HSP法在引漢濟渭TBM隧道地質預報中的應用

盧 松， 李蒼松， 吳豐收， 周運金

(中鐵西南科學研究院有限公司， 四川 成都 611731)

HSP法在引漢濟渭TBM隧道地質預報中的應用

盧 松， 李蒼松， 吳豐收， 周運金

(中鐵西南科學研究院有限公司， 四川 成都 611731)

為了解決超前地質預報與TBM快速施工之間的干擾，結合TBM的施工特點，分析地質預報的難點，介紹適用于TBM施工的HSP聲波反射法原理和探測方案。該方法創造性地利用刀盤剪切巖石產生的振動信號為震源信號，采取陣列式布極，獲取前方地層特征參數，來預報TBM施工前方的地質條件，來達到TBM快速施工的目標。通過HSP在陜西省引漢濟渭工程TBM施工段應用案例的解析和實際情況的對比分析，表明HSP聲波反射法對不良地質結構面的存在具有較好的正相關響應，是適用于TBM施工時地質預報的高效方法之一。

引漢濟渭工程； TBM施工； 地質預報； HSP聲波反射法

0 引言

隧道掘進機TBM(Tunnel Boring Machine)至今已有60多年的歷史了，其施工技術工作效率高，但也顯示出了TBM系統對不良工程地質條件適應性較差的缺點。為確保隧道TBM施工安全，國內外專家學者借鑒隧道鉆爆法施工隧道采用的地質超前預報技術，研究并獲得一些TBM施工隧道(洞)地質超前預報方法技術，如平導超前預報方法、TSP/TGP探測法、TRT探測法、超前鉆探測法、基于渣料和TBM掘進參數的地質編錄的預報方法等，但是這些從傳統鉆爆法借鑒來改良后應用到TBM施工中的超前地質預報的方法往往很難適應TBM快速施工的要求。

針對這一局限性，國內外學者致力于研發適合于TBM施工的超前地質預報技術。目前，國內外專門針對或適用于TBM施工的超前地質預報系統有ISP(原ISIS系統)、BEAM系統[1-2]、激發極化法(山東大學)[3]、HSP系統[4]等。系統間均有各自的特點，也取得了一定的成效。其中，HSP系統為中鐵西南科學研究院自主研發，創造性地提出了利用掘進機刀盤刀具切割巖石產生的振動信號作為激發震源的不良地質體預報方法[5]，并先后應用于多個TBM施工隧道地質預報項目，取得了較好的成果，并于2010年被授予一種適合于TBM施工的地質超前預報方法發明專利。

本文創新性地采用TBM施工過程中刀盤刀具切割巖石產生的震動信號作為激發震源，與傳統主動激發震源的地震波探測方法相比，其可在TBM掘進過程中進行探測，不影響施工；且對采集的數據進行時域分析、頻譜域分析、相關分析、反演成像等處理，獲取掌子面前方地層特征參數，實現不良地質體預報，從而指導施工。

1 TBM施工地質預報難點分析

由于TBM掘進機獨特的空間結構，其對地質預報探測適應性要求較高，通常造成一些常規探測方法探測成本高昂、探測復雜、探測具有破壞性等問題，其對信號源、探測空間、布極可行性等均有限制，因此限制了這些預報方法的應用[6]。主要表現在：

1)掌子面無法直接布置測線；

2)空間狹小，需鉆探測孔地質預報方法(如TSP、TGP等)，操作不便、且費時；

3)如采用炸藥震源激發的預報方法，應采用特殊處理，費時，且存在安全風險；

4)如選擇在TBM后方進行探測，探測距離與精度無法保證；

5)預報方法應布極簡單、影響施工時間短等;

6)TBM在遭遇不良地質體時常常耗費大量時間進行處理，對較大不良地質體探查精度要求較高；

7)TBM掘進速度較快，短距離預報法無法較好地指導TBM掘進，實現預期效果。

因此，在選擇TBM施工超前地質預報探測方法時，應充分考慮其適應性，選擇高效且適應的探測方法，必將事半功倍。

2 HSP水平聲波探測技術

HSP聲波反射法是中鐵西南院自主研發的地質超前預報技術。聲波反射法探測和地震波探測原理相同，其原理是建立在彈性波理論的基礎上，傳播過程遵循惠更斯-菲涅爾原理和費馬原理。采用聲波法探測不良地質(帶)的物理前提是： 聲波在巖土體中的傳播速度及幅度等參數和巖土體的組成成分、密度、彈性模量及巖體的結構狀態等有關，不良地質體(帶)如斷層、風化破碎帶、巖溶洞穴、地下水富集帶等與周邊地質體存在明顯的聲學特性差異[7-8]。

2.1 適于TBM施工的HSP探測技術

根據TBM施工隧道的特點，提出利用TBM掘進時刀盤刀具切割巖石所產生的聲波信號作為HSP聲波反射法預報激發信號的設想。TBM掘進時，刀盤及刀具切割或破碎巖石所激發的聲波信號，其頻帶較寬，一般為10～2 000 Hz，利用HSP聲波反射法測試系統對聲波信號進行接收，采用必要的、合適的濾波及信號提取技術進行處理，識別出TBM刀盤前方不良地質體的反射波信號，從而達到對TBM施工掘進前方不良地質體預報的目的。

采用空間陣列式測試布置方法，即在TBM刀頭(或機身)布置一個機械震動信號接收檢波器，在兩側壁圍巖各布置1排聲波接收檢波器，見圖1。測試時，機械震動信號接收檢波器接收TBM掘進過程中機械震動噪聲，2排聲波接收檢波器同時接收TBM掘進產生的震動信號，每次累計接收5～15 min震動信號，用以數據處理。圖2為HSP探測流程圖。數據處理基礎主要采用的是多源地震干涉技術[9-11]，數據處理流程如下。

圖1 HSP探測布極示意圖

圖2 HSP探測流程圖

1)時域分析。刀具剪切巖體時，會產生不同震幅、相位的子波，這些子波有固定的排列順序，被不同空間位置檢波器接收，根據子波序列時間差進行計算基準縱波速度(多組數據取平均值)，用作時深轉換。

2)頻譜分析。同時對機械震動和圍巖震動信號進行頻譜分析(一維、二維)和濾波處理，提取有效信號，具體處理步驟為： 通過分析傅立葉變換后的機械震動和圍巖震動信號頻譜特征，如主頻范圍、相位特征、F-K域分布特征等，進行差異濾波，最大程度上獲取有效信號。

3)相關分析。通道間在同一時間接收的信號中子波序列具有相同的排序特征，對其進行相關干涉處理，獲取虛擬震源道和反射特征曲線。

4)反演成像。采用能量疊加最大化原理，對特征波形曲線進行反射與散射聯合反演成像[12-13]，獲取全空間地層反射能量成果圖。

5)成果解譯。結合基礎地質資料、特征數據庫和反射特征進行地質解譯，指導TBM施工。

2.2 適于TBM施工HSP系統

TBM掘進具有獨特的空間結構及環境特點，如空間小及機械振動大、干擾源豐富、濕熱變化大、環境惡劣等，給HSP地質預報儀的穩定性、采集信號的真實性等方面造成較大的挑戰。HSP地質預報系統的布設、硬軟件系統，均應適應于TBM施工環境。在前人研究基礎上，目前HSP地質預報系統實現了震動信號多通道無線傳輸、提升了動態掘進過程中儀器設備抗干擾能力及寬頻帶彎扭式檢波器，并開發了針對TBM環境噪聲濾除、有用信號提取、反射成像等技術模塊的軟件。

圖3為HSP主機及無線收發模塊，采用一體機設計，儀器集主控裝置、A/D轉換模塊、數顯屏幕、濾波電路、供電電路、過電保護電路等于一體； A/D轉換精度24 bit；8/16/24通道，可根據實際測量需求配置；儀器操作實現智能化，抗干擾能力強、防震、防潮。采集軟件由主控屏顯示，為電阻式觸摸屏。可通過人機互動模式設置采樣速率、通道記錄長度、量程等參數，其中采樣速率設置范圍為1×10-7～1 s，記錄長度為1～32 K，量程為0.001～10 V；并且采集軟件含環境噪聲調查、自動道間均衡、自動道內均衡、手動增益、信號疊加及自動保存等功能。HSP地質預報儀采集界面見圖4。

圖3 無線HSP地質超前預報儀

圖4 HSP地質預報儀采集界面

經數據反演處理后，獲取的地層特征數據為空間三維數據，其中圖5為反演成果展示界面-XOY面切片，可獲取3個不同角度切片成果圖，獲取地層全空間特征信息，用以指導施工，具有重要的意義。

圖5 反演成果界面-XOY面切片

3 實例應用

3.1 工程地質概況

引漢濟渭工程是針對關中地區缺水問題提出的省內南水北調工程的骨干調水線路，采用鉆爆法+2臺TBM法施工，工期為6.5年。

主洞工程區在大地構造單元上屬于秦嶺褶皺系。研究區域沉積巨厚，巖漿活動頻繁，變質作用復雜，褶皺、斷裂發育，具有由邊緣向中心對稱遷移的特點，北接中朝準地臺(Ⅰ)，南鄰揚子準地臺(Ⅲ)。主洞工程橫穿秦嶺褶皺系中的南秦嶺印支褶皺帶(Ⅱ4)和禮縣—柞水華力西褶皺帶(Ⅱ3)2個二級構造單元。區域大地構造分區見圖6。

3.2 數據處理及解釋

針對引漢濟渭TBM施工段，選2個探測實例。實例1： 探測里程K55+957～+882；實例2： 探測里程K29+570～+660，采用HSP地質預報儀8道接收(其中2道為掘進機自身震動噪聲信號監測)。實例1現場具體布設情況如下。

1)右側布設2個檢波器，距TBM盾尾面5.2 m和7.5 m，3點方位；左側布設4個檢波器，距TBM盾尾面 4.1、6.2、8.5、11 m，9點方位；在盾尾面軸承上布設2個噪聲檢波器。

2)采集參數為: 62.5 μs采樣間隔、2 048采集點數、采用彎扭式壓電檢波器。

3)共采集98次，獲取588條地層震動波形信號及196條機械震動信號。單次地層震動波形圖如圖7所示。

對采集的原始波形數據進行相應的處理及反演，最終獲取空間三維地層特征參數，實例1反演分析成果如圖8所示，實例2反演分析成果如圖9所示。獲取探測成果結論見表1。

圖6 區域大地構造分區圖

圖7 單次地層震動波形圖

圖8 K55+957～+882反演分析成果圖(XOY面切片Z方向0 m)

Fig. 8 Inversion analytical results of K55+957～+882(XOYslice,Zdirection, 0 m)

圖9 K29+570～+660反演分析成果圖(XOY面切片Z方向0 m)

Fig. 9 Inversion analytical results K29+570～+660(XOYslice,Zdirection, 0 m)

表1 HSP分析成果表

實例1： K55+919～+882段內存在較強反射能量團，反射能量團交替出現，且時域波型存在反向相位差，分析認為地層存在阻抗差異。

實例2： K29+570～+660段內存在局部反射能量團，分析認為地層局部存在阻抗差異。

3.3 開挖驗證

實例1： K55+920～+880段圍巖較破碎—破碎，節理裂隙發育，受構造影響，有不利結構面和破碎帶發育，結構面結合差，局部巖屑、方解石脈充填，圍巖完整性和穩定性差，地下水呈線狀發育，呈淋水狀。

實例2： 圍巖較完整，地下水弱發育，K29+591～+612段局部節理裂隙發育，預報結果與實際圍巖揭露情況符合性較好。

4 結論與討論

本文采用HSP探測技術實現了測試與TBM施工的緊密配合，首次提出TBM刀盤刀具掘進剪切巖體產生的震動信號作為震源激發信號，獲取TBM前方三維空間內地層特征參數。該探測方法對不良地質結構面的存在具有較好的正相關響應，進而分析不良地質體分布情況。其在實際應用中，取得了良好的應用效果，與實際圍巖揭露情況對應較好，是適合TBM施工地質預報的高效方法之一，且對TBM施工地質預報技術的發展有一定的推助作用，具有重要意義。

目前，因各項地質預報技術均按期次進行預報，探測一定范圍內的地質情況，而無法較好地實現與TBM設備融為一體，實現TBM掘進的實時地質探測，這成為TBM施工地質預報技術的迫切需解決的問題之一。

[1] 朱勁,李天斌，李永林，等. Beam超前地質預報技術在銅鑼山隧道中的應用[J]. 工程地質學報，2007(2)： 258-260.(ZHU Jin， LI Tianbin， LI Yonglin， et al. Application of an electrical method “Beam” for advanced geological exploration to tunneling in Tongluo Mountains for Dian-Lin Highway[J]. Journal of Engineering Geology, 2007(2)： 258-260.(in Chinese))

[2] 李天斌，孟陸波，朱勁，等. 隧道超前地質預報綜合分析方法[J].巖石力學與工程學報, 2009,28(12): 2429-2436.(LI Tianbin, MENG Lubo, ZHU Jin, et al. Comprehensive analysis method for advanced forecast of geology in tunnels [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009,28(12): 2429-2436.(in Chinese))

[3] 李術才,劉斌，孫懷鳳，等.隧道施工超前地質預報研究現狀及發展趨勢[J]. 巖石力學與工程學報，2014, 33(6)： 1090-1113.(LI Shucai, LIU Bin, SUN Huaifeng，et al. State of art and trends of advanced geological prediction in tunnel construction[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(6): 1090-1113.(in Chinese))

[4] 李蒼松,谷婷,丁建芳，等. 適合于TBM施工的HSP聲波反射法地質超前預報[C]// 第八屆全國工程地質大會論文集.上海： 中國地質學會，2008： 111-115.(LI Cangsong, GU Ting, DING Jianfang, et al.Geological prediction technology of HSP sound wave reflection method suitable for TBM construction[C]//Proceedings of the Eighth National Symposium on Engineering Geology. Shang-hai: Geological Society of China, 2008: 111-115.(in Chinese))

[5] 張鏡劍. TBM 的應用及其有關問題和展望[J]. 巖石力學與工程學報,1999，18(3): 363-367.(ZHANG Jingjian. The appliation and some problems of TBM and its prospects[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1999， 18(3): 363-367.(in Chinese))

[6] 何發亮,李蒼松,陳成宗.隧道地質超前預報[M].成都：西南交通大學出版社, 2006.(HE Faliang, LI Cangsong, CHEN Chengzong. Tunnel geological prediction[M]. Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 2006.(in Chinese))

[7] 李蒼松.長大巖溶隧道施工地質預報方法綜述[C]//中國交通土建工程學術暨建設成果論文集.成都： 中國鐵道學會， 2003.(LI Cangsong. Review of geological prediction methods for the construction of long and large karst tunnels[C]//The Academic and Construction Achievements of China Traffic Civil Engineering. Chengdu: China Railway Society, 2003.(in Chinese))

[8] 盧松，谷婷,李政，等.引水隧洞復雜地質段地質超前預報綜合評價[J].工程地球物理學報， 2010， 7(5)： 630-633.(LU Song, GU Ting, LI Zheng,et al. Geological prediction evaluation of the complex geological section of diversion tunnel[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2010， 7(5)： 630-633.(in Chinese))

[9] 趙健，李勇．數字信號處理[M]．北京： 清華大學出版社，2006.(ZHAO Jian, LI Yong. Digital signal processing[M]. Beijing: Tsinghua University, 2006.(in Chinese))

[10] 楊文軍,孫福利，黃偉傳，等.地震干涉偏移在隨鉆地震資料處理中的應用[J]. 地球物理學進展, 2011, 26(2): 602-605.(YANG Wenjun, SUN Fuli, HUANG Weichuan, et al. Application of seismic interferometric migration in Seismic While Drilling(SWD)data processing[J]. Progress in Geophysics, 2011, 26(2): 602-605.(in Chinese))

[11] 朱恒,王德利,時志安，等.地震干涉技術被動源地震成像[J]. 地球物理學進展， 2012, 27(2): 496-502.(ZHU Heng, WANG Deli, SHI Zhi’an, et al. Passive seismic imaging of seismic interferometry[J]. Progress in Geophysics, 2012, 27(2): 496-502.(in Chinese))

[12] 王家映. 地球物理反演理論[M] . 北京： 中國地質大學出版社,1998.(WANG Jiaying. Geophysical inverse theory[M]. Beijing: China University of Geosciences Press, 1998.(in Chinese))

[13] 王華忠,馮波,王雄文，等. 地震波反演成像方法與技術核心問題分析[J]. 石油物探, 2015, 54(2): 115-125.(WANG Huazhong, FENG Bo, WANG Xiongwen, et al. Analysis of seismic inversion imaging and its technical core issues[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2015, 54(2): 115-125.(in Chinese))

Application of HSP (Horizontal Sonic Profiling) Sound Wave Reflection Method to Geological Prediction of TBM Tunnel of Hanjiang River-Weihe River Water Diversion Project

LU Song, LI Cangsong, WU Fengshou, ZHOU Yunjin

(ChinaRailwaySouthwestResearchInstituteCo.,Ltd.,Chengdu611731,Sichuan,China)

During the construction of TBM, advanced geological prediction and TBM rapid construction often affects each other. As a result, the difficulties of geological prediction are analyzed; and then the working principle and method of HSP sound wave reflection method applied to TBM construction are introduced based on the characteristics of TBM construction. The vibration of rock induced by TBM cutterhead is regarded as vibration source signal; and then the array typed pole arrangement method is used to collect characteristics of the ground ahead. The comparison between analytical results and actual application of HSP sound wave reflection method applized to geological prediction of TBM tunnel of Hanjiang River-Weihe River Water Diversion Project shows that the HSP sound wave reflection method is feasible and highly-efficient in geological prediction of bad geological conditions.

Hanjiang River-Weihe River Water Diversion Project; TBM construction; geological prediction; HSP sound wave reflection method

2016-08-26；

2016-10-24

科學技術部項目(20142EG123034)； 中國鐵路總公司重大課題(2016G004-A)

盧松(1985—)，男，江西武寧人，2010年畢業于中國地質大學(武漢)，地球物理工程專業，碩士，高級工程師，主要從事工程地球物理及隧道超前地質預報技術工作。E-mail: 178404719@gmail.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.017

U 45

A

1672-741X(2017)02-0236-06