HSP法超前地质预报技术在大凉山1号TBM施工隧道中的应用

2021-10-25杨玲洁杨卓文杨朝栋

工程地球物理学报 2021年5期

杨玲洁，杨卓文，王冬,杨朝栋

(1.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 611731；2.四川绵九高速公路有限责任公司，四川绵阳 621700)

1 引言

随着我国隧道建设规模的扩大，复杂地质条件隧道工程越来越多，遭遇溶洞、破碎带、断层等不良地质的概率越来越大，诱发各种洞内地质灾害的风险极高。为确保隧道施工安全，精准地预测隧道穿越区的不良地质位置与规模已成为当前隧道施工所亟需解决的重要问题[1-6]之一。国内外专门针对或适用于盾构及掘进机施工的超前地质预报系统有ISP(原ISIS系统)、BEAM系统、TRT系统、TSP(Tunnel Seismic Prediction)等，主要分为两类，一类为探测前方断层破碎带、软弱夹层等依托介质阻抗差的探测方法；另一类为探测前方地下富水情况的探测方法，其主要依托介质温度场、介电差异、极化特性等。各系统间均有各自的特点，也取得了一定的成效。

针对以下情况：①掌子面无法直接布置测线；②空间狭小，需钻探测孔地质预报方法，操作不便、且费时；③如采用炸药震源激发的预报方法，应采用特殊处理，费时，且存在安全风险；④盾构掘进速度较快，现场测试要求时间短、成果提交速度快等。本文采用HSP法对大凉山1号TBM(Tumel Boring Machine)施工隧道进行超前地质预报，其中，HSP法(水平声波/地震波剖面法)是采用电火花、锤击、爆破等作为激发震源的一种隧道超前地质预报方法[6-9]。文中通过介绍方法原理、设备系统、数据处理等，并通过多个测线预报案例分析，总结了HSP法下TBM施工的应用特点与效果。

2 HSP法预报技术

2.1 HSP法简介

HSP法由中铁西南科学研究院研发，技术成果已获多项国家专利，测试便捷、无需爆破或锤激震源、无需TBM停机，以及测前准备工作等，具有现场测试时间短、检波点布设迎合性强等优势，能够高效探测岩溶、断层、软弱夹层、节理密集带等多种存在弹性波阻抗差异的不良地质。系统主机如图1所示。表1为HSP系统的主要参数。

图1 HSP217地质超前预报仪Fig.1 HSP 217 geological advanced prediction instruments

表1 新HSP地质超前预报仪主要参数

2.2 技术原理及布置方案

HSP法以弹性波理论的基础，传播过程遵循惠更斯-菲涅尔原理和费马原理[10]，波场在任意介质中传播时，当其传播到该介质与另一介质的分界面时，一部分产生反射，另一部分穿过界面产生折射，继续在另一介质中传播，公式为：

式中：R为反射系数，ρ1、ρ2为上下岩层的密度；v1、v2为地震波在上下岩层中的传播速度。

当掘进过程中，隧道工作面前方岩体中若出现如断层、破碎带、溶洞等不良地质体，存在比岩体小很多的波阻抗。因此，其反射波易于识别，从而实现预报[11]。

结合TBM结构、施工及预报要求，提出以TBM掘进过程中刀盘滚刀破岩产生的振动信号作为激发震源，开展适于TBM施工的HSP法预报探测。通过隧道轮廓空间检波点阵列式布置，在接收围岩震动回波的同时，同步接收TBM机身震动噪声，见图2。在TBM完全掘进状态下，连续接收同一时段内的震动信号，数据量应足够大，通常不少于10 min。

图2 适用TBM施工的HSP法测试布置示意图Fig.2 Test layout of HSP method for TBM construction

2.3 数据处理

TBM掘进时，刀盘滚刀剪切岩石所激发的震动信号，在地层的“滤波效应”下，其震动信号被测试系统接受；并通过滤波、信号提取、相关干涉、聚集成像等处理，定位TBM刀盘前方的不良地质情况，从而实现地质预报的目的[12-14]，关键数据处理步骤如下：

2.3.1 虚源的获取

通道间在同一时间接收的信号中子波序列具有相同的排序特征，对其进行相关干涉处理，获取虚拟震源道和反射特征曲线[15]。

首先，要对接收的信号进行频谱分析[16]，将布设在隧道轮廓上的检波器所接收的信号滤除机身自体的震动噪声信号，对记录下的信号做相关的干涉处理，获取探测的等效虚拟震源点[17-19]，即以某个接收点为震源点，其他收点为接收点的共炮记录集。在多组共炮记录点进行反射成像，采用椭球理论，包含2个步骤，分别是对掌子面前方空间进行速度修正和椭球聚焦成像，最终获取地层特征数据。

2.3.2 三维成像

采用能量叠加最大化原理，对特征波形曲线进行反演与散射联合反演成像[19-21]，获取全空间地层的三维反射能谱图和掌子面前方速度分布图，如图3所示。

图3 HSP预报成果Fig.3 Prediction result of HSP method

2.4 TBM施工隧道HSP法实施

HSP地质超前预报软件采用仪器对现场采集软件、与该仪器采集数据匹配的专用反射谱分析和反演成像分析软件，结合地质调查方法，确保了探测的快速、资料的准确和分析结果的可靠。具体如下：通过在刀盘后方隧道轮廓上布置阵列式检波器接收地震波场信号，在隧道两侧壁各布置一定数量并具有一定偏移距的接收检波器，采用多源地震干涉技术，对反射与散射信号进行聚焦成像，实现前方不良地质体的预报，如图4所示。

3 TBM破岩波场正演研究

TBM施工时主要靠刀盘滚刀破岩，所产生的震源为持续震源，结合多源地震技术，依托于大凉山1号隧道实际采集的TBM破岩信号(图5)作为激发震源，对TBM施工环境下所产生地震波的传播规律进行了模拟。

选用有限元法进行隧道中地震波传播的数值模拟，模拟了TBM施工方式下地震波场的变化规律及HSP方法的可靠性。

3.1 TBM施工断层破碎带模型模拟研究

TBM施工断层模型主要参数如图6(纵波速度分布图)所示。模型大小为400 m×400 m，隧道截面宽10 m，位于模型垂直方向的195～205 m。震源点位于掌子面上，隧道已开挖40 m。断层距离掌子面垂直距离110 m，宽度为2 m，贯穿整个模型。数值模拟相关参数见表2。

表2 TBM施工断层数值模拟主要参数

数值模拟中被动震源以实际采集的连续震动信号作为持续的胀缩源进行加载，图7为TBM施工断层模型数值模拟的波场图，从图中可看出，在断层位置处，波场发生了明显的反射。

图7 TBM施工断层模型数值模拟波场Fig.7 Wave field diagram of numerical simulation of TBM construction fault model

检波点位于掌子面两侧，每侧均布设3个检波点(图6)，两侧第一个检波点距离掌子面距离为4 m,相邻两个检波点间的间距相同为2 m。进行持续接收，采集时长为10 min(图8为部分时长数据)，采样间隔为62.5 ms。对所采集的原始记录采用HSP法进行成像，结果如图9所示。反演成像结果显示,在距掌子面前方110 m位置处存在强反射异常，与所设置的断层位置相符合，表明所采用的适于TBM施工的HSP超前地质预报方法能够对前方的异常体进行准确预报。

图9 HSP反演成像Fig.9 Inversion result of HSP method

4 工程概况

大凉山1号特长隧道全长约15.3 km，隧道首次采用10 688 m平导TBM+主洞钻爆法组合施工工法，为国内首座运用该工法的高速公路隧道。

隧址区位于云贵高原与川西南山地过渡带，东北部与四川盆地毗连，地势西高东低，呈北东向领斜，属大凉山系。最高顶峰东北部大风山，海拔4 042 m，最低处美姑河与金沙江汇合口，海拔440 m，一般高程2 000 m左右。山脉走向与构造线展布方向大体一致，呈南北向和北东向延伸。区内地势陡峻，属构造侵蚀深切割高山区。属侵蚀构造高山地貌，地貌基本形态主要受地质构造控制，并与地层岩性密切相关，拟建隧址区高山逶迤，穿过背斜核部，为典型背斜成山地貌形态，“V”形横向谷比较发育，植被茂密。隧道区出露的主要地层有：第四系、侏罗系、三叠系、二叠系。该隧道区主要不良地质有断层破碎带、岩溶等，对施工极具挑战性，其地质纵断面如图10所示。