TGP地震预报技术在隧道超前地质预报中数据异常原因分析及处理措施

魏军科,赵少强,陈 涛,刘建国

(中铁七局集团有限公司，河南 郑州 450016)

TGP地震预报技术在隧道超前地质预报中数据异常原因分析及处理措施

魏军科,赵少强,陈 涛,刘建国

(中铁七局集团有限公司，河南 郑州 450016)

隧道施工常采用地震反射波法采集地震波数据，受施工进度、地质情况、现场配合、操作人员水平等因素限制，使得很多采集到的数据出现异常。为提高数据采集质量，避免出现异常数据，通过TGP地震预报技术在铁路隧道工程中的应用实践，从触发与装药、电压(流)干扰、耦合不良、隧道管波、岩性变化5方面分析总结异常数据出现的原因，并提出相应的处理措施：1)提高装药质量；2)远离高压电缆及设备；3)保证成孔质量；4)做好注水和堵孔；5)重视基础地质工作。通过采取以上措施，达到准确预报前方地质情况的目的。

隧道；超前地质预报；TGP地震预报技术；数据异常

0 引言

地震反射波法是工程物探中最可靠的方法之一，自20世纪90年代以来，该技术在宝中线颉河隧道、老爷岭隧道、侯月线云台山隧道和朔黄铁路长梁山隧道等铁路隧道施工中都有成功应用。受施工进度、地质情况、现场配合、操作人员水平等因素的限制，所采集的数据会出现异常，从而影响后续的数据分析及处理。如果没有高质量的地震波数据，即使再好的处理手段和富有经验的工程师，也无法准确地进行地质预报，而高质量地震波数据的采集是准确预报的前提和基础。

原小帅等[1]研究了几种常见的异常原始地震波波形特性和成因，并提出采取的相应措施；金荣杰等[2]从检波器、观测系统、干扰波的排除、触发方式和耦合方式5方面介绍了保证现场数据采集质量的方法；袁壮丽[3]论述了运用TGP 超前地质预报技术在现场作业和数据分析中可能出现的问题和改进措施；王晓川等[4]指出在数据采集过程中产生异常信号的影响因素为外界脉冲信号干扰、电流干扰、不良耦合、管波干扰及装药质量，结合工程应用的反馈资料，分析预报结论产生误差的原因，并提出解决措施；林朝旭[5]从激发装置、接收装置及参数选定3方面探讨数据采集技术的重要性,并详细阐述在坚硬岩、硬岩及软岩隧道预报中采集参数的选定方法，通过工程实例说明如何获得高质量的地震波预报原始数据。以上研究大多数从实测角度分析异常数据产生的原因，未从理论上深入、全面地分析触发、装药、孔口流水、耦合不良、孔内注水及围岩岩性变化对地震波原始数据产生影响的原因，并未针对性地提出相应的处理措施。

本文结合TGP地震预报技术在铁路隧道工程中的应用实践，从触发及装药、电压(流)干扰、耦合不良、隧道管波、岩性变化5方面对TGP地震预报技术异常数据出现的原因进行分析，并提出处理措施。

1 TGP预报原理

隧道超前地质预报系统(Tunnel Geologic Prediction)，简称TGP系统。该系统在施工间隙采用人工震源激发地震波，根据地震波在岩体传播过程中遇到波阻抗差异界面会发生反射波和绕射波的特性，采集地震波传播的数据，提取由隧道前方界面返回的地震波信息，并经过数据处理后，获得三维空间的地质构造和岩性解释。人工地震波是在激发孔中采用小药量炸药爆炸所产生，激发孔布置在隧道左壁或右壁的同一高度上，孔距为1.0～2.0 m，孔深为2 m，孔数一般为24个。地震波在三维空间传播过程中，地震波记录反射信号的传播时间与到地质界面的距离成正比，反射信号的幅度和极性与相关界面的性质和产状有关。通过分析各种波形的传播时间、波形特征和幅度变化以及界面的空间产状图、偏移成果图、比速度曲线和反射符号等成果，进行隧道的相关地质条件及围岩物理力学参数的预报[6]。TGP系统工作原理如图1所示。

图1 TGP系统工作原理示意图

2 触发及装药

地震波信号要求准确与震源同步的条件下采集，严格做到触发信号与震源同步，才能计算出围岩速度。弹性波检测常用的触发方式有脉冲内触发计时方式、脉冲外触发计时方式、回线感应触发计时方式和回线开路触发计时方式等。TGP系统采用回线开路触发计时方式，该方式是将回线绑扎在炸药卷上，爆炸产生振动传播的同时炸断回线触发采集，与毫秒延迟雷管的延迟时间没有关系。触发延迟记录如图2所示，装药不均和触发失败记录如图3所示。地震波记录整体性较好，但是存在以下现象：1)图2第21道存在同相轴超前；2)图3第14道未接收到地震波信号；3)图3第9道和第12道记录的幅度小。

图2 触发延迟记录

图3 装药不均和触发失败记录

分析以上3种现象的原因：1)图2第21道记录延迟较明显。其原因是药卷上绑扎的信号线松动或者松脱，造成药卷爆炸的瞬间信号线没有被炸断，而是被迟后产生的爆炸气流拉断；因此，造成直达波时间短的异常现象。2)图3第14道触发失败。主要是由于装药时触发线脱离药卷，电雷管引爆而触发线未断。3)第9道和第12道记录振幅明显小于其他各道。其原因为药卷质量的分配不均，现场使用2号岩石乳化炸药，单卷200 g，使用时一分为三，存在分配不均的问题。

地震波记录的触发与装药紧密相关，装药质量对记录质量起着重要作用。解决以上问题可从3方面入手：1)用胶布缠紧绑有触发线的药卷，防止装药时乳化炸药挤出或触发线松脱；2)在聚能穴一侧插入电雷管，并把聚能穴朝向孔底，增强对孔底的冲击，增加横波能量；3)采用精确计量工具，确定精确分段长度。

3 电压(流)干扰

铁路隧道内施工用电采用220/380 V“三相五线制”供电方式，动力设备采用380 V电压，作业地段照明电压为36 V安全电压，隧道进尺较长时需要高压进洞。若检波器数据传输线缆与高压电缆相距较近时，数据线就会感应到高压电流产生的干扰信号，并在地震波记录上有所显示，如图4所示。第1道记录振幅明显大于其他各道，造成后续处理时道能量均衡的难题，如图5所示。其原因为：隧道爆破一般使用毫秒延迟电雷管，起爆时充电电压瞬间需要达到上kV，同时产生很高的起爆电流，在起爆线周围产生瞬间强磁场，引起单道记录振幅变大。从图4和图5中可以明显地看到地震波的初至波前干扰较多，幅度较大，直达波初至选择困难。这是由于激发孔注水时，水压过大，孔中水流出，沿触发线与同步线间的连接夹子流下，引起触发感应造成。

图4 高压干扰

图5 起爆电流和孔口流水干扰

现场施工中可尝试以下措施来克服干扰：1)地震波信号采集过程中尽量避免检波器传输数据线与输电电缆离得太近；2)触发线远离高压电缆和大功率用电设备，与放炮母线保持较远的距离，避免由此产生的电磁场干扰所采集的地震信号；3)注意触发线夹紧同步线后，夹子避开孔中的流水及雷管脚线与触发线裸露的接头，以减少直达波之前的干扰。

4 耦合不良

接收检波器与钻孔岩体密切接触是保证地震波信号采集质量的关键，是实现准确预报的基础[7]。地震波超前预报中，需将检波器放入深度为2 m的钻孔中，这就需要检波器通过某种方式或介质与孔周岩体紧密接触，以实现地震波的良好接收。TGP系统采用耦合剂使检波器直接与钻孔壁耦合，常用耦合剂为专制黄油卷。耦合不良记录如图6所示。图6中，前7道记录采集时孔内未放置黄油卷，明显可见记录上“毛刺”较多，数据质量较差；随后重新清孔后装入黄油卷，后面13道记录未出现“毛刺”，数据采集质量较高。“毛刺”的形成主要是由于在受震条件下，检波器与围岩耦合不良，产生高频自震(寄生振荡)，形成干扰波，干扰波与地震波信号同时被检波器所接收引起。

图6 耦合不良记录

由于风动凿岩机钻孔时钎子较长，钻进过程中容易“漂移”，导致钻孔略有弯曲。在将黄油卷装入孔中时，孔壁阻力引起黄油卷膨胀，形成活塞效应，使黄油卷难以装到孔底，即使强行装到孔底，黄油沿程损失较多，导致耦合效果不良。解决这个问题的措施有：1)钻孔时尽量采用短的钎子，首选3 m长的钎子；2)装黄油前用高压风水清孔，保证孔道通畅；3)发现有缩孔、塌孔现象时，及时扩孔或重新钻孔。

5 隧道管波

北京水电物探研究所所长刘云祯研究发现，激发炮能量泄放到隧道内的声波被接收孔中的检波器接收，成为地震记录中的干扰波，并将其命名为“管波”(见图7)。隧道管波分为2种形式:1)由激发炮孔直线传播到检波器，为直达隧道管波；2)泄放到隧道中的声波经对侧洞壁反射再传播到检波器，形成反射隧道管波，为直达隧道管波后面的续至波。2种隧道管波在记录上的时间差与隧道宽度有关，宽度大则时间差大。2种隧道管波的叠加部分黑色加重，表示干扰波的能量加强，干扰更为严重[8]。

图7 隧道管波

隧道管波会严重影响预报结论的准确性，为消除隧道管波的影响，在现场可采取以下措施。

1)注水。由于水的可压缩性较差(在100 MPa作用下，水的密度变化仅为5%左右)，通常被作为不可压缩介质[9]，因此，炸药在水中爆炸时，既有利于地震波传播，又能减弱爆炸声波向隧道内泄放。

2)堵孔。堵孔分为2种。1)采用高衰减材料堵塞接收孔，使检波器避免接收管波，现场采用专用橡胶塞周围缠上软纸堵孔；2)采用炮泥或锚固剂堵塞激发孔，使激发能量很少泄放到隧道中。

3)增大偏移距。偏移距是炮点与接收点的最小距离，与预报距离有关。在满足激发能量的条件下，偏移距增大时，管波到达时间随之增大，推迟了它对有效反射回波的影响，增大了预报距离；偏移距过小，P波和S波的到达时间相差太小而无法分辨，直接影响S波(后续波)的读时精度和速度的准确性。现场实际操作时，根据掌子面距二次衬砌端头的距离，一般在20～30 m间选取。

6 岩性变化

在断层影响带、不整合接触带、隧道进出口段施工时，岩石物理力学性质差异较大，当激发孔刚好位于这些段落时，数据采集质量较差。图8和图9为在隧道斜井洞口段左右边墙分别打眼放炮采集到的数据。可以明显地看到，2组数据极为相似，波形初至呈折线变化，同时，波形振幅大小极不均匀，表现出岩体软硬相间的性质，造成炮孔段基准速度选取困难，而TGP系统是以炮孔布置段岩体的“视速度”参数为计算的依据[9]。根据地震回波的时间来预报结构面的存在，容易导致预报结论产生距离误差[10]。

图8 纸坊隧道斜井左Fig.8 Data acquired from left side wall of inclined shaft of Zhifang tunnel

图9 纸坊隧道斜井右Fig.9 Data acquired from right side wall of inclined shaft of Zhifang tunnel

在图8和图9中，红线与绿线表示出激发炮孔段岩体速度存在较大差别，进而引起岩体力学参数的差异(岩性变化段岩石力学参数取值见表1)。其原因为由波形初至分析岩性变化或不同风化的变化，是依据初至波在“时间空间域”的斜率变化判断的。在岩性变化段和风化变化段，如何正确地选取初至波速是准确预报的关键，在该段，以记录分析地震波传播方向和传播路径上靠近红线或绿线表示的速度为准。如图8和图9中表现出洞口段纵波速度低(绿线)，远离洞口的纵波速度高(红线)，可以得出预报处理中应选择相对高的速度(红线)参与计算。

在岩性交替变化段预报时可采取以下措施：1)做好基础地质工作，研读工程地质勘查资料和区域地质志等，在前期预报时调整预报距离，人为将激发孔避开这些段落布置；2)适时采取地质雷达、超前钻探或电法地面勘查等手段作为辅助预报方法，充分发挥不同技术的长处；3)做好地质素描工作，建立围岩性质与波速关系，在处理数据时以此为据进行校正[4]。

表1 岩性变化段岩石力学参数表Table 1 Mechanical parameters of rock in lithology changing section

7 结论与讨论

隧道地震波预报技术是一种正在迅速发展的技术，在观测方式、数据采集等理论与技术层面上尚有进一步研究和改进之处。在某铁路隧道施工实践中，采取了本文的数据采集方法，取得了较好的原始数据，节省了后期数据处理时间，并及时准确地提供了有关掌子面前方和周围地质条件变化的信息，预防了地质灾害，保证了隧道施工的安全。但在铁路隧道超前地质预报工作中，尚有以下需深入分析和研究的问题。

1)隧道施工常见软弱围岩为Ⅳ级和Ⅴ级围岩段落，一般采用二台阶法开挖，围岩软弱时，一般采用三台阶法。台阶法施工上台阶长度很短，导致激发孔布置在上下台阶，很难布置在同一条水平线上，这与“炮检互换”的基础原理存在一些出入；地震波预报现场隧道一般需具有70～80 m的距离，而在软弱围岩段，二次衬砌距掌子面距离缩短，导致激发炮数量减少、炮孔距离减小、偏移距减小。这些问题的出现，影响了数据采集的质量，间接地缩小了地震波超前预报技术的应用范围。要解决以上问题，就需要扩展TGP系统的预报功能，以适应复杂地质条件下对应的不同施工方法，取得高质量的基础数据。

2)隧道开挖后，隧底是否存在地质隐患，如溶蚀岩溶或隐伏断层等，对于隧道施工及运营安全至关重要。目前地震波法与电磁波法为隧底隐伏岩溶探测常用技术，地震波映像以地震波传播过程中遇到界面发生反射、绕射和幅频变化等特征，实现连续的剖面调查，达到探测隧底未揭露地质病害的目的，其采集方法和资料与地质雷达类似。可尝试将地震波映像技术与TGP地震波预报技术集成一起，拓展TGP系统的功能，实现在裂隙发育、富水等复杂地质条件下，既可以超前探测，又可以探测隧底隐伏地质隐患，充分发挥综合物探技术优势，多方位、高质量地获得原始数据，更准确地反映隧道地质情况。

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AnalysisonAbnormalDatainTGPAdvanceGeologicalPredictioninTunnelingandCountermeasures

WEI Junke,ZHAO Shaoqiang,CHEN Tao,LIU Jianguo

(ChinaRailway7thBureauGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

Seismic reflection wave is widely used in advance geology prediction in tunneling.Due to the restrictions of construction schedule,geological condition,site cooperation and operators level,however,a lot of data acquired in TGP geology prediction are abnormal.In the paper,the causes for the abnormal data are analyzed in terms of triggering and charging,voltage (current) interference,coupling,tunnel tube wave and lithology changing,and countermeasures,including 1) improving the charging quality; 2) keeping TGP prediction far from high voltage cables and equipment; 3) ensuring the borehole quality; 4) doing a good job in water injection and hole plugging; 5) paying more attention to the basic geological works,are proposed.

tunnel; advance geology prediction; TGP seismic wave prediction technology; abnormal data

2014-02-11;

2014-03-24

魏军科(1979—)，男，陕西咸阳人，2009年毕业于西南交通大学，土木工程专业，本科，工程师，从事隧道与地下工程技术管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.015

U 45

B

1672-741X(2014)05-0489-05