TSP超前预报系统在泉太隧道中的应用

沈世伟,谢合恩

(吉林大学建设工程学院,吉林 长春 130026)

隧道在开挖掘进的过程中,因为山体中地质条件有所不同,围岩地质情况复杂多变,掌子面前方往往存在不良地质地段,导致各种地质灾害(如涌水、瓦斯突出、岩爆、大变形等)时常发生,严重影响隧道工程施工进度以及人员设备安全[1]。隧道超前预报能够预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及围岩完整性与含水可能性,为正确选择开挖方式、支护设计参数和优化施工方案提供依据[2]。

在我国,隧道超前预报研究始于上世纪50年代末,而隧道超前预报实际应用于隧道工程建设始于上世纪70年代[3]。常用的隧道超前预报方法包括水平声波/地震波剖面法[4](HSP,horizontal sonic/seismic profiling)、隧道地质预报法[5](TGP,tunnel geology prediction)、真正反射层析成像法[6](TRT,true reflection tomography)、隧道地震波层析成像法[7](TST,tunnel seismic tomography)、地震波反射法(TSP,tunnel seismic prediction)等。其中TSP目前在国内外隧道超前预报中有很广泛的应用。

TSP在隧道工程中应用广泛,具有单次预报距离长、影响施工时间短、环境适用性强等特点[8],且预报结果准确,得到了普遍应用和肯定。但由于隧道工程的施工环境和工程地质条件具有随机性和复杂性,利用TSP进行隧道超前地质预报会受到各种因素(如炮孔质量、震源激发量、触发信号延时、检波器锚固效果、施工振动)的干扰,以及掌子面前方不良地质体的复杂性带来的物探解译多解性,TSP在资料采集、资料处理方面过程复杂且要求比较高,同时对预报工作人员的现场经验以及成果解译经验要求高,导致在实际工作中预报结果与隧道实际围岩地质状况存在一些错报或漏报,影响预报结果和施工进度,甚至会威胁到人员设备的安全,带来严重的经济损失。

我们在前人研究的基础上,阐述了TSP超前预报的原理与方法,并分析了TSP数据采集过程中的干扰因素,同时以集安-双辽高速公路泉太隧道为依托,对TSP法预报的实测数据行了解译分析,为正确有效地指导施工提拱参考。

1 TSP原理与方法

TSP是利用地震波在弹性介质中的传播理论,首先在洞内指定的震源点用小量炸药激发,产生的地震波在岩石中以球面波的形式向前传播,当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗界面,如断层、岩石破碎带、岩性突变等)时,一部分地震信号反射回来,另一部分地震信号透射进入前方介质,反射的地震信号将被2个三维高灵敏度的地震检波器接收。通过对接收信号的动力学特征进行分析,可推断断层和岩石破碎带等不良地质体的位置、规模、产状及岩石动力参数。

通过对隧道三维波场的充分认识,将侧方回波、后方回波、地表回波等无用波形进行滤波,使检波器接收隧道掌子面前方返回的有效反射波,通过波形图像处理及波场分析等手段,进行时频特征和振幅特征分析,获得掌子面前方不良地质体的特征信息,从而达到指导隧道施工的目的。

TSP隧道工程超前预报是在隧道已开挖段一侧衬砌上开凿18～24个炮孔,采用由掌子面开始依次爆破的方式发射地震波,当围岩波阻抗发生变化时(例如遇岩溶、断层或岩层的分界面),一部分地震波将会被反射回来,另一部分地震波将会继续向前传播。反射的地震波由高精度三分量检波器所接收并在主机形成地震波波形原始数据,通过对采集的数据进行处理,可以获得隧道掌子面前方的P波、SH波和SV波的时间剖面、深度偏移剖面、岩石的反射层位、各反射层能量大小等成果资料,同时可得到反射层的二维及三维空间分布,从而获得掌子面前方可能影响施工及隧道稳定性的不良地质体的具体地质情况,达到预报效果[9]。地震反射波法探测原理示意图如图1所示。

图1 地震反射波法超前地质预报在隧道工程中探测原理示意图Fig.1 Diagram of the sounding principle of seismic reflection wave advanced geographical forecasting in tunnel engineering

地震波数据处理时,首先测得从震源直接到达地震波检波器的纵波传播时间,然后计算地震波的传播速度Vp,其计算公式[10]为

(1)

其中:L1为震源到地震波检波器的距离(m);T1为直达波的传播时间(s)。

已知地震波的传播速度,可以换算出反射波的传播时间T2,其计算公式为

(2)

其中:L2为震源到反射面的距离(m);L3为地震波检波器到反射面的距离(m) 。

反射波的波速、延时时间与掌子面前方地质体的位置及性质相关。通过分析接收的反射波可以得到掌子面前方地层不良地质体的位置、产状等。

2 TSP系统在隧道工程预报过程中的影响因素及改进措施

在隧道TSP超前预报过程中,前期的资料采集、隧道的施工环境、炮孔的布置、地震波的激发、接收以及后期数据处理和物探解译的多解性等都会对超前预报结果的准确性及精确性带来干扰。在分析前人研究的基础上,总结了提高和改善 TSP系统预报效果的措施和方法。

2.1 前期资料采集

预报段地质资料是进行后期数据处理及解译的基础性资料。因此,在预报之前要收集预报段的地质、水文资料,在进入隧道施工现场后,要认真观察记录已开挖段以及掌子面的围岩情况(包括岩性、围岩等级、主要结构面类型、走向、地下水等),为数据解译奠定基础。

2.2 预报过程中隧道环境干扰

隧道环境对预报结果的干扰主要有2种,一是隧道内大型机器及大型车辆作业振动产生的脉冲干扰;二是隧道内电器及电路产生的电磁干扰[11]。

为防止脉冲干扰,预报时应停止预报区内的施工作业,禁止大型车辆在预报区内行驶,防止脉冲干扰的产生。而预防电磁干扰的措施,主要是在预报时让检波器尽量远离电器及输电线路,如条件允许可将一些电器设备断电,以尽可能的消除电磁干扰。脉冲干扰情况下采集的波形如图2所示。

2.3 地震波激发干扰

TSP地震波的激发是在隧道已开挖段一侧衬砌上开凿18～24个炮孔,采用依次起爆的方法发射地震波。炮孔施工的规范程度、爆破药量及雷管的选择等对地震波震源信号具有决定性作用,而地震波震源信号的好坏是决定TSP超前预报准确与否最重要的因素。

图2 脉冲干扰数据Fig.2 Pulse interference data graph

根据地震波的采集需要,检波孔深度应大于炮孔。通常情况下,炮孔深度为1.5 m,检波孔深度2.0 m[12]。在各炮孔及检波器孔孔口应用炮泥封堵,以防止爆炸能量损失。TSP系统超前预报中地震波经过τ-p变换提取反射波,得到真实时差。当炮孔高度不同时,实际上布置的是弯曲测线,反射波从炮孔到检波孔的时差发生明显的跳跃。弯曲测线上通过各个震源接收到的信号经过变换后存在新的时差,叠加效果差,预报精度受到极大影响。炮孔高度不同时接收到的波形如图3所示。

图3 不同炮孔高度干扰下的波形Fig.3 Waveform interfered by different blasthole heights

TSP震源的激发是通过炸药爆炸产生地震波,爆炸后能量都以地震波的方式向前传播。若炮孔过浅或孔口封堵效果不好,大部分能量会耗散在空气中,可能导致检波器接收到的信号频率较低,影响系统探测分辨率。同时炮孔过浅震源激发后产生的大量能量可能会导致初衬混凝土严重损坏,造成不必要的损失。

另一方面,炸药用量的多少决定了震源信号强度。炮孔内装药量过少,将导致地震波能量不足,使 TSP 的检波器无法接收到足够的反射纵波,无法保证预报精度;装药量过大,将使炮孔周围的岩体发生强烈的塑性变形并粉碎,并在空气中产生空气冲击波和剧烈声响,形成干扰信号。不同硬度的岩石适用的炸药量也有所差异,这是因为不同硬度的岩石,其地震波的主频分布不同。通过国内外物探工作者常年积累、总结的经验,不同硬度的岩石其震源主频分布如表1所列[13]。

表1 不同硬度岩石主频分布

根据实际工程经验,完整新鲜的坚硬岩石炸药用量为40～70 g;破碎岩体、软岩(全风化岩体)炸药用量为80～200 g。药量选择还与隧道的形式及预报距离有着密切的关系。此外,由于炮孔与检波器的距离不同,炸药用量应遵循“越远越多”的原则。在选择雷管时,应选择瞬发雷管,避免产生延时误差,给预报精度带来影响[14]。药量不合理条件下的波形如图4和图5所示,采用延时雷管产生延时的波形如图6所示。

图4 炸药过多时的波形Fig.4 Waveform when explosives are too much

2.4 地震波采集过程中的干扰

地震波的采集质量决定了其预报结果的准确度与精确度,因此TSP地震波的采集至关重要。在实际操作中,检波孔的布置对检波器接收地震反射波的影响很大[15]。检波孔不应布置在空腔位置,且检波器应与围岩耦合良好,以保证其对地震反射波的接收。由于TSP数据采集时采用单侧放炮,这样必然会产生地震反射波接收盲区,当隧道前方线路弯曲或隧道横截面较宽时,应在隧道双侧布置检波器,在处理时结合2个检波器接收的地震波形进行分析,以更好地对前方地质情况进行准确的预报。检波器与围岩耦合不好时的波形如图7所示。

图5 炸药过少时的波形Fig.5 Waveform when explosives are too less

图6 使用延时雷管时的波形Fig.6 Waveform when using using detonators

图7 检波器与围岩耦合不好时波形图Fig.7 Waveform when the detector is not well coupled with the surrounding rock

2.5 后期数据处理及解译中的干扰

在后期数据处理时切忌盲目使用软件内置的默认参数,导致真实的波形被掩盖,干扰波形被增益,造成漏报和错报[16]。正确的做法是对应不同波频的特点,选取合适的参数,提取有效的反射波,抑制或舍弃干扰波(如声波、面波、散射波等)。应根据围岩条件及初始波形等因素综合考虑,选取低截、高通、低通、高截的数值。在资料解译的过程中要结合全部资料(包括2D层位图、速度图、深度偏移图等),不要过于关注单方面资料,导致解译结果片面和失准。同时解译工作人员要对隧道的基本地质情况和水文情况有所了解,熟悉各种地质模型的特点以及发育规律,灵活的运用所掌握的一切资料,科学的有依据地进行解译。

3 工程实例

3.1 泉太隧道工程地质概况

集安-双辽高速公路泉太隧道位于吉林省辽源市东辽县泉太镇境内,隧道分左右2幅,隧道间距22.0～25.5 m,右幅长949 m,左幅长981 m,属中隧道,其工程概况如表2所列。

表2 泉太隧道工程概况

隧道位于吉林优地槽褶皱带后岭隆起,主要地质构造为辽源-东丰断裂带与辽源盆地。隧道通过的地区岩性主要为华力西晚期花岗岩,上覆第四系松散层。隧道区水系不发育,隧道处山沟内溪流受季节影响大,雨季及春融有水量,主要以大气降水补给,垂直蒸发排泄,总体水量不大。

该区域地下水以孔隙水、基岩裂隙水为主,水量不大,其补给来源主要为大气降水,气候对地下水的形成起着极为重要的作用,使其地下水具有周期性与季节性变化,与之相应的潜水水位及间歇性泉的涌水量也随之变化。

3.2 TSP现场工作布置

选择泉太隧道右线YK166+613～YK166+710段TSP地质超期预报为例进行分析。在已开挖一侧隧道洞壁上开凿24个深度1.5 m、孔径40 mm的炮孔(第1个炮孔距离掌子面5 m,相邻两炮孔间距1.5 m),在距检波孔最近处炮孔内放置60 g炸药,后每隔4个孔炸药增加5 g,依次爆炸,在距离掌子面最远一个炮孔15 m处开凿深度2.0 m、孔径50 mm的检波孔,用于接收地震反射波。具体测点布置如图8所示。

图8 TSP地震反射波法超前预报测点布置示意图Fig.8 TSP seismic reflection wave method advanced forecasting points layout

3.3 数据分析

将原始波形图导入TSPwin软件处理,利用TSPwin软件处理可得P波和S波波场分布规律,其分析过程为:波形调入→初至拾取→炮能量平衡→频率滤波→自动增益控制→波场分离→P-S波分离→速度扫描→偏移成像→地质解译,最终显示掌子面前方与隧道轴线相交的波阻抗界面及其地质解译二维成果图。分析结果如图9～图12所示。

图9 YK166+613断面三分量速度扫描图像Fig.9 YK166 613 section three-component speed scan imagery

速度扫描利用反射波层析成像原理求出掌子面前方岩体在空间上的速度分布状况,从而定量评价掌子面前方被测岩体的软硬程度,更好地为施工提供参数。

为将掌子面前方的反射波在空间上准确定位,利用深度偏移实现了对被测岩体地质界面成像用以确定地质界面的产状。图10中的圆弧线代表掌子面前方的波阻抗界面(即地质反射界面),其中红色线条为岩体由软变硬的界面,蓝色线条为岩体由硬变软的界面;先蓝后红的组合表明此处为断裂带;线条密集表明构造发育、岩体破碎;线条稀疏表示岩体完整。由图10可以看出YK166+695-YK166+706区域内裂隙发育丰富。

图10 YK166+613断面三分量深度偏移后的图像Fig.10 Image after three-component depth offset of the YK166 613 section

图11 掌子面前方围岩波速曲线Fig.11 The wave velocity curve of the surrounding rock in front of the face

图12 掌子面前方结构面位置及产状示意图Fig.12 Position and occurrence of the structural surface in front of the face

掌子面前方围岩波速曲线如图11所示,图11(a)中红线为纵波(Vp),蓝线为横波(Vs),图11(b)中蓝线为VP/Vs。由图11可知在YK166+635-YK166+654区域内纵波明显减小。经过速度扫描及深度偏移成像后的掌子面前方波阻抗界面位置及产状如图12所示。

3.4 预报结果

经数据解译,预报结果如下:

(1) 泉太隧道YK166+613断面超前预报里程从掌子面开始至YK166+710,预报距离97 m。

(2) 根据岩体波速结果可以看出,在YK166+635-YK166+654区域内,岩体波速明显减小,表明该段围岩破碎程度高,且含水量大,疑似为断层破碎带,建议在施工过程中加强支护,必要时注浆堵水,保证隧道的稳定性。

(3) YK166+695及YK166+706断面存在2处明显的波阻抗界面,且该段范围内岩体波速较其余地段小,说明此区域内围岩较破碎,建议在施工中注意观察,必要时可采取增加锚杆数量等加强支护形式,预防塌方。

(4) 在YK166+661、YK166+679断面处也存在明显的波阻抗界面,但岩体波速未出现明显变化,可能为软弱结构面,也可能为小规模结构面,建议在开挖过程中注意观察。

3.5 预报结果验证

在实际开挖过程中,在YK166+643～YK166+651附近,围岩裂隙增多,裂隙含水量增加,其中几处有水流出,但水流量不大。在YK166+695及YK166+706断面处围岩较破碎,在开挖过程中出现了落石掉渣现象。开挖结果显示,TSP超前预报准确地预测了掌子面前方的地质状况,与解译结果吻合良好。

4 结论

(1) 对于TSP超前预报系统可在前期的资料采集、隧道的施工环境、炮孔的布置、地震波的激发、接收以及后期数据处理和物探解译的多解性等多方面采取有效措施,可以降低干扰,提高预报精度。

(2) 提高TSP超前预报精度的手段包括:①预报前认真采集隧道有关资料;②降低脉冲干扰和电磁干扰的影响;③规范合理的布置炮孔;④合理的选用炸药用量及雷管类型;⑤确保检波器与围岩耦合良好;⑥合理地选用参数进行数据处理,科学有据地进行解译。

(3) 通过在泉太隧道进行TSP超前预报,验证了在隧道施工超前地质预报中,TSP 能快速、准确地识别掌子面前方一定距离范围内的不良地质体(如断层裂隙水、围岩破碎带等)的类型、位置、构造走向等空间分布特征,且与现场开挖情况吻合良好。