地震波法隧道三维超前地质预报技术及应用

2020-11-16孙志涛娄国充满令聪

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2020年3期

孙志涛，娄国充，满令聪

(石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043)

1 概述

近年来，随着铁路公路、交通工程、市政工程等基础工程的发展，目前我国已成为隧道建设规模最大的国家。由于地表勘察手段有限，加之断层、溶洞、破碎带等施工不良地质又具有较强的隐蔽性，很难准确判断隧道沿线的不良地质情况。为了更加有效地掌握隧道施工期间掌子面前方的地质情况，实现减少或杜绝施工期地质灾害、保障生产安全的目的，从 20 世纪 70 年代开始国内外研究者们已经研发了多种隧道施工环境下的地质预测方法，按照预报原理来分，主要包括地震波方法和电磁类方法等。地震波超前探测方法以其较远的探测距离与较好的界面识别效果，成为隧道超前探测中最常用的地球物理方法。地震波超前探测方法的物性基础是岩性弹性差异，目前已经形成了几种不同的专门技术，主要有负视速度法、陆地声纳法、瑞雷波方法、水平剖面法、TSP、TRT、TGP和TST等预报技术，其中只有真反射层析成像(TRT) 法为三维地质预报[1-4]。地震探测方法对断裂破碎带构造的预报比较准确，但是对岩性不良地质对象定位精度不高，解决含水性问题也不如电磁方法，主要是由于目前地质预报方法观测系统及分析处理信息方式比较简单[5-6]。因此，如果想取得比较准确的预报结果，必须完善观测系统，充分利用隧道空间，并通过综合解释，才能提高超前预报的可靠性。

在分析研究超前探测与预报技术的基础上，建立了隧道三维超前地质预报系统，并通过现场实例对比分析，验证了该系统在定位和预报不良地质的优越性和准确性。

2 观测系统设计

2.1 震源和检波器布置

目前国内的地震波法隧道超前地质预报震源和检波器的布置方式主要为直线布置方式和空间布置方式。直线布置方式为震源和检波器布置在隧道侧壁的同一直线上，该布置方式无横向偏移距，无法获得较准确的速度分析结果[7]；空间布置方式以真反射层析成像(TRT)技术采用较多，即在隧道全空间将震源点和检波器进行三维布置，由于该观测方式检波器及震源点均布置在初期支护上，检波器容易受到侧向反射波干扰，如若遇到地质情况较差工程由于格栅钢架或钢拱架的存在，其观测方式的布置和信号的质量受到很大的影响。

图1 检波器和震源位置布置图

鉴于以上2种方式的优缺点，结合三维地震波勘探原理和隧道施工空间情况，该三维地质预报系统采用了一种具有横向和垂直偏移距的三维超前地质预报观测方式，如图1所示。该观测方式布置于隧道掌子面中部，根据空间尺寸，震源点可选8～12个，对应检波器6～10个，道间距和炮间距一般为2 m左右。三维预报能够利用隧道空间进行多点激发地震波和多点接收，可以较充分地获取隧道开挖前方空间场波信息，减少了侧向波的干扰，免于受初期支护中格栅钢架、钢拱架对地震波的激发和采集的干扰。

2.2 震源方式选取

目前国内地震波法隧道超前地质预报震源方式主要为炸药和锤击，采用炸药的预报方法有隧道反射波超前预测系统(TSP)、隧道地震波层析成像法(TST)、隧道超前地质预报(TGP)。炸药作为震源产生的地震波能量强、频率高，传播距离远，但也有遇硬岩阻抗强、软岩耗散大的特点，较大影响预报效果。另外炸药激发地震波时会对周围的围岩产生扰动形成塑性带及破坏圈，同时炸药在国内管控严格，需要专人操作和一定的审批流程，且具有较大的安全隐患。采用锤击震源的预报方法有真反射层析成像(TRT)，锤击产生震源的特点在于频率低、信号单一，干扰波少，其对硬岩和软岩更具穿透性，另外其施工成本低、效率高、安全环保、可重复操作、且对围岩扰动小，但是在工程地质不良的隧道中，锤击产生的能量较弱，探测距离减小[8]。为了提高工作效率，减少对围岩的扰动，本系统采用锤击作为人工震源。

3 数据采集及解译

3.1 数据采集

根据隧道掌子面空间尺寸，检波器按2行均匀等距布置在掌子面中间位置，震源点等距布置于检波器两侧，如图1所示。选用专用电缆将检波器串联并与地震波采集仪连接，采集仪通过锤源同步系统连接震源锤，如图2所示。人工持锤均匀敲击震源点，地震波采集仪采集地震波反射信号，检查信号质量，选取质量好的数据保存，如图3所示。每个震源点敲击8次，共采集384～960组地震波反射数据。

图2 测试系统连接图

图3 静校正后地震波反射信号

3.2 数据解译

图4 三维地质预报数据处理流程

由于布置在隧道掌子面上三维预报观测系统具有规则的多检波器和多个震源点，由锤击震源点产生多个规则的地震波传入掌子面前方围岩，遇到岩性变化会发生反射，并由多个检波器接收，获得隧道掌子面前方的三维地震波反射信号。三维地质预报数据处理流程如图4所示。三维数据体可以采用三维可视化软件进行解译和分析。

为了有效预报和确定围岩内部地下水的分布情况，俄罗斯地质学家Viadimir在双相介质波动理论的基础上，建立了地震波传播过程中产生的应力梯度与振幅和频率的关系[9]

(1)

4 工程应用实例

4.1 工程概况

图5 现场检波器布置图

4.2 数据采集

三维预报里程DK46+690为明挖和暗挖结合部，依据三维观测系统设计原则，结合现场实际情况，震源点及检波器布置在隧道出口的地下连续墙上。设计8个检波器，分为2行，每行4个，布置在隧道掌子面上，相邻检波器间距1.5～2.0 m,行间距2.0 m；在隧道掌子面上布置10个人工震源点，等距离分布于每个检波器的左右两侧，如图5所示。

4.3 数据分析及解译

2018年1月14日进行数据采集并采用专业软件对三维地震反射波信号数据进行分析和可视化成图，得到掌子面前方100 m范围内的三维地质情况图谱，如图6所示，主要包括含水量概率切片图、应力梯度切片图和危险等级概率切片图，根据三维地质图谱，结合勘察地质资料综合分析，得到掌子面DK46+690前方100 m范围内的地质超前预报成果，如表1所示。