琊山礦開始實施，以往常見的爆破根底現(xiàn)象得到明顯好轉(zhuǎn)，爆堆底部根底較少，大塊率下降，臺階平盤平整且無抬高現(xiàn)象，方便了設備的鏟裝和運輸。提高工作效率，大大減少成本。

圖2 自制掏桿

5 總結(jié)

（1）通過對水孔處理措施的實施，有效地抑制了水孔給爆破施工帶來的不利影響，消除因部分區(qū)域裝藥量不夠造成根底多的現(xiàn)象，降低根底處理費用，同時提高了鏟裝運效率。

（2）通過裝藥過程對自制工具鉤子和掏桿的應用，裝藥不連續(xù)現(xiàn)象大大減少，杜絕此類原因引起的拒爆、盲炮現(xiàn)象，提高了礦山生產(chǎn)安全。

U45

A

1004-5716(2015)11-0158-04

2015-04-17

2015-06-05

孫立軍（1981-），男（漢族），山東泰安人，工程師，現(xiàn)從事軌道交通施工與管理工作。