TST技術在某隧道超前地質預報中的應用

馬小鋒，喬東華，任國宏，王朋朋

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550001;2.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003)

1 興義I號隧道簡介

興義I號隧道位于汕昆高速公路貴州境內，隧址位于揚子地臺與華南地臺的接壤部位，隸屬揚子地臺西南邊界地帶，隧址區(qū)出露地層主要為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組下段(T1ya)白云質灰?guī)r、泥灰?guī)r;表覆第四系坡積粘土夾少量角礫。

隧道為單洞雙車道小凈距短隧道。右洞起訖樁號為:K90+020～K90+345，全長325 m;左洞起訖樁號為:ZK90+020～ZK90+325，全長305 m。隧道圍巖主要以Ⅳ、Ⅲ為主，穿越白云質灰?guī)r和泥灰?guī)r，存在巖溶、裂隙水，施工時出現(xiàn)淋雨狀或涌水狀出水。

綜上所述，興義Ⅰ號隧道地質條件復雜，巖溶發(fā)育，地下水豐富，巖體破碎，施工中容易引發(fā)工程災害。因而在施工中開展地質超前預報，目的是探明隧道掌子面前方軟弱巖層的分布、節(jié)理裂隙發(fā)育帶、巖溶與涌水、突泥等不利地質條件，判定不良地質體的位置、形式、規(guī)模及其對施工的影響程度，提出預防措施與建議，以便指導施工，保證工程的安全和質量。

2 超前預報方法的選擇和TST的技術特點

目前國內外應用的隧道地質超前預報方法有陸地聲納、負視速度法、HSP 水平剖面方法、TSP203、TGP206、TRT、TST等，都屬于地震法超前預報技術，以地震反射或散射理論為基礎，通過隧道內的地震觀測反演掌子面前方的地質情況。要達到準確、可靠預報的目標，必須有科學的觀測方案、可靠的資料處理方法、有效的反演方法和合理的技術流程，這些就構成了超前預報的技術核心，也稱超前預報的理論問題。這些核心問題中最關鍵的是如何區(qū)分不同方向的回波，分離出前方回波，及如何可靠地確定前方圍巖速度分布，準確確定地質界面位置兩個問題［1］。TST技術(Tunnel Seismic Tomography)是隧道地震CT成像技術的簡稱，它在深入地研究地下三維波場特征的基礎上，從觀測方案、三維波場分離、圍巖波速分析、散射波場原理、偏移成像等方面進行了理論研究與軟件技術開發(fā)，成功地解決了超前預報的核心理論技術問題，成就了國際領先水平［2］。主要技術特點如下:

(1)觀測方式設計的原則滿足三方面的技術要求:一是滿足圍巖速度分析的要求;二是滿足三維波場識別、反向濾波的要求;三是盡量減少面波干擾。按上述要求，TST的觀測方式布置成二維陣列方式(圖1)，檢波器和炮點布置在一個平面內，縱向長40～60 m，橫向寬15～20 m，分布成陣列，具有不同的橫向偏移距，在滿足速度分析和波場分離兩項要求的前提下最為簡捷。

圖1 TST二維陣列觀測方式示意

(2)TST技術采用以線性波場分離為主的F－K或T－P變換方法更適合超前預報的特點，進行波場識別與分離的效果更好。

(3)隧道掌子面前方圍巖波速的準確確定十分重要，不但關系到對圍巖工程類別的判斷，更重要的是直接影響到地質對象的準確定位。TST使用偏移疊加能根據(jù)最大化原理確定最優(yōu)偏移速度，效果很好。

(4)目前的超前預報中應用的理論主要為反射理論，如TSP203、TGP206、TRT等，僅TST技術使用散射理論。散射理論比反射理論具有更高的分辨率，減少斜交構造和孤立體的漏報幾率。

(5)目前的超前預報技術中，TSP203、TRT、TGP206、TST等技術都使用偏移成像技術，但是像 TSP203、TRT、TGP206等技術不能提供準確的速度，無法保證地質界面位置的準確定位。如果偏移成像之前不能正確地進行波場分離，不能濾除干擾波，則偏移圖像中不可避免地包含虛假成分，造成誤報［1］。TST技術成功地解決了波速分析和波場分離兩個重要問題，保證了預報結果的準確可靠。

3 興義I號隧道的TST現(xiàn)場采集系統(tǒng)

根據(jù)TST技術的要求，興義I號隧道超前預報的現(xiàn)場采集布置參見圖2。

(1)檢波器12個，布置在兩側壁內，每側6個，間距4 m，埋深1.8～2.0 m，靠近掌子面;

(2)爆炸震源6個，布置在兩側壁內，每側3個，每側第1個炮孔距最近檢波器4 m，其余2個間距24 m，埋深1.8～2.0 m，炸藥量450 g，遠離掌子面;

(3)成孔采用60風鉆成孔，單發(fā)毫秒雷管，采用啟爆器控制啟爆;

(4)采用炮泥耦合和封堵。

圖2 興義I號隧道TST觀測系統(tǒng)現(xiàn)場布置

本次超前預報使用的TST硬件系統(tǒng)主要由地震記錄器、信號分離器、拉拔式IC加速度檢波器及信號電纜組成。信號分離器承擔檢波器直流供電和交直流信號分離的作用，IC檢波器是具有內置放大器的壓電晶體檢波器，傳輸距離可達250 m，爆炸作為地震波信號震源。各部裝置連接參見圖3。

圖3 TST系統(tǒng)硬件組成與連接

4 TST超前預報的資料處理過程

TST超前預報技術的資料處理主要經(jīng)過下列幾個環(huán)節(jié)，首先是對接收點和激發(fā)點的坐標進行輸入和編輯;接下來是采用F－K二維方向濾波技術濾除側向和后向回波及面波，提取前方回波;第三是使用不同橫向偏移距的前方回波進行速度掃描，依據(jù)疊加能量最大化判定原理確定各段圍巖的最優(yōu)波速分布;最后，使用前方回波記錄和速度分布進行地質構造的偏移成像。TST提供的預報結果包括構造偏移圖像和圍巖波速分布圖像兩部分，它們相互印證，便于分析構造和圍巖類別劃分及綜合地質解釋。據(jù)此，再結合地質資料進行解釋和預報。上述處理過程中關鍵的技術有三個，分別是三維波場的識別與方向濾波、圍巖波速分析和構造偏移成像三部分［2］。

TST超前預報的解釋根據(jù)處理結果提供的地質偏移圖像和速度分布曲線，再結合地質資料進行解釋預報。

5 興義I號隧道超前地質預報結果

以興義I號隧道超前地質預報右洞K90+242～K90+345段為例，本次觀測共得到有效觀測記錄6炮72道，處理后得到興義I號隧道右線出口K90+242～K90+345地質體偏移圖像、圍巖波速曲線圖參見圖4、圖5。

TST地質構造偏移成像圖中，橫坐標為隧道里程，縱坐標為隧道橫向距離。

圖4 興義I號隧道偏移成像成果

圖5 興義I號隧道圍巖速度曲線分布

利用上述成果圖并結合地質資料分析得出以下預報結果:興義I號隧道進口右線K90+242～K90+345段的地質情況可分成三段:

第一段從K90+242～K90+263，從圍巖速度分布曲線上可以看出波速偏低;從隧道偏移成像圖上可以看出該段存在明顯的界面密集帶，節(jié)理裂隙極發(fā)育，特別是K90+256～K90+263處出現(xiàn)一反射界面，推測該位置圍巖巖性或巖質可能發(fā)生變化，節(jié)理發(fā)育，建議圍巖級別為IV級;

第二段從K90+263～K90+306，波速較高，巖質較堅硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，為中～弱風化基巖，建議圍巖級別為II級;

第三段從K90+306～K90+345，波速明顯降低，為強風化基巖，巖質偏軟，穩(wěn)定性較差，建議圍巖級別為IV級。

結合地質資料及預報結果整體來看，預報段地下水不發(fā)育，且無溶蝕跡象。

詳細情況見表1。

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綜合分析，本次超前地質預報隧洞段(K90+242～K90+345)，總體上圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)構造斷層及溶洞發(fā)育等重大不良地質。

其中掌子面前方K90+256至K90+263附近重點關注圍巖巖性或巖質可能發(fā)生變化，提前做好支護。

實際開挖驗證，K90+260圍巖發(fā)生變化，巖質變硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，另外，K90+308圍巖巖質變軟，節(jié)理裂隙比前段有了明顯的發(fā)育，穩(wěn)定性開始變差。

6 結束語

本次隧道超前地質預報采用TST技術，基本查明了預報范圍內的地質情況，探明了隧道掌子面前方巖性及軟弱巖層的分布范圍和規(guī)模以及節(jié)理裂隙發(fā)育情況，并且通過開挖驗證得到了證實。

TST技術在興義I號隧道超前地質預報中的成功應用，指導了施工，對隧道支護參數(shù)的及時調整提供了依據(jù)，從而確保了隧道的安全。

［1］趙永貴，蔣輝.TSP203超前預報技術的缺陷與TST技術的應用［J］.工程地球物理學，2008，5(3):266 －273

［2］趙永貴.中國工程地球物理研究的進展與未來［J］.地球物理學進展，2002，17(2):301 －304

［3］劉志剛，趙勇.隧道隧洞施工地質技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2001

［4］曲海鋒，劉志剛，朱合華.隧道信息化施工中綜合超前地質預報技術［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(6)