USP地質預報技術在長大隧道施工中的應用

趙莉蒙

(中鐵十八局集團第一工程有限公司，天津 300000)

目前我國仍處在經濟的快速發展過程中，對于交通和其他基礎設施的建設需求很大，尤其是在中西部山區，在建和擬建隧道數量眾多。很多隧道不僅很長，埋深也很大，巖爆、斷層等地質災害時有發生，嚴重威脅施工和人員安全。因此，不良地質隧道施工必須開展超前地質預報。目前，常用的隧道超前地質預報方法有：掌子面地質描述、超前鉆探法、地質調查法、TEM法探測、TSP法探測等[1-3]。其中隧道地震預報法TSP技術在國內巖體隧道工程中應用較多，但現有技術手段預報精度不夠，無法更有效的指導隧道現場施工、規避施工風險[4-5]。本文采用USP21地質預報系統，通過“角度、位置偏移+多震源多接收”的聯合疊加方法進行長距離地震波反射法預報，可提高長距離隧道施工超前地質預報精度，為隧道施工提供可靠的地質信息資料。

1 USP超前地質預報技術

1.1 系統組成

USP21是一種新型的隧道及地下工程開挖綜合超前地質預報系統。采用三維空間排布、256個通道的數據采集和多個震源點位置偏移，在隧道前方形成高密度的三維數據結構體。通過對三維結構數據的一系列處理和分析，形成各種三維空間地震波的圖形圖像，最終計算出巖土的各種力學參數，從而實現對隧道及各種地下工程前方地質條件的判譯和預測。USP21系統包括：地震接收器、起爆器、錘擊震源、電磁掃描、數據采集系統和電磁發送機，如圖1所示。

圖1 USP21系統設備

1.2 長距離地震反射技術

1.2.1 “角度+位置”偏移聯合體系

該體系采用多眼定位法原理，以角度偏移為主，輔助位置偏移。提供256個通道，配置數量不等的單分量、三分量、平板式及半球多分量地震接收器，接收器中的每個傳感器作為一個基本單元，描述位置和方向，并使用位置、角度偏移對接收到的透射波和反射波進行射線追蹤及歸位成像[6]，并實現多震源、多接收器以及疊加次數不限的方法組合，解決復雜地質條件下的隧道施工超前地質預報問題。多分量空間接收器結構見圖2，位置與角度的互換見圖3。

1.2.2 繞射疊加

繞射疊加是從繞射波歸位到其頂點的幾何地震

圖2 多分量空間接收器結構

圖3 位置偏移與角度偏移的互換

學偏移方法。首先，將地下空間劃分為網絡，認為每個網絡點都是繞射點。根據網絡點的坐標計算出它所發出繞射波的時距曲線，然后按照此繞射雙曲線給定的時距曲線與實際記錄的各繞射點的振幅值一一對應，將它們相加后作為偏移后繞射點的輸出振幅。

對角度偏移的繞射疊加，設接收器到繞射點的距離S1，繞射點到震源點距離S2，那么，所有空間檢波器在繞射點處的反射波幅的貢獻等于(S1+S2)/V時刻的值乘以與繞射點與接收器連線的夾角余弦之和，工作原理見圖4、圖5。

圖4 繞射疊加原理 圖5 USP21的繞射疊加

1.2.3 深度偏移

地下介質結構是用地震波形同相軸表示的，偏移(歸位)處理在疊加剖面上是使地震波更能接近或準確地反映地質結構。當地下地層為水平狀態，反射波形正好反映記錄隧道正下方的地層。如果反射地層為傾斜界面，地震反射同相軸就要向下傾方向移動。此時，疊加剖面上反射同相軸的視傾角φ*與地層的真實傾角φ不等。USP21系統采用的是速度譜分析法和繞射疊加進行深度偏移處理地震剖面，如圖6所示。

1.3 多震源多接收器的聯合疊加方法

在隧道掌子面前方布置多個接收器與震源激勵點，通過不斷有規律地改變震源點，來查看地震反射波形的變化，根據其差異來確定隧道掌子面前方圍巖的地質構造細節，實現隧道施工高精度超前地質預報。選取了S1～S6不同震源的反射波型進行疊加，抽取S1震源反射波效果見圖7。

圖7 S1震源反射波疊加結果

1.3.1 多震源的偏移

多震源的偏移說明不同的震源與接收器的空間位置與圍巖地質結構之間的關系變化。就像不同方向的光源下，會看到不同的地下結構，由于路徑不同，看到的情況相近但不同。

1.3.2 地震波偏移、疊加與聯合

將S1～S6多震源偏移的空間展示進行繞射聯合疊加，再對疊加的聯合文件的波形進行抽取，提取較大的正負反射點如圖8所示。圖8中顏色的亮暗差異表示地震波對前方圍巖的反射程度不同，反映了該區域或該斷面地質的完整性，顏色鮮紅表示地震波波速高，代表該區域巖體較密實；顏色暗紅表示地震波波速低，代表該區域巖體空隙率高，軟弱較破碎或富含地下水。顏色有明顯變化的地方表示該處圍巖不均勻，完整性差，地質復雜多變。進一步提取見圖9，可實現對前方軟弱帶等不良地質體的準確探測。

圖8 較大反射的 圖9 最大的幾處反射界面

反射界面 (波速明顯增加)

2 工程應用

2.1 工程概況

八片山隧道為汕(頭)湛(江)高速公路惠州至清遠段的一部分，位于惠州市境內。隧道全長1 001.0 m，凈寬10.25 m，凈高5 m，最大埋深140.6 m，最小埋深20.3 m。隧道全線地形復雜、地勢陡峭，不良地質多。隧道出露地層圍巖主要為風化花崗巖，斷層、破碎帶均有分布，開挖時易發生坍塌。

隧道穿越區域地質情況復雜，有可能出現未探測到的斷層和破碎帶等不良地質結構。

2.2 測線布置

USP21預報系統采用5個炮點的激發數據，2個半球接收器置于隧道掌子面下方，6個三分量接收器置于隧道側壁及底部，震源點在掌子面上方，現場測試情況如圖10、圖11所示。

2.3 超前預報結果分析

通過USPwin21軟件對采集到的USP數據進行處理，獲得了P波、SH波、SV波的時間剖面、深度偏移剖面、反射層提取以及巖石物理參數等。在成果解釋中，主要通過球面擴散→平均均衡→頻譜分析→帶通濾波→繞射疊加的三維空間資料P波對巖體進行劃分，并結合S波數據對地質現象進行解釋。解釋遵循以下準則：

(1)正反射(紅色)界面表示進入硬巖層，負反射(藍色)界面表示進入軟巖層。

(2)如果S波反射比P波強，則表明巖層飽含水。

(3)Vp/Vs的增加或泊松比的突然增加通常是由流體的存在引起的。

2.3.1 右線2K41+728-2K41+668預報情況

(1)開挖后掌子面地質描述：中風化花崗巖，節理裂隙發育，巖體較破碎，拱部無支護情況下易發生掉塊等現象，圍巖整體性、穩定性一般。現場情況如圖12所示。

圖10 USP布置 圖11 USP現場測試 圖12 掌子面圍巖裸露情況

(2)超前地質預報情況。根據圖13分析可知：

圖13 右線2K41+728-2K41+668 TSP地質預報

2K41+728-2K41+698區域以正反射界面居多，顏色暗紅且顏色變化明顯，表示地震波穿越區域內巖體波速低，代表本段硬巖巖體強度均質度低，空隙或裂隙較多，整體性較差、巖體較破碎、裂隙發育。

2K41+698-2K41+668區域顏色鮮紅且顏色無明顯變化，表示地震波穿越區域內巖體波速高，代表本段巖體強度有逐漸變強趨勢，圍巖相對穩定。建議按開挖面的實際情況，可合理考慮圍巖支護類型。

(3)實際開挖情況：如圖14所示，2K41+698處圍巖有明顯變化，整體性有所加強，巖性變好。

2.3.2 左線 F1K41+766-F1K41+666預報情況

圖14 2K41+698處掌子面圍巖裸露

(1)開挖后掌子面地質描述：中風化花崗巖，節理裂隙發育，巖體較破碎，拱部無支護情況下易發生掉塊等現象。圍巖整體性、穩定性一般，開挖時受層理、節理、裂隙影響，掌子面巖體軟硬不均。另外，特別注意夾層處的施工，開挖時極易掉塊，崩塌，施工時應引起注意。

(2)超前地質預報情況。根據圖15分析可知：

F1K41+766-F1K41+746，本段圍巖為中風化花崗巖，紅藍反射界面都存在說明本段圍巖處于軟巖硬巖交互地段，且正反射界面紅色變化明顯，表明該區域節理裂隙發育，施工時需加強支護。

圖15 左線F1K41+766-F1K41+666 TSP地質預報

F1K41+746-F1K41+666，本區域只有正反射界面且顏色無明顯變化，表示地震波穿越區域內巖體波速高，巖體強度有逐漸變強趨勢，圍巖相對穩定，爆破震動后易產生坍塌。

(3)實際開挖情況：如圖16所示，F1K41+746處圍巖變好，整體性有所加強，圍巖相對穩定；F1K41+726處圍巖強度有所加強，整體性較好，圍巖相對穩定。

圖16 掌子面圍巖裸露情況

3 結論

USP地質預報技術在八片山隧道進行了現場應用，在試驗里程段內實現了隧道掌子面前方60 m范圍內巖體完整體特征的精準預測，精準度可達85%。

(1)通過不同分量地震接收器的組合布置，利用位置、角度偏移進行地震波的射線追蹤和歸位成像，實現了不同場地條件下長大隧道施工的地質預測。

(2)通過多頻采集數據的疊加和多個單震源文件的組合，提高了預測精度和準確性，為隧道施工提供了具體的災害體形狀和準確的空間位置。