基于HSP法的盾構隧道超前地質預報技術研究

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設的快速發展，盾構法施工因其環境友好、效率高等優勢被廣泛應用于城市地鐵隧道工程。然而，復雜城市地質條件下的盾構施工面臨諸多挑戰，特別是地質條件突變、富水地層、斷層破碎帶等不良地質因素，嚴重威脅施工安全。準確預測盾構掘進面前方地質條件，對于優化施工參數、防范地質災害具有重要意義。本文以某地鐵盾構隧道工程為例，系統研究了HSP法超前地質預報技術的應用原理、參數選取、數據處理方法及工程實踐，旨在建立一套完整的HSP法地質預報技術體系，為類似工程提供參考。

1工程概況

某隧道工程全長 3.8km ，其中盾構區間長度為 2.6km 區間隧道為單洞雙線設計，外徑6.5m，內徑 6.0m 。工程沿線下穿多條市政道路、高層建筑及重要管線，地面建筑物密集，施工環境復雜。根據前期地質勘察資料，隧道所處地層主要由第四系全新統填土層（Q4m1）、第四系上更新統沖積層（Q3a1）、白堊系基巖（K）組成。地層巖性從上至下依次為雜填土、黏性土、粉細砂、砂卵石、強風化砂巖和中風化砂巖。地下水主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，水位埋深 4.5～8.2m.。

為確保施工安全和工程質量，采用HSP超前地質預報技術，對隧道掘進面前方地質條件進行動態探測和預警。施工采用土壓平衡式盾構機，其最大推力12000kN ，最大扭矩 4500kN?m_? 考慮到地層變化較大且地下水豐富，盾構機配備了地層改良系統和同步注漿系統，以應對復雜地質條件下的施工需求。盾構施工期間，進尺速率控制在20＼～40mm/min，土倉壓力保持在180＼～250kPa，同步注漿壓力控制在250＼～300kPa。

2HSP超前地質預報技術應用原理

2.1HSP法基本原理

超前地質預報技術（Horizontal Seismic Profiling，簡稱HSP）是一種基于地震波傳播理論的超前探測方法。在實際應用中，HSP法主要基于3種波型進行分析，即直達P波、反射P波和S波。其中，P波速度一般在砂巖中為 2800～3500m/s ，而在破碎帶中會降至 1800～2200m/s S波速度在完整巖體中約為 1500～2000m/s ，而在破碎帶中降至 800～1200m/s 。通過計算波速比和波形特征參數，可以有效區分地層的完整性和含水性。當波速比（ ??V_p/V_s） 0大于2.0時，通常表明地層含水豐富或破碎發育。

2.2預報參數選取

基于工程地質條件和盾構施工特點，主要從波場特征參數、采集參數和處理參數3個方面進行系統選取。

2.2.1 波場特征參數

波場特征參數主要包括P波速度、S波速度、波速比、頻率特征和能量衰減系數等。大量工程實踐和室內試驗表明，不同地質條件下的波場參數具有顯著差異。例如，在完整基巖中P波速度通常高于 2800m/s ，而在斷層破碎帶中可降至 1800m/s 以下；波速比在含水破碎帶中可達2.5以上，而在完整巖體中一般小于1.8。

2.2.2采集參數與處理參數

采集參數的選取需要綜合考慮預報范圍、分辨率要求和現場條件等因素。在本工程中，將檢波器道間距設置為 2.5m ，采樣間隔為 0.25ms ，采樣長度為1024點，觸發電平為0.2V。為提高信噪比，每個測點重復激發4＼～6次，采用疊加方式提高有效信號能量。采用低頻地震檢波器，頻帶范圍為 2～200Hz 。

2.2.3 處理參數

數據處理參數的選擇直接影響預報結果的可靠性，預報處理參數選取如表1所示。

2.3數據采集與處理流程

HSP超前地質預報技術的數據采集與處理是一個系統化的過程，包括現場數據采集、數據預處理、信號增強處理和地質解釋等多個環節。HSP技術數據采集與處理流程如圖1所示。

HSP超前地質預報技術的數據采集與處理流程主要包括5個核心環節。一是現場數據采集。通過布設檢波器系統采集地震波信號，采樣率 4000Hz ，記錄長度1024點[2]。二是數據預處理。對原始數據進行質量評估和基礎處理，剔除不合格數據。三是信號增強處理。采用 20～100Hz 帶通濾波和增益補償技術，提高數據信噪比。四是波場特征提取。通過速度分析和頻譜分析等方法，提取反映地質條件的特征參數。五是地質參數反演。將波場特征轉化為地質工程參數，形成預報成果。

3 工程實例應用

3.1 預報方案設計

基于隧道地質條件分析，將全線劃分為4個預報區段，重點關注斷層破碎帶、富水砂層等不良地質段落[3]。預報工作以100m段為基本單元，每隔80m進行一次常規預報，在地質條件復雜區段縮短至40m進行一次預報，確保探測連續性。針對重點區段，采用加密測線方案，以提高預報精度。預報方案主要技術參數設計如表2所示。

3.2現場布置與施工

現場布置主要包括檢波器安裝、數據采集設備布置和信號傳輸系統配置3個方面。

3.2.1 檢波器安裝

檢波器安裝采用管片預埋固定方式，在隧道拱部（12點鐘方向）沿軸向每隔2.5m布設一個測點，共布設12個測點，覆蓋長度為 30m 。每個測點均采用 TC-4.5Hz 型三分量檢波器，靈敏度為 30v/（m/s） ，通過專用底座與預埋件固定連接，確保良好的耦合性。將檢波器安裝傾角偏差控制在 ±2^° 以內，采用水準儀進行校準，保證接收方向的一致性[4]。

3.2.2數據采集設備布置及信號傳輸系統配置

數據采集設備布置在距盾尾15m的工作站。采用抗震、防水、防塵設計的專用設備箱，內置24通道數據采集儀、工控機和不間斷電源。將采集儀采樣率設置為4000Hz ，動態范圍設為120dB，使其具備實時數據傳輸和存儲功能。

3.3數據采集過程

基于工程里程 K15+360-K15+390 進行數據采集。數據采集過程中嚴格遵循標準化操作流程，每次采集前進行設備檢查和參數校準。采集時段選擇在夜間23：00至次日凌晨3：00期間。此時段環境噪聲較小，且避開了注漿作業時間。采集過程中，盾構機保持勻速推進狀態，刀盤轉速穩定在 18r/min ，推進速度控制在28mm/min，土倉壓力維持在220kPa。典型預報段數據采集參數記錄如表3所示。

采集系統采用自動觸發方式，觸發電平設置為0.2V，預觸發時間為50ms。每個測點進行6＼～8次重復激發，通過疊加處理提高信噪比。數據采集采用24位 A/D 轉換，采樣率 4000Hz ，記錄長度1024點，以保證波形記錄的完整性。

4預報結果分析

4.1 數據處理

針對采集到的原始數據，采用系統化的處理流程進行分析與解釋。數據處理主要包括信號預處理、波場分離、速度分析和地質參數反演4個步驟，通過多種技術手段提取有效信息[5]。

先進行信號預處理。采用 20～100Hz 帶通濾波消除高低頻干擾，并運用自適應去噪算法提高信噪比。對于信號質量較好的記錄（信噪比 進行波形疊加處理，有效提升信號能量。經處理后的數據信噪比平均提高了35% ，為后續分析奠定了良好基礎。典型預報段數據處理結果分析如表4所示。

波場分離采用極化分析方法，將P波和S波分離識別。通過計算各測點的波速值可知，在 K15+375～K15+385 段出現明顯的波速異常，P波速度由正常段的 2800m/s 降至 2100m/s ，S波速度由 1600m/s 降至 1000m/s ，波速比升高到2.1，指示該段可能存在含水破碎帶。

4.2地質異常體識別

4.2.1 識別過程

基于數據處理結果，對預報段內的地質異常體進行系統識別和特征分析。通過波場特征、物性參數和工程地質特征的綜合分析，成功識別出多處地質異常體，并對其性質、規模和工程影響進行評估。在 K15+375～K15+385 段，通過波速異常、能量衰減和頻譜特征分析，識別出一處主要地質異常體。地質異常體特征參數如表5所示。

4.2.2異常體波場特征分析

根據異常體的波場響應特征，結合前期地質勘察資料，判斷該處為一條走向近東西向、傾角約 65^° 的斷層破碎帶。破碎帶寬度約 3m ，含水性較強，巖體破碎程度高。通過對波形極化特征分析，推斷該破碎帶內可能充填黏土礦物，由此增大了圍巖的軟化風險。

在 K15+382 處，發現次一級反射異常，表現為波形畸變和能量突變。經分析判斷為小規模節理發育帶，寬度約0.8m ，與主破碎帶呈斜交關系。該處雖規模較小，但由于與主破碎帶連通，可能形成地下水通道，需重點關注。

4.2.3異常體巖性變化分析

采用波形相似性分析方法，對異常體前后巖性變化進行對比研究。結果表明，異常體兩側巖性差異明顯，前段以中風化砂巖為主，波形相似系數0.82；后段過渡為強風化砂巖，相似系數降至0.65，印證了構造活動對巖體的改造作用。

基于地質異常體識別結果，建議采取以下施工措施：優化盾構機推進參數，控制推進速度在25mm/min以下；及時調整土倉壓力，維持在235＼～250kPa；加強同步注漿質量控制，注漿壓力提高至280kPa；做好突涌涌水預案。通過上述預報成果的應用，有效指導盾構施工參數優化，確保了該段隧道的安全施工。

5結束語

本研究通過對HSP超前地質預報技術的系統研究和工程實踐，取得了以下主要成果：建立了適用于復雜地質條件的預報參數體系；開發了基于波場特征的地質異常體識別方法；形成了標準化的數據采集與處理流程。工程實踐表明，該技術能夠有效識別斷層破碎帶、富水地層等地質異常體，預報精度滿足工程要求，為盾構施工參數優化和風險防控提供了重要依據。

隨著技術的不斷發展，HSP超前地質預報技術將在盾構隧道施工中發揮更大作用。未來研究中，建議重點關注以下方面：發展基于人工智能的數據處理方法，提高預報自動化水平；建立地質、物探參數關系的定量化模型，提升預報精度；研究多源信息融合技術，實現對復雜地質條件的精確預報；開發智能預警系統，提高預報結果的實時應用效果。

參考文獻

[1]盧松，孟露，汪旭，等.HSP法隧道超前地質預報技術及圖像分析[J].現代隧道技術，2019，56（S1）：144-149.

[2]蘇曉堃，高紅兵.基于HSP-GPR 法的隧道三維超前地質預報技術及應用[J].鐵道學報，2024，46（7）：150-158.

[3]牟元存，李星，高樹全，等.TSP法隧道超前地質預報技術研究與應用[J].中國鐵路，2022（1）：45-50.

[4]楊玲潔，楊卓文，王冬，等.HSP法超前地質預報技術在大涼山1號TBM施工隧道中的應用[J].工程地球物理學報，2021，18（5）：647-654.

[5]孫志濤，婁國充，滿令聰.地震波法隧道三維超前地質預報技術及應用[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2020，33（3）：92-96.