TST超前地質預報技術在貴州巖溶地區的應用

張 卿，羅宗帆

(中鐵二十局滬昆客專，貴州安順 561000)

0 引言

新建滬昆鐵路是我國交通網中“五縱五橫”運輸大通道的重要組成部分，是長三角和珠三角等沿海經濟發達地區向西南內陸地區進行經濟輻射的主要軸線，在區域綜合交通運輸體系中作用很大。滬昆線西段主要位于云貴高原及其邊緣過渡地帶，區域范圍內地質構造復雜，構造線密集，斷層發育，有巖溶、煤層瓦斯和采空區、液化砂石、軟質巖風化剝落等不良地質。

在隧道施工過程中，超前地質預報技術對于查清隧道不利地質條件、預報掌子面前方的地質構造及含水性、保障施工安全具有重要作用，已成為隧道施工必要的技術環節［1-2］?；诘卣鸱瓷淅碚摰乃淼莱暗刭|預報技術，其預報長度大、工作效率高，得到了較廣泛的應用［3-4］，但也存在一定的技術缺陷。對于大型斷裂帶和巖性分界面等地質，因其物性差異大，反射信號強，使用基于反射理論的地質超前預報技術開展工作，難度相對較?。?］。對于巖溶和圍巖裂隙等小型地質構造的預報，基于反射理論的地質超前預報技術則難以發揮作用，誤報率較高。在我國西南的巖溶區，大部分巖溶是以構造裂隙巖溶為主，斷裂與構造裂隙發育［6］。由于溶蝕、崩塌和沖蝕作用，巖溶形態復雜，多有部分填充。管道巖溶較發育，埋深大，形成地下暗河［7］。這些巖溶形態復雜，體積小，表面極不規則，展布規模小于地震波長，對地震波難于形成有效的反射，地震波主要以散射形式傳播。針對巖溶區地震場波的特征，利用散射波進行地質超前預報勢在必行。散射波的傳播規律、波場特征與反射波不同［8-9］，不能應用地震反射資料處理技術處理，需要應用針對散射波的專有的處理技術。TST 地質超前預報系統就是基于散射地震成像技術的地質超前預報系統［10-11］。本文利用基于散射理論的TST超前預報系統并綜合地質雷達等其他預報方法，成功解決了巖溶地區地質超前預報的難題。

1 TST隧道地質超前預報技術

1．1 散射掃描成像技術

超前預報時，在隧道圍巖中使用人工震源激發地震波，地震波向四面八方傳播，遇到巖性變化界面、地質構造、巖溶和地表面等波阻抗變化界面時發生反射、散射與折射。

當地質界面尺度遠大于地震波波長時，地震波的傳播遵從層狀介質中的反射理論，反射波能量大，并沿著反射角等于入射角的方向傳播;當地質界面尺度小于地震波波長時，地震回波的傳播遵從散射理論，散射波不再具有單一的方向，而是以散射點為中心向四面八方傳播。與反射波相比，散射波的能量較弱，頻率偏高。

在實際地質條件下，既有如巖性界面、斷層和地表面等大尺度的反射界面，也有如巖溶、采空區和孤石等小尺度離散地質體(見圖1)。

圖1 隧道地質超前預報觀測模型Fig．1 Advance geology prediction model of tunnel

采用反射與散射的混合模型(見圖2)，根據反射波及散射波的傳播規律，分別將反射波和散射波進行偏移歸位，得到隧道掌子面前方的真實地質情況，這是TST散射掃描技術的基本思想。關于TST地質超前預報系統數據處理的具體技術措施，如方向濾波、圍巖速度分析、掃描成像等以及在數據采集時的觀測系統已有相關文獻［9］進行了論述，此處不再介紹。

1．2 TST數據處理結果的解釋原理

TST的波速圖像與偏移圖像的地質解釋遵從如下原理:

1)波速的分布可用于掌子面前方巖體的力學性狀的推斷。巖體波速高表示巖體結構完整致密，彈性模量高;波速低表示巖體破碎，裂隙含水。

2)構造偏移圖像表示地質結構的組合圖像和地層性質的變化。構造偏移圖像中反射條紋密集的地段，結構復雜、構造發育，在波速圖像中對應位置為低波速帶;構造條紋少的地段，圍巖均勻致密，在波速圖像中對應位置為高波速帶。

3)對巖體含水性的預報要結合水文地質資料。如果隧道標高在地下水位之下，則可判定斷裂帶和破碎巖體富含地下水;如果隧道標高在地下水位之上，則斷裂帶和破碎巖體可能含少量水或季節性含水。

4)偏移圖用藍紅表示軟硬巖體界面。紅色線條代表正的波速異常，表示波速由低變高、巖體由軟變硬的界面;藍色線條代表負的波速異常，表示波速由高變低、巖體由硬變軟的界面;先藍后紅線條的組合代表存在一個斷裂帶;紅藍條紋密集出現區域代表地質現象中的斷裂帶或溶洞。斷裂的展布范圍大，在偏移圖像上顯示為較大范圍的紅藍條紋延伸(見圖3(a));溶洞的反射面不規則，在偏移圖像上顯示為紅藍條紋的延伸長度短(見圖3(b))。

2 應用實例

2．1 斗磨隧道進口平導

斗磨隧道位于貴州省關嶺自治縣境內，地處云貴高原構造剝蝕中低山區，區內地形起伏，隧址區內最高點位于隧道軸線南側的山頂，海拔2 454．3 m;最低點位于隧道出口南側的河谷中，海拔1 142 m，相對高差為1 312．3 m。隧道穿越區域以碳酸鹽、含煤地層分布為主要特征，具有剝蝕-溶蝕槽谷地貌特點。

隧址區基巖大多裸露，隧道進出口及緩坡地帶分布有少量覆土，隧道區地表水以山間溝水為主，水量較小，雨季時溝內水量明顯增加。地下水主要為第四系松散土層空隙水、基巖裂隙水和巖溶水。不良地質現象主要為巖溶及巖溶水、煤層瓦斯及采空區、危巖落石等，特殊巖土為石膏。斗磨隧道是鐵道部重點工程，瓦斯含量高，被列為滬昆全線的Ⅰ級風險隧道。本次重點對斗磨隧道進口平導D1K841+495掌子面前方150 m的地質情況進行預報。

圖3 偏移圖像特點Fig．3 Typical migration image for karst cavity

2．1．1 TST數據處理結果及地質解釋

通過TST數據處理中地震數據導入、壞道剔出、帶通濾波、干擾信號消除、觀測坐標編輯和二維方向濾波等步驟，經全局掃描和分段掃描，得到預報地段圍巖的速度分布(見圖4)。

使用前方回波地震數據和分析得到的速度分布，進行深度偏移成像，得到如圖5所示的TST構造深度偏移成像。

利用圖4和圖5并結合地質資料分析，斗磨隧道進口平導D1K841+495掌子面前方150m地質情況可劃分為3段，具體預報結果見表1。

表1 斗磨隧道進口平導TST地質超前預報結果Table 1 TST advance geology prediction results of parallel adit of entrance section of Doumo tunnel

根據表1預報結果，建議在施工過程中:1)對圍巖穩定性和完整性較差-差的地段加強支護;2)在D1K841+495～+526和D1K841+603～+645段采用地質雷達、紅外探水儀或加深炮眼方法對掌子面前方地質災害體分布和地下水情況進行探測;3)有必要時，采用多功能鉆機進行超前鉆探。

2．1．2 超前水平鉆探測結果與TST結果對比驗證

根據超前地質預報結果，在掌子面進行了超前水平鉆探測，探測結果為:里程D1K841+506～+517處存在較大溶洞，且有黏土和淤泥等填充物;里程D1K841+517～+538處鉆桿推進速度忽快忽慢，鉆孔處水為黑色，且帶煤氣味，初步判斷此區段可能存在煤層。

通過相互對比應證TST預報結果與超前水平鉆探測結果，可以說明:1)根據表1預報結果所作的施工建議是合理的;2)在D1K841+495～+526段附近圍巖穩定性和完整性較差，裂隙較發育，巖體較破碎，分析存在溶洞或破碎帶，與超前水平鉆探測結果基本符合。

2．2 大獨山隧道1#橫洞

大獨山隧道全長11 882 m(單洞雙線隧道)，進口里程為DK852+772，出口里程為DK864+654，隧道可能存在的巖溶長為9 063 m(占全隧長度的76%)。大獨山隧道位于地處黔西高原向黔中丘陵過渡地帶，屬構造剝蝕和溶蝕中低山地貌，總體來看，地勢北西高南東低，具構造剝蝕-溶蝕地貌特點。

大獨山隧道洞身斷層破碎帶發育，區域斷層有7處，物探解譯斷層有11處，下穿1處暗河(位于隧道拱頂上約43 m)，部分隧道處于水平循環帶內，部分處于季節交替帶，洞內為人字坡。該隧道地質復雜，為Ⅰ級風險隧道。

2．2．1 TST數據處理結果及地質解釋

通過TST數據處理流程處理后，得到大獨山隧道1#橫洞H1D1K0+808掌子面前方150 m的地質體圍巖波速曲線圖(見圖6)。

使用前方回波地震數據和分析得到的速度分布，進行深度偏移成像，得到如圖7所示的TST構造深度偏移成像。

對比圖6和圖7，結合掌子面開挖情況和地質資料綜合分析，得到大獨山隧道1#橫洞TST地質超前預報結果(見表2)。

根據表2預報結果，建議在H1D1K0+808～+760段加強支護并采用地質雷達、紅外探水儀或加深炮眼方法對掌子面前方地質災害體分布和地下水情況進行探測。

2．2．2 地質雷達探測結果與TST結果對比驗證

根據超前地質預報結果，采用短進尺向前開挖，發現向前開挖的巖體逐漸破碎并伴隨有裂隙水出現。開挖到H1D1K0+784，在掌子面進行了地質雷達探測，探測結果主要有2點。

圖6 大獨山隧道1#橫洞速度曲線Fig．6 Velocity of seismic wave at No．1 horizontal adit of Dadushan tunnel

圖7 大獨山隧道1#橫洞地質構造偏移成像Fig．7 Migration imaging of geological structures of No．1 horizontal adit of Dadushan tunnel

表2 大獨山隧道1#橫洞TST地質超前預報結果Table 2 TST advance geology prediction results of No．1 horizontal adit of Dadushan tunnel

1)在掌子面前方0～10 m內電磁波反射信號較強，頻率中等，同相軸較為連續，有斷續。判斷此區段內巖層較破碎，含水，可能有夾層。

2)在掌子面前方10～30 m內電磁波反射信號較強，頻率中等，同相軸較為連續，有斷續。判斷此區段內巖層裂隙發育，局部為破碎帶或填充物，含水，可能有夾層。

通過TST預報結果與實際開挖情況、地質雷達探測結果的相互對比應證，可以看出預報結果與地質雷達結果基本符合，說明TST預報結果是準確的，根據表2預報結果所作的建議是合理的。

3 結論與經驗

在巖溶發育等地質構造復雜地區進行的超前預報工作一直是超前預報領域的難題。利用TST超前地質預報技術能夠對掌子面前方地質情況進行有效、準確地預報，克服了僅基于反射理論的超前預報技術(如TSP造成的誤報和漏報問題)。

在滬昆客專貴州段的多次超前預報工作中，TST隧道超前地質預報查明了掌子面前方150 m預報范圍內的地質情況，對巖溶裂隙、溶洞的分布范圍、規模以及發育情況的預報與實際情況基本一致，為提前采取支護措施提供了準確的地質依據，避免了工程事故的發生。

TST方法在巖溶地區的數據處理比較靈活，需要掌握好偏移圖像和速度掃描曲線的對應關系。在實踐中不斷積累經驗，就能得到比較理想的預報結果。在TST操作中有如下經驗:

1)速度掃描過程分整體掃描和分段掃描2個步驟。整體掃描可以快捷地把握預報地段圍巖波速的分布特點，包括最優波速、次優波速和速度大致分段特點。

2)整體掃描的第1個目的是尋找最優和次優波速。速度掃描中會出現幾個能量高的極值點，其中能量最高的點對應的波速為最優波速，它表示有較長地段的圍巖適合該速度;能量次高的點對應的波速為次優波速，它代表有較短地段的圍巖適合該波速(一般選擇1～2個次優波速)。整體速度掃描中速度步長一般選為200m/s。

3)整體掃描的第2個目的是確定圍巖波速分段，這是整體掃描最主要的任務。波速分段的原則是依據掃描中能量極值點的多少來決定;最優波速對應的分段長，次優波速對應的分段短。

4)判斷掃描中最優和次優波速適合的地段是依據偏移圖像疊加的效果。偏移圖像中速度適合的地段反射界面連續性好，疊加能量大，紅藍線條相間分布。如果速度選擇偏低，將出現過多的藍色條紋，反之將出現過多的紅色條紋。

5)按照上述原則，首先尋找最優波速適合的較長地段，然后再逐次尋找次優波速適合的地段。整體掃描中分段的主要目的是確定最優、次優1和次優2等各波速分布的前后次序，分段的具體位置需要在分段掃描階段來確定。

建議逐漸建立典型地質條件的偏移圖像樣本庫，方便初學者利用前人的經驗進行地質狀況判讀。

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