地質超前預報系統在棟梁坡隧道施工中的應用

劉 倩，檀朝彬，韓 星，呂會喜，展先彪

（1.北華航天工業學院電子與控制工程學院，河北廊坊 065000；2.武漢中原電子集團有限公司，武漢 430205；3.中地遠大（廊坊）精密儀器制造有限公司，河北廊坊 065000）

0 引言

我國地質屬多山且地質復雜的地下環境，使得隧道掘進的難度大，而施工中可能出現的松散地層、巖體破碎帶等地質異常體［1］，在隧道施工中會嚴重拖延工期，甚至危及施工人員的生命安全。通過超前地質預報，可提前獲知隧道掌子面前方的地質情況，并及時將異常信息通過上位機上報給施工管理員。地質超前預報系統有地震反射波法、電磁法、地質分析法、紅外探測法等。本文采用基于反射波理論的地震反射波法（TSP）與地質調查相結合的方法，在施工前預先通過地質觀察，初步判斷掌子面及洞身的地質發育、風化、有無滲水等地質情況，并且根據這些觀察分析繪制地質素描圖，然后通過儀器接收多波多分量的地震反射波信號［2-5］，并對提取到的反射波信號進行縱（P 波）、橫波（S波）分離、偏移成像［6］等技術建立分析和預測模型。結合前期地質觀察結果補充修正分析預測模型，最終給出準確的地質解釋，以增強地質環境的預報能力，保證隧道工程的順利進行，進而節約地質預報的工程成本，提高工程效率與探測精度［7］。

1 地質預報方法

1.1 地質素描調查法

實際隧道施工過程中對開挖面的地質情況進行如實而準確的反映就是地質素描法。素描的內容包括地層巖性、構造發育情況及地下水的出水狀態、圍巖的穩定性及初期支護采用的方法等。典型特征是不占用施工時間和不干擾施工。

1.2 TSP超前地質預報系統

TSP預報系統主要由地質數據預處理、核心處理、地質解釋及上位機組成，如圖1 所示。

圖1 TSP系統總體結構

地震檢波器通過接收多波多分量的地震反射波信號，對提取到的反射波信號進行縱（P波）、橫波（S波）分離，偏移成像等建立分析和預測模型，最終給出準確的地質解釋，增強地質環境的預報能力，保證隧道工程的順利進行，進而節約地質預報的工程成本，提高工程效率與探測精度［7］。

TSP超前地質預報系統是在經典彈性波理論基礎上，利用地震波形成的多波多分量反射回波進行測量的原理［8］，圖2 所示即為反射波法隧道超前預報原理圖［9］。

圖2 反射波法隧道超前預報原理圖

通過小藥量炸藥激發產生地震波震源，地震波在巖石中以球面波形式傳播，當地震波遇到彈性波阻抗差異界面時，例如斷層、巖體破碎帶、巖性變化或巖溶發育帶［10］等，一部分地震信號反射回來；另一部分信號透射進入前方介質繼續傳播［11］。反射的地震信號被高靈敏度的地震檢波器接收，反射信號的傳播時間與傳播距離成正比，與傳播速度成反比，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條件的目的［12］。

在一定間隔距離內連續采用上述方法，結合施工地質調查，可以得到隧道圍巖的地質力學參數，如平均水平波速、平均垂直波速、動態彈性模量和泊松比等地質物性參數?；诘卣鸱瓷洳ǖ某疤綔y核心處理技術包括波場分離和地質偏移成像。波場分離技術能有效地提取來自隧道掌子面前方的反射波信號，即利用質點振動的極化特性進行縱波（P波）和橫波（S波）分離。然后將提取出的來自隧道掌子面前方地震信號的反射波縱波（P波）信號，進行波速偏移成像，進一步獲得隧道掌子面前方的反射面信息，從而實現超前探測。

1.2.1 波場分離技術

用三分量多波多分量的檢波器接收數據，接收到地震波數據不僅包含縱波（P 波）信息，還包含橫波（S波）及其他干擾波信息，同時在傳播過程中，各類波型還會相互轉換，形成更復雜的波場，隧道超前探測的實現過程中需要將各類型波進行分類［13］。波場分離采用f-k域濾波濾波方法，抑制噪聲的同時提取出隧道掌子面前方的反射波信號。f -k 域濾波是通過二維傅里葉變換，將原始地震記錄從t -x 域變換至f -k域，通過設定濾波因子，保留所需的視速度范圍，經過二維傅里葉反變換返回t -x 域后所保留下的可視速度范圍，在t-x域即為來自掌子面前方的有效反射波信號［14］。

1.2.2 偏移成像技術

垂直地震剖面（VSP）方法是通過在地表激發地震波，在地下通過檢波器接收地震波，即是在垂直方向觀測的；而擬VSP方法是將該方法用于對前方掌子面進行垂直方向的觀測。Kirchhoff 偏移方法是建立在Kirchhoff積分解的基礎上提出的，在輸出剖面的每一個點上都進行積分求和，從而實現波場偏移［15］。

Kirchhoff積分疊前深度偏移是建立在全波動方程式積分解的基礎之上處理地震勘探資料的歸位問題，不受地層傾角的影響且具有對高頻成份的補償作用和較好的保振幅特征，是目前生產上廣泛應用的主要偏移方法之一［15］。綜上，將擬VSP 方法和Kirchhoff 偏移方法相結合，利用Kirchhoff偏移方法對掌子面前方反射面成像時，可以較為直觀地獲得前方反射面的構造信息，然后通過結合擬VSP 方法，獲得反射界面同向軸與直達波同向軸的交點信息，即可獲得反射面位置信息，兩者相結合獲得更準確的前方構造與位置信息。

2 隧道地質超前預測工程實例

本文以棟梁坡隧道DK503 +227～DK503 +170 段為對象，為保證預測的準確率，測試前需了解測試范圍內的地質情況，可能存在異常體的位置及其大致形態體征。然后采用TSP 超前預報系統和地質調查法相結合的方法進行超前地質預報。

2.1 地質調查情況

隧道開挖后掌子面揭示巖性為板巖，青灰色，弱風化，巖質堅硬，變余結構，板狀構造，中厚層狀為主，巖層產狀：N30°E/15°S。節理較發育，主要有兩組節理：J1 產狀N50°W/80°N，節理間距0.3～0.7 m，延伸長度0.5～1.5 m，密閉，平滑；J2 產狀N20°E/90°，節理間距0.2～0.6 m，延伸長度0.5～1.0 m，密閉平滑。巖體整體較完整，圍巖穩定性一般，掌子面潮濕。如圖3 所示即為棟梁坡隧道掌子面地質素描圖。

圖3 掌子面地質素描圖

通過地質調查揭示隧道洞身地質巖性與掌子面巖性基本一致，巖體整體較完整，圍巖穩定性一般。同時，拱頂及邊墻有滲水現象，如圖4 所示為拱頂和兩側邊墻地質素描圖。

圖4 拱頂和兩側邊墻地質素描（m）

2.2 施工參數設置

為了提高地震波波速，增加探測距離，本工程應用中使用無爆炸延遲時的瞬發電雷管，防水乳化高爆速炸藥，每孔藥量控制在150 g，并將炸藥和雷管用錨固劑固定在孔底，并且在正式啟爆時盡量保證起爆時間一致［16］。

為了保證足夠的反射波能量，盡量從掌子面附近可以施測的地方開始布設跑孔，并且檢測點布設在探測方向與界面成銳角一側。三分量加速度型傳感器體積小巧，可以在小口徑接收孔內安裝，高頻響應好，有利于提高測試精度，同時布設在圍巖堅硬致密的地段，在安裝完畢后用布封住安裝孔以阻擋隧道內聲波的干擾。隧道內的裝置布置圖如圖5 所示。

圖5 隧道內數據采集布置圖

現場實際接收器位置在DK503 +288，開挖面位置在DK503 +227，測線位于左邊墻，實際激發20 炮，2個接收器（檢波器）接收。具體參數如表1 所示。

2.3 地質超前預報分析

在對原始數據的處理中，共20 炮數據參與軟件處理分析。震源振動產生速度向量即X、Y、Z 3 個分量，這3 分量速度向量都被檢波器接收并記錄下來，橫坐標為偏移量，隨時間變化。其中垂向Z 分量主要是垂直出射的P波，徑向X和切向Y分量主要記錄的是水平的S波分量。其原始記錄及頻譜圖如圖6、7 所示。X分量能量減弱，其他兩個方向變化不大。垂直分量的地震記錄的頻率成分主要是高頻信號，而水平分量的地震記錄的頻率比較低。

以目前開挖面巖石為主要參照物，結合地質調查資料和施工開挖情況，對掌子面前方地質二維處理結果如圖8、9 所示。圖中：R 代表掌子面中心點為中心的地震波傳播半徑；X為波傳播的水平方向距離。

在實際施工中記錄到已開挖段及開挖面為板巖，取已施工的DK503 +288～DK503 +239 總長49 m 的隧道段作為測試段來預測掌子面前方地質狀況，測試段平均波速vp=5.44 km/s，vs=3.08 km/s、泊松比0.26、動態彈性模量69 GPa。根據TSP 測試系統測試，可以將掌子面前方待預測段分成三段進行地質預報，得到的預報結果如表2 所示。

結合探測數據，棟梁坡隧道掌子面前方物性及異常特性如圖10 所示。

表1 超前預報系統具體參數設置

圖6 TSP系統接收到的P波X、Y、Z方向原始記錄

圖7 TSP系統接收到的X、Y、Z方向的原始記錄頻譜圖

圖8 P波深度偏移剖面

圖9 提取的P波反射層圖

根據上述棟梁坡隧道掌子面、洞身地質素描分析情況及TSP超前預報分析結果，結合設計文件工程地質和水文地質資料，對掌子面前方57 m洞身及周邊工程地質和水文地質條件進行綜合分析得出如下結論。

（1）DK503 +227～+213，長度14 m，該段圍巖物性較上段有變差的趨勢，預測出露巖性仍為板巖，弱風化，中厚層狀為主，地層單斜，繼續存在順層偏壓問題，節理較發育，巖體較破碎，局部可能有褶曲和小型斷層等次生構造發育；從物探參數變化來看，地下水總體較上一預測段發育，以滲水、滴水現象為主，整體出水量有增大趨勢，局部可能出現淋雨狀滴水現象。

表2 棟梁坡隧道地質預報結果

圖10 隧道掌子面前方物性及前方異常特征

（2）DK503 +213～+196，長度17 m，該段圍巖物性較上段變化不大，預測出露巖性仍為板巖，弱風化，中厚層狀為主，地層單斜，繼續存在順層偏壓問題，節理較發育，巖體較破碎，局部可能有褶曲和小型斷層等次生構造發育；綜上分析，該段圍巖穩定性尚可，開挖過程中局部可能出現掉塊等圍巖失穩現象。

（3）DK503 +196～+170，長度26 m，該段圍巖與已開挖段近似，預測出露巖性應為板巖，中厚層狀，地層單斜，存在順層偏壓問題，弱風化，節理較發育，巖體整體較完整，局部相對較破碎；從探測參數變化來看，地下水較測試段變化不大，總體不甚發育，主要為基巖裂隙水，以局部滲水、滴水現象為主；綜上分析，該段圍巖穩定性一般，開挖過程中局部可能出現掉塊等圍巖失穩現象。綜上分析，該段圍巖穩定性較差，開挖過程中較易出現掉塊及局部小范圍坍塌等圍巖失穩現象。

3 預報與工程實際對比分析

根據隧道的開挖情況與地震波地質超前預報進行對比分析，DK503 +227～+213 段整體節理裂隙發育，圍巖較為破碎，完整性不好，施工過程中有滲水現象發生。DK503 +213～+196 較前段稍好，圍巖破碎程度稍好，施工難度明顯好于前段。DK503 +196～+170段整體節理發育，巖體不完整，且施工中有滴水現象。綜合來看與地質預報結果基本一致。

在DK503 +317～+217 段施工過程中，建議通過加深炮孔來驗證預報的準確性，采用弱爆破、短進尺掘進，迅速封閉巖面，加強初期支護，及時跟進二次襯砌，針對局部可能出現的圍巖失穩和出水情況，需加強監測，并做好合理的應對措施，以確保安全。另外，針對可能出現的氣候變化產生集中降水，應及時做好洞內防排水措施，尤其對局部地下水較發育段，應采取應對措施，防止突水等地質災害發生時造成人員和設備損失。

4 結語

本文采用TSP 超前預報系統和地質調查法相結合的方法進行了隧道施工超前地質預報方法分析，以棟梁坡隧道DK503 +227～DK503 +170 段為例，先對隧道掌子面、洞身地質情況等進行地質掃描，對整個隧道的地質情況有了基本的認識和了解，并結合這些地質情況對應的體質雷達圖像找到規律，然后結合核查結果運用地震反射波法預報掌子面前方的地質信息，開挖后地質情況驗證與地質預測結果基本一致，保證了棟梁坡隧道的施工安全，提高了施工效率。

綜上所示，說明在本案例中地質調查可以為后續地震波的超前預報提供有效的信息參考，能提高最終的預測結果的準確性和有效性，并且能大大減少預測時間。因此，地質預測分析方法具有經濟高效，預測結果準確的特點，具有一定的工程使用價值。