华南地区某在建隧道复杂地质情况超前地质预报

卢奋强 黄 涵

1.广西金盛交通勘察设计有限公司，广西南宁 530028；2.广西交通规划勘察设计研究院有限公司，广西南宁 530000

我国的华南地区为多山地区，随着经济社会的发展，及土地矛盾的日益尖锐，大量的公路铁路隧道穿越高山丘陵地区，解决了土地问题的同时，增加了公路铁路施工的难度，隧道穿越地质条件复杂、断裂带发育、岩溶发育及地下水丰富地区的同时也带来了塌方、冒顶、岩爆、软岩蠕变、岩溶及突泥突水等一系列问题，故在拟建隧道开挖前进行超前地质预报就显得极为重要。

目前我国公路工程中超前地质预报主要以地表及掌子面地质调查结合地质雷达和TSP等物探手段为主，必要的时候采用超前水平钻探的方法查明掌子面前方围岩情况。

地表及掌子面工程地质调查，是传统的隧道超前地质预报技术，通过对隧道区的工程地质条件如地形地貌、地层岩性、地质构造、新构造运动、水文地质的调查，从而掌握隧道区各种不良地质体的发育情况，预测隧道掌子面前方的不良地质体，避免事故发生。

通过工程地质调查来进行超前预报是一种比较有效的方法，但是其对预报人员的专业技能要求较高，且在隧道埋深较深、岩溶发育区等地质条件相对复杂的区域，这种方法的准确性就降低了，需要借助地球物理的方法来进行综合超前预报。地质雷达法是目前公路隧道超前预报中一种常用的预报方法，它主要利用电磁波作为预报手段，因其操作方便，分辨率高从而被广泛的应用，其缺点是易受金属干扰，且预报里程较短。地震波法超前地质预报，是利用地震波中的纵波和横波的信息来探测隧道掌子面前方围岩情况，比起电磁波法，其预报里程较长，有较强的抗干扰能力。由于本次研究对象范围较大，电磁波法不能全面的反映掌子面前方围岩发育情况，故本文采用地震波法来进行预报。

1 工程概况

隧道地处低纬度区，属亚热带季风气候，所属地貌为低山地貌单元，山体坡度较大，一般为40°～ 60°之间，局部地区达到70°，相对高差约为198m。地层岩性主要为第四系全新统碎石及残坡积粉质粘土，下覆全风化～微风化钙质砂岩及中风化石灰岩。

图1 工程地质剖面图

碎石土母岩以砂岩为主，湿，稍密，由粉质粘土及粗砂填充，层厚约5.0m，仅在部分地区零星分布。钙质砂岩为红褐色～灰黑色，强风化钙质砂岩岩石结构部分已被完全破坏，岩芯呈碎块状～短柱状。中风化钙质砂岩完整性较差，岩芯呈短柱状～长柱状，局部垂直裂隙发育。拟建隧道地区发育的石灰岩主要为中风化，灰白色～深灰色，隐晶质结构，巨厚层状构造，受区域构造运动的影响，岩体破碎，节理裂隙发育。

根据地表调查，隧道穿过一环形断裂，该断裂为压扭性，且陡倾坡外，断层下盘为二叠系石灰岩，属于强岩溶发育区，断层上盘为三叠系中统钙质砂岩，岩层节理裂隙发育，岩体破碎。

经前期地表调查及现场钻探发现隧道部分沟谷地表水发育，水质清澈，常年流水。地下水埋藏较深，勘察阶段仅有个别钻孔中发现地下水，地下水埋藏深度约为3.5～20.5m。

2 TSP地震波法预报原理

TSP（Tunnel Seismic Prediction） 方法属于地震波反射法，是目前隧道中长期超前地质预报的主要方法，它的特点在于能够同时接收地震反射波中的纵波和横波，且分辨率较高。它的工作原理如下：先将震源点即炮点布置在隧道边墙上，通常选择隧道轴向与地层或构造走向成锐角的边墙，炮点数量一般为24个，然后用小量炸药依次激发产生地震波，地震波向掌子面前方传播，当它遇到断层、破碎带，岩性变化时，其波阻抗会发生明显变化，形成波阻抗差异界面，一部分地震波会被这个界面反射回来，一部分地震波会继续向前传播，反射的地震波信号通过两个高分辨率多波多分量传感器接收，并经过模数转换以数字形式存储在电脑中（图2） 。通过专用软件将采集好的原始炮数据进行处理，并与掌子面地质素描相结合进行综合分析，即可预测隧道掌子面前方是否存在不良地质体（如软弱岩层带、破碎带、断层、含水岩层、溶洞等） ，并可以大致判断它们的具体位置及规模。

3. 现场数据采集

2016年12月6日在华南地区某在建隧道进行TSP地震波法地质预报，预报掌子面里程桩号为K118+631，由掌子面向小里程方向进行预报，仪器采用瑞士产TSP 303 Plus型。数据采集时，设计激发震源24炮，采用2个X-Y-Z三分量接收器同时接收，仪器采样间隔41.66μ s，记录长度500ms。震源采用无爆炸延期的瞬发电雷管，防水乳化炸药，激发药量为每孔100～150g。观测系统参数见表1，观测系统示意见图3。

表1 观测系统参数表

图3 观测系统示意图

2个接收器灵敏度较高，周围的噪声和震动都会使数据接收的质量受到影响，因此，在进行放炮采集数据的过程中隧道内的所有施工都要暂停，并将无关人员全部撤离，以确保安全。

4. 数据分析解译

4.1 数据处理

将采集好的数据通过Amberg TSP Plus专用软件处理，软件处理流程主要包括以下步骤：数据设置-滤波-初至拾取-炮能量均衡-Q因子计算-反射波提取-速度分析-深度偏移-反射层拾取。

其中，滤波包含两个步骤：（1） 时变高截滤波，其作用是在信号频率范围内压制空气波噪音；（2） 带通滤波，其作用是在信号频率范围内消除噪音振幅。

初至拾取的作用是确定P波的初至时间，使得P波速度得到校准。炮能量均衡的作用是通过对地震剖面进行一定的能量补偿从而消除每炮之间的能量差异。Q因子即品质因子，其与衰减因子α和频率f的关系为通过对Q因子的计算便能够确定地震波的衰减因子。速度分析的作用是依据隧道模型创建地震波速度的三维网格模型，每个立体网格都有一个速度值，从而使探测范围网格化。深度偏移的作用是通过计算从炮点到潜在反射点再到接收位置的最终的P波及S波的传播时间，对最终的三维速度模型进行成像归位，得到三维速度偏移模型。反射层提取的作用是从最终的三维速度偏移结果中提取主要的P波和S波的反射界面。

经过以上处理步骤之后，就得到了最终的处理结果。

4.2 结果解译

本次得到的处理结果如图4和图5所示。

图4 岩石属性2D平面图

图5 P波2D平面图和纵视图

从图中可以看到掌子面前方0～28m范围内纵波波速、横波波速、密度、静杨氏模量都较小。

掌子面前方28～97m范围内纵波波速、横波波速、纵横波速度比、泊松比、密度、静杨氏模量较高。

掌子面前方97～120m范围内纵波波速、纵横波速度比、泊松比、密度、静杨氏模量减小。

掌子面前方120～131m范围内纵纵波波速、纵横波速度比、泊松比、密度、静杨氏模量高低起伏。

5 结语

通过现场调查，结合前期工程地质勘查，对比TSP解译结果，得出如下结论：

（1） 掌子面前方0～28m围岩较差，经地表调查分析认为其为浅埋段，地表风化卸荷作用强烈。掌子面前方28～97m围岩完整性逐渐转好。97～131m为断层带，围岩破碎，纵波及横波波速显著降低。

（2） 在成果解释中，应以P波资料为主，结合S波资料对隧道掌子面前方围岩地质情况进行分析，应遵循以下原则：①若Vp减小，表明围岩裂隙较发育或孔隙度较高；②若Vp明显减小，而Vs不发生明显变化，则表明岩层中含有流体；③若Vp，Vs都减小，但Vs减小幅度更大，即Vp/Vs明显增大，则表明围岩较破碎或较疏松。

通过以上实例说明基于地震波法超前地质预报技术可以对隧道工作面前方规模较大的不良地质体进行有效的预报。预报成果以二维视图的形式进行展现，能够直观地反映异常的结构信息和空间信息，因此对于指导隧道施工具有重要意义。

[1] 王少光.隧道综合地质超前预报在某高风险隧道中的应用[J].铁道勘察，2016（6） ：42-46.

[2] 李万春.隧道施工期地质超前预报技术的发展[J].工业技术，2016（23） ：116-117.

[3] 肖宽怀.隧道超前预报地球物理方法及应用研究[D].成都：成都理工大学，2012.

[4] 裴尼松.隧道超前预报的综合物探方法与效果[J].勘察科学技术，2009（2） ：30-33.

[5] 孙立军.富水断层破碎带隧道超前预报的地震波三维层析成像应用研究[J].西部探矿工程，2015（11） ：158-161.