基于地震波反射法的盾構施工超前地質預報初探

侯偉清， 張星煜， 葉 英

(1. 福州地鐵集團有限公司， 福建 福州 350000； 2. 北京市市政工程研究院地下工程建設預報預警北京市重點實驗室， 北京 100037)

基于地震波反射法的盾構施工超前地質預報初探

侯偉清1， 張星煜2， 葉 英2

(1. 福州地鐵集團有限公司， 福建 福州 350000； 2. 北京市市政工程研究院地下工程建設預報預警北京市重點實驗室， 北京 100037)

由于北京地鐵八號線三期工程六營門站—五福堂站盾構段區間特殊的工程環境及工藝，使得傳統的預報方法難以開展實施。以盾構刀盤切削震動為震源，以地震波反射法為原理進行地震波相位特性和振幅特性的解析，提出了基于地震波反射法的盾構施工超前地質預報方法，并進行超前預報及跟蹤對比工作。現場試驗表明： 基于地震波反射法的盾構施工超前地質預報系統布設簡單、操作方便，且不影響作業面推進； 基于地震波反射法的盾構施工超前地質預報系統能較好地反映地下介質體的形狀與輪廓，圖像判譯結果基本與地質資料吻合，與開挖跟蹤結果一致。

盾構施工； 超前地質預報； 地震波反射法； 正演模擬

0 引言

我國已是世界上隧道修建規模和數量最大的國家[1]，盾構施工以其自動化、效率高、成洞效果好等優點得到廣泛的應用[2]。隧道盾構施工方法有一定的特殊性和復雜性，對不良地質狀況非常敏感，如斷層、溶洞、破碎巖體等在施工擾動下極有可能造成突水突泥、塌方等地質災害，輕則導致盾構刀盤被卡而無法脫困，重則損壞刀盤、引發掌子面失穩及破壞周圍環境，造成嚴重的人身財產損失[3]；因此，盾構施工超前地質預報工作顯得尤為重要。

目前在TBM施工中取得商業化應用的技術有德國BEAM電法超前監測技術和德國 GFZ研發的 ISIS主動源地震超前探測技術。在國內，李術才等[4]提出TBM施工隧道前向三維激發極化法超前探測技術，葉智彰[5]將HSP聲波反射法應用于大伙房水庫特長隧洞TBM施工，周奇才等[6]將探地雷達應用于盾構前方探測等。總體而言，目前的研究熱點多集中于TBM施工的地質預報方法，有地震法、電法及電磁法等，而在盾構施工環境下的地質預報手段并不多。其主要問題有： 1)盾構占據了隧道掌子面及后方的大部分空間，使預報裝置排列十分困難； 2)龐大的金屬機械系統產生的復雜電磁環境使得電法探測效果不盡如人意； 3)機械化的施工方式，其開挖的震動較大，而對于地震類方法，在去噪、提取有用信號方面提出了很高的要求[7]。本文結合北京地鐵八號線三期工程六營門站—五福堂站盾構段區間典型的盾構施工環境特征，利用盾構本身機械震動作為被動震源，通過噪聲壓制及有效波提取，提出采用地震波反射法探測盾構施工前方地質情況的方法及系統[6]。

1 盾構施工超前地質預報技術

本文在USEP21地下工程施工超前地質預報系統的基礎上，以盾構本身機械震動產生的地震波作為震源，對開挖面前方地質情況進行探測。通過安裝在隧道管片上的接收器預定的時間間隔執行采集工作，用數字濾波等技術壓制機械震動產生的特殊干擾，識別反射波中的有效信息，經過數據處理和空間歸位，形成盾構前方的三維顯示圖像，便于技術人員對前方地質信息進行描述[8]。同時，利用Tesseral-2D軟件對盾構法施工環境超前地質預報方案進行正演模擬，以論述方法的可行性。

1.1 基本原理

本系統基本原理采用地震波反射法，即利用USEP21預報系統將接收到的地震反射波由地震時間剖面轉換為深度剖面，相位特性和振幅特性采用的基本方程見式(1)和式(2)。

同相軸方程式[9]為

(1)

式中：β為相位移；ψ為傳感器與水平面(X,Y)的夾角；ω為傳感器軸線的方位角；ω1、ω2為第1、2個震動方位的開始方位角；φ1、φ2為第1、2個震動方向與水平面(X,Y)的初始夾角；A0、B0為初始振幅；β1、β2為起始相位。

(2)

1.2 系統介紹

本文所涉及的盾構施工超前地質預報系統是由MHHC綜合采集器、三分量檢波器和USEPWin21上層處理分析軟件構成的。

盾構掘進施工時，刀盤滾動切削土體，產生的震動包括刀盤扭轉及土體釋放帶來的扭轉震動、側向阻力不均帶來的徑向震動以及刀具切削不均勻所產生的高強度沖擊等[10]，因此，單一分量的檢波器難以滿足復雜勘察的需求[11]。本文采用多個三分量組成的聯合體系作為地震接收器，目的是同時利用所有類型的波(縱波、橫波和轉換波)來研究介質，從而提高勘探的準確度[12]。

1.3 觀測系統

觀測系統如圖1所示。接收器布置： 現場選用5個三分量檢波器，間距為1.2 m(管片寬度)，分別布置于兩側拱腰位置，1號三分量檢波器距離刀盤22.8 m。炮點布置： 以刀盤震動為震源(刀盤直徑6 m)，現場用25個單次振動表示震動面。

(a) 現場采集布置示意圖

(b) 三分量布置

1.4 操作流程

操作流程見圖2。具體流程為：

1)按預設位置及方向安裝地震數據接收器，接至數據采集器上，打開系統并完成自檢工作；

2)在預設位置及方位實時接收盾構施工過程中由自身機械震動所產生的地震波在遇到反射界面后形成的反射波和透射波，形成地震標準數據文件；

3)實時采集盾構施工過程中工作移動狀態下的震動信號數據；

4)對地震標準數據文件以及震動信號數據進行數據處理解析，形成盾構施工前方地質情況的圖像，并輸出顯示。

圖2 操作流程圖

2 軟土介質中地震波場正演模擬

模擬采用Teserral 2D 全波場模擬軟件。模擬地質體為500 m×500 m(長×寬)，盾構周邊地質為黏土，縱波速度1 800 m/s，橫波波速600 m/s，巖體密度1 800 kg/m3。模擬軟弱夾層為黏土，縱波速度500 m/s，橫波波速200 m/s，巖體密度1 200 kg/m3。軟弱夾層位于刀盤前方20 m處，模擬高度100 m、厚度20 m，方向垂直于隧道開挖方向。炮點信息： 點震源，炮點為1個，模擬炮點位置為模擬盾構刀盤中心，橫坐標x=298 m，波傳播模式為全方位。接收點位置信息： 接收點為5個，水平布置，于開挖隧道側壁兩邊左2右3分別布置，同側接收器距離1.2 m、高度2 m。實際現場實驗時左側接收器與右側接收器位置相對應，2對分別布置，右側多1個接收器是考慮到盾構操作室靠近右側，現場干擾更大，多布置1個接收器意在盡可能多地采集相關震動信號，為后期數據處理提供更多依據。正演模擬示意圖如圖3所示。軟件計算結果如圖4所示。

下面進行道集記錄具體分析。為了增強道集記錄與波場快照觀察效果，道集記錄經過50%均衡、20%平滑處理。

1)T1=0.009 s時，直達波到達接收器，如圖5所示，根據縱波波速計算炮點到接收器的距離為16.2 m，實際模擬設置距離為17 m，誤差為0.8 m。

圖3 正演模擬示意圖

圖4 軟件計算結果

圖5 直達波到達

2)T2=0.033 s時，軟弱夾層第1界面反射波到達接收器，如圖6所示。由1)計算可得波場從出發到反射經過接收器傳播的距離等于59.4 m，則軟弱夾層距離炮點距離為21.6 m，距離掌子面距離為19.6 m；建模設置時，掌子面實際距離軟弱夾層第1個介質面為20 m，計算誤差為0.4 m。

3)T3=0.112 s時，軟弱夾層第2界面反射波信號到達接收器并記錄，如圖7所示。根據1)和2)可估算出軟弱夾層的位置與厚度。

圖6 第1界面反射波到達

圖7 第2界面反射波信號到達接收器

由計算結果可以發現，道集記錄數據可以清楚地觀察試驗方案采用的觀測系統干擾信號很小，接收信號能清楚地反映刀盤震動在軟土介質中的地震波衰減情況及遇到軟弱夾層之后的傳播情況，經過計算能得知軟弱夾層的位置與規模。

3 盾構施工工程應用

3.1 工程概況

北京地鐵八號線三期工程六營門站—五福堂站盾構段區間自六營門盾構井沿南大紅門路向南敷設，抵達五福堂站。本段區間位于南大紅門路下，區間沿線多為住宅及商業，施工風險包括地下管線及其滲漏引發的空洞、廢棄樁基以及飄石等[13]。

3.2 現場試驗

現場試驗如圖8和圖9所示。對盾構掘進全程進行數據采集，所用設備包括1個MHHC數據采集器、1臺野外筆記本電腦、5個三分量檢波器、1個震動開關、1個卷尺、若干連線和1個電纜轉換接頭。

圖8 拱腰布置三分量檢波器串

圖9 現場數據采集

3.3 數據分析

3.3.1 施工噪聲震動分析及典型圖譜

在進行盾構施工地震數據采集及分析時，判定刀盤震動為地質預報的唯一有效震源，認為盾構施工作業面地質條件的軟硬程度是影響盾構施工刀盤震動水平的最主要因素，并在此基礎上進行震動速度分析和地震數據反演，從而對作業面前方的地質情況作出判定與評價；因此，在地震數據分析時，判斷震動來源并消除噪聲工作就顯得十分重要[14]。

現場數據采集工作中，接收到的噪聲包括工人錘擊(管片拼接)、螺栓緊固、管片安裝(旋轉)、運渣機車運行、延伸軌排和吊機移動等。

各種噪聲的典型圖譜見圖10—15。1)錘擊(管片拼接過程中調整位置時發生錘擊，非持續性噪聲)圖譜特征為： 震動幅值突然增大，持續時間短，且分布無規律； 2)螺栓緊固圖譜特征為： 震動幅值較大，正負來回震蕩，持續時間較長； 3)管片安裝圖譜特征為： 震動幅值大，持續整個采集過程，圖譜表現為正負來回震蕩； 4)運渣機車運行圖譜特征為： 震動幅值由小變大，持續過程時間較短； 5)吊車移動圖譜特征為： 震動幅值較小，圖形一致，持續整個采集過程； 6)管片安裝結束圖譜特征為： 震動幅值短時間內減小至低值，圖像呈現楔狀。

3.3.2 數據處理流程

1)根據施工噪聲典型圖譜，對現場采集的數據進行對比與篩選，將噪聲較少的地震文件作為有效數據文件進行后期處理。

圖10 錘擊典型圖譜

圖11 螺栓緊固典型圖譜

圖12 管片安裝典型圖譜

圖13 運渣機車運行典型圖譜

圖14 吊車移動典型圖譜

圖15 管片安裝結束典型圖譜

2)數據處理包括三點自相關、四點空域轉換、一階五點圓滑、二階七點圓滑、三階七點圓滑、四階七點圓滑、三階九點圓滑、能量補償、球面擴散、平均補償、均方補償和頻率分析[15]，并利用干擾波頻率的差異性(如瑞雷面波在15 Hz以內、聲波大于100 Hz)帶通濾波。

3)進行多個震動文件的聯合成像，形成三維等值面圖，結合地質資料對成果圖進行圖像判譯。

4)生成報告。

3.3.3 三維成像

3.3.3.1 單次激發分析

盾構同一循環內，利用盾構法施工超前地質預報系統進行連續采集作業。隨著刀盤的勻速向前推進，相當于不斷地、有規律地改變激發點位置，通過觀測反射波的波譜改變，進一步確定目標體的位置和形狀[9]。

對取得的有效數據進行能量補償、均方補償及繞射疊加后，進行三維成像處理。盾構刀盤前方10 m內的三維成像如圖16和圖17所示。

對三維成像及成果進行解釋時，紅色(黑色)代表正反射(透射)，表明地震信號傳播的土層較為密實；藍色(白色)代表負反射(透射)，表明地震信號在疏松土層中傳播。

測試結果表明： 1)刀盤前方10 m范圍內地質較為均一，中間強反射點處可能為卵石(波速明顯增加)； 2)不同空間位置采集的數據在反射強點處，通過多次處理、切割及變換后，反射強點具有可重復性及再現性，且連續變化的規律較為一致； 3)盾構法施工超前地質預報系統的實時、多次采集方法具備可靠性。

(a) 震動1 (b) 震動2 (c) 震動3

(d) 震動4 (e) 震動5 (f) 震動6

圖16 連續采集數據對比(三維等值面圖)(單位： m)

Fig. 16 Comparison among continuous data collected(three-dimensional isosurfaces)(m)

(a) 震動1 (b) 震動2 (c) 震動3

(d) 震動4 (e) 震動5 (f) 震動6

圖17 連續采集數據對比(強反射點抽取)(單位： m)

Fig. 17 Comparison among continuous data collected(strong reflection point extraction)(m)

3.3.3.2 聯合處理

利用USEPwin21軟件將連續采集取得的25個單次文件進行聯合疊加，得到的三維成像圖、強反射點抽取及矢量圖如圖18—20所示，現場實際開挖土體如圖21所示。

圖18 三維成像圖(單位: m)

圖19 強反射點抽取(單位: m)

圖20 矢量圖(單位: m)

多震源文件的聯合疊加處理，可以起到壓制干擾波、提高信噪比、消弱多次反射波及頻率濾波的作用。通過實時采集和單次采集聯合使用，以期獲得更好的預報效果。

圖21 開挖渣土(黏土)

圖像判譯： 1)多震源文件的聯合處理與單震源相比，圖像更為精細，二者結果具有一致性； 2)刀盤前方20 m范圍內反射整體較為平均，下部反射更強烈一些，同時局部有強反射點。結合場地條件及地勘資料，開挖面前方土體以粉細砂與粉質黏土為主，下臥地層以卵石為主，地質整體上較為均一，說明探測結果與地質資料較為一致。多次探測結果與開挖驗證地質情況見表1。

表1 六營門站—五福堂站掌子面K45+062前方50 m地質預報

Table 1 Geological prediction results of cross-section 50 m ahead of working face K45+062 of Liuyingmen Station-Wufutang Station section

里程長度/m推斷結果開挖驗證K45+062～+07412 介質均一,整體強度較低,適合盾構掘進 出土以粉質黏土為主K45+074～+10228 介質均一,整體強度低,局部出現較多的強反射點,判斷為大的卵石,需相應調整掘進參數 刀盤磨損增加,渣土出現小直徑及破碎卵石K45+102～+11210 介質均一,整體強度較低 出土以粉質黏土為主

北京地鐵八號線六營門站—五福堂站盾構段區間震動試驗表明： 1)采用盾構法施工的隧道進行的超前地質預報系統布設簡單、操作方便，且不影響作業面推進； 2)本系統能較好地反映地下介質體的形狀與輪廓，圖像判譯結果基本與勘察資料吻合，并與開挖跟蹤結果一致。

4 結論與討論

盾構掘進過程中的地質預報技術目前大多都停留在理論階段，距離實際工程應用還較遠。本文提出的以盾構掘進過程中機械震動為震源信號進行地質預報的方法，取得了一定的階段性成果。

1)采用正演軟件對現場試驗方案進行模擬，有效地解釋了在遇到不同介質面時的地震波反射特征，信號數據對實際采集數據有一定的參考意義。

2)試驗采集到的數據圖譜高低頻混雜，現場噪聲干擾對數據影響巨大，后期進行有效信號的提取與處理時必須多角度多方法組合嘗試。本文采用一致性對比，合理解釋地震圖譜的規律特征，經過聯合處理后的三維圖像能初步解釋周圍地質信息與實際開挖地層地質信息基本吻合。

3)本文提出的地質預報方法適用于盾構法施工短距離的預報(探測刀盤前方20 m、掌子面周圍約10 m 范圍)，進行長距離地質預報有一定的困難，需要進一步的研究開發，在系統設備不斷完善之后，再應用于盾構法施工長距離超前地質預報工作。

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Preliminary Study of Advanced Geological Prediction Based on Seismic Reflection Method for Shield Tunneling

HOU Weiqing1, ZHANG Xingyu2, YE Ying2

(1.FuzhouMetro,Fuzhou350000,Fujian,China; 2.BeijingKeyLaboratoryofUndergroundEngineeringConstructionPrediction&Precaution,BeijingMunicipalEngineeringInstitute,Beijing100037,China)

Due to the special engineering environment and construction technology of Liuyingmen Station-Wufutang Station shield section of Phase 3 of Beijing Metro Line No. 8, the conventional geological prediction method is hard to be carried out. The characteristics of phase position and vibration amplitude of seismic wave are analyzed by regarding the cutting vibration of shield cutterhead as vibration source and seismic reflection method as principle; the advanced geological prediction method based on seismic reflection method for shield tunneling is proposed; and then the advanced geological prediction and relevant tracking work are carried out. The field test shows that: 1) The above-mentioned geological prediction method is easy in layout and convenient in operation and does not affect shield advancing. 2) The shapes and contours of underground bodies can be well reflected by the above-mentioned geological prediction method, and the interpretation of the prediction results coincides with the actual data.

shield tunneling; advanced geological prediction; seismic reflection method; forward modeling

2016-11-28;

2017-04-17

侯偉清(1987—)，男，福建福州人，2013年畢業于北京市市政工程研究院，市政工程專業，碩士，工程師，現從事工程物探技術應用研究工作。E-mail: 329198417@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.014

U 452.1+1

A

1672-741X(2017)08-1003-08