散射地震波CT技術在某隧道超前地質預報中的應用

易 威，代 勇

(華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640)

1 情況介紹

隧道施工過程中經常會遇到各種地質災害，這些災害在設計勘察的時候通過地質素描、超前鉆孔等手段進行了一定程度的預測預報，但由于巖體的復雜性，設計勘測結果有時會和實際情況有些差異，像遇到巖層斷裂破碎、富水淤泥、巖溶溶洞等災害地質時如果不能夠準確預報，便會給工程造成較大損失。預報掌子面前方的地質構造和含水性，對保障施工安全具有重要作用，已成為隧道施工有效的技術環節。

目前隧道地質超前預報分為地質方法和地球物理方法兩類。其中地質方法包括地質素描、超前鉆孔等，預報距離大概在15 m以內，適合短程預報。物探方法包括地震反射法、瞬變電磁法等，電磁法更適合中程距離預報，當前超前地質預報以地震反射波法為主。地震反射波法主要有 TSP，TGP，TRT，TST等各種方法，其中前三個主要基于反射理論，20世紀90年代初我國開始從瑞士引進使用TSP法，該法與國內近年來使用的TGP法相似都存在一些問題，如不能準確分析前方圍巖波速，采用零偏移距不能有效濾除側向回波，不能區分不同方向的回波和消除側向干擾波，不能準確確定掌子面前方圍巖波速分布和反射體的準確位置，在沒有濾除干擾波的前提下進行縱橫波分離和偏移成像，得到的結果往往不真實，使偏移圖像包含虛假信息。這些技術缺陷最終導致預報位置不準確，構造圖像不真實，給超前預報工作帶來更大的風險，造成預報不準確現象。而基于逆散射理論的CT成像技術(又叫TST技術)則對以上問題能夠更好地解決，逆散射理論之所以好是因為散射理論具有普遍性，反射理論僅是散射面無窮大時的一種特殊情況，散射理論具有更高的分辨率。基于地震散射場理論，觀測系統采用空間布置方式，接收與激發系統布置在隧道兩側圍巖中。地震波由小規模爆破產生，并由地震檢波器同步接收。該方法可有效地判別和濾除側面和上下地層的地震回波，僅保留掌子面前方回波，運用偏移疊加能量最大化原理確定最優偏移速度，并能同時顯示地質體的位置圖像。

2 散射地震波成像技術原理及觀測系統

2.1 技術原理

根據惠更斯—菲涅爾原理，當振動從某點激發向下傳播的過程中，地下任意一點都可以被當作二次振源，也可以被當作散射點。由該點發出的散射波在地表干涉、疊加最終被檢波器記錄。因此地震采集中記錄的信號并非單純的反射波，而是全波場，可以根據這一原理獲得散射模擬記錄。對于前方某個散射點，地震波從震源傳播到散射點，被散射點散射后，逆向散射部分從散射點傳播到地面，因此地面的每個接收點均能接收到來自散射點的信息。根據Bancroft和Geiger提出的等效偏移距偏移(EOM)的方法抽取共散射點道集，再應用克希霍夫積分公式可對散射波進行成像。通過對大量理論模型和實際資料的處理驗證，應用的散射信息越多，散射成像的效果越好，而且要好于反射波的成像結果。該預報系統是通過可視化地震反射成像技術預報隧洞掌子面前方150 m范圍內的地質情況，可推斷前方斷裂帶、破碎帶、巖溶發育帶以及巖體工程類別變化等地質對象的位置、規模和性質。該法充分運用地震反射波的運動學和動力學特征，具有巖體波速掃描、地質構造方向掃描、速度偏移成像、吸收系數成像、走時反演成像等多種功能，從巖體的力學性質、巖體完整性等多方面對地質情況進行綜合預報。其技術的核心包含5部分:①觀測系統的設計，為減小面波干擾，應將檢波器和震源埋入圍巖中深2 m以上;②地下三維波場分析識別、方向濾波與橫波分離，其檢波器布置在隧道兩側，滿足不同偏移距方向濾波要求，檢波器間距4～6 m，＜1/4地震波長，保證方向濾波精度，圖1為三維波場回波與方向濾波;③圍巖波速分析與地質構造位置的準確確定;④地震資料運動學和動力學信息的全面運用;⑤地質構造偏移成像與速度分布表述與解釋。

圖1 三維波場回波與方向濾波

2.2 觀測系統

系統硬件主要由地震信號采集器、地震信號記錄器、檢波器及聯結系統、爆炸裝置等幾部分組成，詳見圖2所示。

圖2 系統硬件組成

觀測系統的布置如下:①檢波器12個，布置在兩側壁內，每側6個，間距4.0 m，埋深1.5 m;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24.0 m，埋深1.8～2.0 m，炸藥量400 g。③采用直徑50 mm風鉆成孔，單發毫秒電雷管，采用起爆器控制起爆。④采用炮泥耦合封堵。詳見圖3。

圖3 CT成像技術激發與接收方式(單位:m)

具體方法如下:根據地質構造的走向情況，在隧道的左、右兩側邊墻激發地震波，同時在隧道的兩側邊墻布置12個檢波器(地震加速度傳感器)接收，采集數據時，檢波器只接收來自掌子面前方縱波分量和橫向的剪切波分量的混合波，采用方向濾波算法濾除橫向剪切波，只保留來自掌子面前方縱波分量，采樣間隔可設置為 62.5 μs，記錄長度設置為 451.125 ms(7 218個采樣數)，以保證采集到更高頻率的地震信號，確保探測的分辨率，最大預報距離為150 m。

隧道現場外業工作結束后隨即轉入室內資料整理及解釋工作，通過對現場采集的數據資料進行分析、整理并檢查和復核，即可對所采集的數據進行綜合分析、評價。TST室內資料整理及解釋主要經過地震記錄選取、地震數據預處理、觀測系統幾何位置編輯、地震波場方向濾波和分離、圍巖波速分析、地質體偏移成像、綜合地質解釋等過程，具體實現過程通過數據處理軟件系統TSTWIN完成。

3 某隧道地質概況

某隧道為上、下行分離的四車道高速公路隧道，隧道沿線地貌單元為構造剝蝕丘陵地貌，海拔高度一般為90.2～290.1 m(區內最高高程在 ZK50+860.0左130 m左右，高290.1 m，最低高程在隧道進口處，約90.2 m)，相對高差為199.9 m。隧道走向與區內山脊走向近于垂直。隧道進、出口斜坡坡度較緩，一般為5°～55°，進口 20°為主，出口 15°為主。區內植被較發育，水土保持較好。下伏基巖主要為泥盆系帽峰山組砂巖、粉砂巖，進出口溪流水位均低于隧道底高程。隧道所經過地區在區域構造上屬于粵中地塊，燕山期時期屬于加里東地槽褶皺帶，中、新生代屬于陸緣活化造山帶的一部分，出現了大面積的巖漿侵入。受多期構造運動的影響，斷裂構造較發育，褶皺構造欠發育，僅上古生界—中生界出現開闊型及部分閉合型褶皺，構造線多為北東—南西向，部分為北西—南東和近東西方向。未發現新斷裂構造和活動斷裂;近代無中強震記錄，屬于相對穩定地塊。適宜于高速公路的建設。

4 散射地震波CT技術在某隧道地質預報結果及解釋

CT成像技術的波速圖像與偏移圖像的地質解釋遵從如下規則。速度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;波速低代表巖體破碎，裂隙含水;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。深灰色條紋表示巖體由硬變軟的界面，淺灰色條紋表示由軟變硬的界面，深灰—淺灰—深灰組合表明存在斷裂或不良地質構造帶。從偏移圖像中可以清楚地看到斷裂構造、巖性界面的組合關系和地質結構圖像。根據巖體波速的分布可對隧道圍巖的工程類別作出更詳細的推斷，結合區內工程地質、水文地質特征，對含水性、圍巖物理力學參數、處治方案提出建議，供施工中參考使用。

某隧道右線 YK50+996—YK51+146地質體偏移圖像如圖4所示。圍巖波速分布見圖5。

利用上述地質預報成果圖并結合地質資料分析，可得出如下預報結果:

圖4 隧道地質構造偏移成像

圖5 圍巖波速曲線分布

某隧道右線YK50+996—YK51+017區段的地質情況分為2段，第1段從 YK50+996—YK51+047，圍巖波速相對較低，其中YK51+010—YK51+027區段穩定性和完整性較差;第2段從YK51+047—YK51+146，圍巖波速較高，巖體裂隙較少發育，穩定性和完整性稍好，其中YK51+067—YK51+117區段圍巖完整性較差，詳細情況如表1所示。

推測該隧道右線YK50+996—YK51+146區段長度150 m范圍內為IV級圍巖。

表1 某隧道右線地質超前預報結果

5 結論

基于散射理論地震波CT成像技術是目前較為先進的一種地質預報方法，解決了地震反射波法不能有效濾除側向回波和前方不良地質體的準確定位問題，通過散射地震波CT成像技術的運用，提高偏移成像與速度分析分辨率，對某隧道巖石破碎地帶、節理裂隙發育及巖石風化狀況進行了判定，預報結果和開挖后結果對比，基本一致。為隧道安全施工提供了依據，避免不必要的工程損失和事故。

［1］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.

［2］趙永貴.隧道圍巖含水性的超前預報技術［J］.地球與環境，2005，33(3):29-35.

［3］趙永貴.蔣輝.隧道地質超前地質預報技術現狀分析與新進展［J］.公路隧道，2010(1):1-7.

［4］陳建峰.隧道施工地質超前預報技術比較［J］.地下空間，2003，3(1):5-6.

［5］譙勉江.莫裕科.劉洪煉，等.TST技術在石棉隧道超前地質預報中的應用［J］.工程地球物理學報，2009，6(2):196-202.

［6］涂碧海，黃興，李克坤.超前地質預測預報技術研究［J］.鐵道建筑，2010(1):146-150.

［7］趙天熙.超前地質預報技術在西格二線關角隧道的應用［J］.鐵道建筑，2010(2):30-33.