地质超前预报系统在栋梁坡隧道施工中的应用

刘 倩，檀朝彬，韩 星，吕会喜，展先彪

（1.北华航天工业学院电子与控制工程学院，河北廊坊 065000；2.武汉中原电子集团有限公司，武汉 430205；3.中地远大（廊坊）精密仪器制造有限公司，河北廊坊 065000）

0 引言

我国地质属多山且地质复杂的地下环境，使得隧道掘进的难度大，而施工中可能出现的松散地层、岩体破碎带等地质异常体［1］，在隧道施工中会严重拖延工期，甚至危及施工人员的生命安全。通过超前地质预报，可提前获知隧道掌子面前方的地质情况，并及时将异常信息通过上位机上报给施工管理员。地质超前预报系统有地震反射波法、电磁法、地质分析法、红外探测法等。本文采用基于反射波理论的地震反射波法（TSP）与地质调查相结合的方法，在施工前预先通过地质观察，初步判断掌子面及洞身的地质发育、风化、有无渗水等地质情况，并且根据这些观察分析绘制地质素描图，然后通过仪器接收多波多分量的地震反射波信号［2-5］，并对提取到的反射波信号进行纵（P 波）、横波（S波）分离、偏移成像［6］等技术建立分析和预测模型。结合前期地质观察结果补充修正分析预测模型，最终给出准确的地质解释，以增强地质环境的预报能力，保证隧道工程的顺利进行，进而节约地质预报的工程成本，提高工程效率与探测精度［7］。

1 地质预报方法

1.1 地质素描调查法

实际隧道施工过程中对开挖面的地质情况进行如实而准确的反映就是地质素描法。素描的内容包括地层岩性、构造发育情况及地下水的出水状态、围岩的稳定性及初期支护采用的方法等。典型特征是不占用施工时间和不干扰施工。

1.2 TSP超前地质预报系统

TSP预报系统主要由地质数据预处理、核心处理、地质解释及上位机组成，如图1 所示。

图1 TSP系统总体结构

地震检波器通过接收多波多分量的地震反射波信号，对提取到的反射波信号进行纵（P波）、横波（S波）分离，偏移成像等建立分析和预测模型，最终给出准确的地质解释，增强地质环境的预报能力，保证隧道工程的顺利进行，进而节约地质预报的工程成本，提高工程效率与探测精度［7］。

TSP超前地质预报系统是在经典弹性波理论基础上，利用地震波形成的多波多分量反射回波进行测量的原理［8］，图2 所示即为反射波法隧道超前预报原理图［9］。

图2 反射波法隧道超前预报原理图

通过小药量炸药激发产生地震波震源，地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时，例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带［10］等，一部分地震信号反射回来；另一部分信号透射进入前方介质继续传播［11］。反射的地震信号被高灵敏度的地震检波器接收，反射信号的传播时间与传播距离成正比，与传播速度成反比，因此通过测量直达波速度、反射回波的时间、波形和强度，可以达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的［12］。

在一定间隔距离内连续采用上述方法，结合施工地质调查，可以得到隧道围岩的地质力学参数，如平均水平波速、平均垂直波速、动态弹性模量和泊松比等地质物性参数。基于地震反射波的超前探测核心处理技术包括波场分离和地质偏移成像。波场分离技术能有效地提取来自隧道掌子面前方的反射波信号，即利用质点振动的极化特性进行纵波（P波）和横波（S波）分离。然后将提取出的来自隧道掌子面前方地震信号的反射波纵波（P波）信号，进行波速偏移成像，进一步获得隧道掌子面前方的反射面信息，从而实现超前探测。

1.2.1 波场分离技术

用三分量多波多分量的检波器接收数据，接收到地震波数据不仅包含纵波（P 波）信息，还包含横波（S波）及其他干扰波信息，同时在传播过程中，各类波型还会相互转换，形成更复杂的波场，隧道超前探测的实现过程中需要将各类型波进行分类［13］。波场分离采用f-k域滤波滤波方法，抑制噪声的同时提取出隧道掌子面前方的反射波信号。f -k 域滤波是通过二维傅里叶变换，将原始地震记录从t -x 域变换至f -k域，通过设定滤波因子，保留所需的视速度范围，经过二维傅里叶反变换返回t -x 域后所保留下的可视速度范围，在t-x域即为来自掌子面前方的有效反射波信号［14］。

1.2.2 偏移成像技术

垂直地震剖面（VSP）方法是通过在地表激发地震波，在地下通过检波器接收地震波，即是在垂直方向观测的；而拟VSP方法是将该方法用于对前方掌子面进行垂直方向的观测。Kirchhoff 偏移方法是建立在Kirchhoff积分解的基础上提出的，在输出剖面的每一个点上都进行积分求和，从而实现波场偏移［15］。

Kirchhoff积分叠前深度偏移是建立在全波动方程式积分解的基础之上处理地震勘探资料的归位问题，不受地层倾角的影响且具有对高频成份的补偿作用和较好的保振幅特征，是目前生产上广泛应用的主要偏移方法之一［15］。综上，将拟VSP 方法和Kirchhoff 偏移方法相结合，利用Kirchhoff偏移方法对掌子面前方反射面成像时，可以较为直观地获得前方反射面的构造信息，然后通过结合拟VSP 方法，获得反射界面同向轴与直达波同向轴的交点信息，即可获得反射面位置信息，两者相结合获得更准确的前方构造与位置信息。

2 隧道地质超前预测工程实例

本文以栋梁坡隧道DK503 +227～DK503 +170 段为对象，为保证预测的准确率，测试前需了解测试范围内的地质情况，可能存在异常体的位置及其大致形态体征。然后采用TSP 超前预报系统和地质调查法相结合的方法进行超前地质预报。

2.1 地质调查情况

隧道开挖后掌子面揭示岩性为板岩，青灰色，弱风化，岩质坚硬，变余结构，板状构造，中厚层状为主，岩层产状：N30°E/15°S。节理较发育，主要有两组节理：J1 产状N50°W/80°N，节理间距0.3～0.7 m，延伸长度0.5～1.5 m，密闭，平滑；J2 产状N20°E/90°，节理间距0.2～0.6 m，延伸长度0.5～1.0 m，密闭平滑。岩体整体较完整，围岩稳定性一般，掌子面潮湿。如图3 所示即为栋梁坡隧道掌子面地质素描图。

图3 掌子面地质素描图

通过地质调查揭示隧道洞身地质岩性与掌子面岩性基本一致，岩体整体较完整，围岩稳定性一般。同时，拱顶及边墙有渗水现象，如图4 所示为拱顶和两侧边墙地质素描图。

图4 拱顶和两侧边墙地质素描（m）

2.2 施工参数设置

为了提高地震波波速，增加探测距离，本工程应用中使用无爆炸延迟时的瞬发电雷管，防水乳化高爆速炸药，每孔药量控制在150 g，并将炸药和雷管用锚固剂固定在孔底，并且在正式启爆时尽量保证起爆时间一致［16］。

为了保证足够的反射波能量，尽量从掌子面附近可以施测的地方开始布设跑孔，并且检测点布设在探测方向与界面成锐角一侧。三分量加速度型传感器体积小巧，可以在小口径接收孔内安装，高频响应好，有利于提高测试精度，同时布设在围岩坚硬致密的地段，在安装完毕后用布封住安装孔以阻挡隧道内声波的干扰。隧道内的装置布置图如图5 所示。

图5 隧道内数据采集布置图

现场实际接收器位置在DK503 +288，开挖面位置在DK503 +227，测线位于左边墙，实际激发20 炮，2个接收器（检波器）接收。具体参数如表1 所示。

2.3 地质超前预报分析

在对原始数据的处理中，共20 炮数据参与软件处理分析。震源振动产生速度向量即X、Y、Z 3 个分量，这3 分量速度向量都被检波器接收并记录下来，横坐标为偏移量，随时间变化。其中垂向Z 分量主要是垂直出射的P波，径向X和切向Y分量主要记录的是水平的S波分量。其原始记录及频谱图如图6、7 所示。X分量能量减弱，其他两个方向变化不大。垂直分量的地震记录的频率成分主要是高频信号，而水平分量的地震记录的频率比较低。

以目前开挖面岩石为主要参照物，结合地质调查资料和施工开挖情况，对掌子面前方地质二维处理结果如图8、9 所示。图中：R 代表掌子面中心点为中心的地震波传播半径；X为波传播的水平方向距离。

在实际施工中记录到已开挖段及开挖面为板岩，取已施工的DK503 +288～DK503 +239 总长49 m 的隧道段作为测试段来预测掌子面前方地质状况，测试段平均波速vp=5.44 km/s，vs=3.08 km/s、泊松比0.26、动态弹性模量69 GPa。根据TSP 测试系统测试，可以将掌子面前方待预测段分成三段进行地质预报，得到的预报结果如表2 所示。

结合探测数据，栋梁坡隧道掌子面前方物性及异常特性如图10 所示。

表1 超前预报系统具体参数设置

图6 TSP系统接收到的P波X、Y、Z方向原始记录

图7 TSP系统接收到的X、Y、Z方向的原始记录频谱图

图8 P波深度偏移剖面

图9 提取的P波反射层图

根据上述栋梁坡隧道掌子面、洞身地质素描分析情况及TSP超前预报分析结果，结合设计文件工程地质和水文地质资料，对掌子面前方57 m洞身及周边工程地质和水文地质条件进行综合分析得出如下结论。

（1）DK503 +227～+213，长度14 m，该段围岩物性较上段有变差的趋势，预测出露岩性仍为板岩，弱风化，中厚层状为主，地层单斜，继续存在顺层偏压问题，节理较发育，岩体较破碎，局部可能有褶曲和小型断层等次生构造发育；从物探参数变化来看，地下水总体较上一预测段发育，以渗水、滴水现象为主，整体出水量有增大趋势，局部可能出现淋雨状滴水现象。

表2 栋梁坡隧道地质预报结果

图10 隧道掌子面前方物性及前方异常特征

（2）DK503 +213～+196，长度17 m，该段围岩物性较上段变化不大，预测出露岩性仍为板岩，弱风化，中厚层状为主，地层单斜，继续存在顺层偏压问题，节理较发育，岩体较破碎，局部可能有褶曲和小型断层等次生构造发育；综上分析，该段围岩稳定性尚可，开挖过程中局部可能出现掉块等围岩失稳现象。

（3）DK503 +196～+170，长度26 m，该段围岩与已开挖段近似，预测出露岩性应为板岩，中厚层状，地层单斜，存在顺层偏压问题，弱风化，节理较发育，岩体整体较完整，局部相对较破碎；从探测参数变化来看，地下水较测试段变化不大，总体不甚发育，主要为基岩裂隙水，以局部渗水、滴水现象为主；综上分析，该段围岩稳定性一般，开挖过程中局部可能出现掉块等围岩失稳现象。综上分析，该段围岩稳定性较差，开挖过程中较易出现掉块及局部小范围坍塌等围岩失稳现象。

3 预报与工程实际对比分析

根据隧道的开挖情况与地震波地质超前预报进行对比分析，DK503 +227～+213 段整体节理裂隙发育，围岩较为破碎，完整性不好，施工过程中有渗水现象发生。DK503 +213～+196 较前段稍好，围岩破碎程度稍好，施工难度明显好于前段。DK503 +196～+170段整体节理发育，岩体不完整，且施工中有滴水现象。综合来看与地质预报结果基本一致。

在DK503 +317～+217 段施工过程中，建议通过加深炮孔来验证预报的准确性，采用弱爆破、短进尺掘进，迅速封闭岩面，加强初期支护，及时跟进二次衬砌，针对局部可能出现的围岩失稳和出水情况，需加强监测，并做好合理的应对措施，以确保安全。另外，针对可能出现的气候变化产生集中降水，应及时做好洞内防排水措施，尤其对局部地下水较发育段，应采取应对措施，防止突水等地质灾害发生时造成人员和设备损失。

4 结语

本文采用TSP 超前预报系统和地质调查法相结合的方法进行了隧道施工超前地质预报方法分析，以栋梁坡隧道DK503 +227～DK503 +170 段为例，先对隧道掌子面、洞身地质情况等进行地质扫描，对整个隧道的地质情况有了基本的认识和了解，并结合这些地质情况对应的体质雷达图像找到规律，然后结合核查结果运用地震反射波法预报掌子面前方的地质信息，开挖后地质情况验证与地质预测结果基本一致，保证了栋梁坡隧道的施工安全，提高了施工效率。

综上所示，说明在本案例中地质调查可以为后续地震波的超前预报提供有效的信息参考，能提高最终的预测结果的准确性和有效性，并且能大大减少预测时间。因此，地质预测分析方法具有经济高效，预测结果准确的特点，具有一定的工程使用价值。