TGP地震預報技術在隧道超前地質預報中數據異常原因分析及處理措施

魏軍科,趙少強,陳 濤,劉建國

(中鐵七局集團有限公司，河南 鄭州 450016)

TGP地震預報技術在隧道超前地質預報中數據異常原因分析及處理措施

魏軍科,趙少強,陳 濤,劉建國

(中鐵七局集團有限公司，河南 鄭州 450016)

隧道施工常采用地震反射波法采集地震波數據，受施工進度、地質情況、現場配合、操作人員水平等因素限制，使得很多采集到的數據出現異常。為提高數據采集質量，避免出現異常數據，通過TGP地震預報技術在鐵路隧道工程中的應用實踐，從觸發與裝藥、電壓(流)干擾、耦合不良、隧道管波、巖性變化5方面分析總結異常數據出現的原因，并提出相應的處理措施：1)提高裝藥質量；2)遠離高壓電纜及設備；3)保證成孔質量；4)做好注水和堵孔；5)重視基礎地質工作。通過采取以上措施，達到準確預報前方地質情況的目的。

隧道；超前地質預報；TGP地震預報技術；數據異常

0 引言

地震反射波法是工程物探中最可靠的方法之一，自20世紀90年代以來，該技術在寶中線頡河隧道、老爺嶺隧道、侯月線云臺山隧道和朔黃鐵路長梁山隧道等鐵路隧道施工中都有成功應用。受施工進度、地質情況、現場配合、操作人員水平等因素的限制，所采集的數據會出現異常，從而影響后續的數據分析及處理。如果沒有高質量的地震波數據，即使再好的處理手段和富有經驗的工程師，也無法準確地進行地質預報，而高質量地震波數據的采集是準確預報的前提和基礎。

原小帥等[1]研究了幾種常見的異常原始地震波波形特性和成因，并提出采取的相應措施；金榮杰等[2]從檢波器、觀測系統、干擾波的排除、觸發方式和耦合方式5方面介紹了保證現場數據采集質量的方法；袁壯麗[3]論述了運用TGP 超前地質預報技術在現場作業和數據分析中可能出現的問題和改進措施；王曉川等[4]指出在數據采集過程中產生異常信號的影響因素為外界脈沖信號干擾、電流干擾、不良耦合、管波干擾及裝藥質量，結合工程應用的反饋資料，分析預報結論產生誤差的原因，并提出解決措施；林朝旭[5]從激發裝置、接收裝置及參數選定3方面探討數據采集技術的重要性,并詳細闡述在堅硬巖、硬巖及軟巖隧道預報中采集參數的選定方法，通過工程實例說明如何獲得高質量的地震波預報原始數據。以上研究大多數從實測角度分析異常數據產生的原因，未從理論上深入、全面地分析觸發、裝藥、孔口流水、耦合不良、孔內注水及圍巖巖性變化對地震波原始數據產生影響的原因，并未針對性地提出相應的處理措施。

本文結合TGP地震預報技術在鐵路隧道工程中的應用實踐，從觸發及裝藥、電壓(流)干擾、耦合不良、隧道管波、巖性變化5方面對TGP地震預報技術異常數據出現的原因進行分析，并提出處理措施。

1 TGP預報原理

隧道超前地質預報系統(Tunnel Geologic Prediction)，簡稱TGP系統。該系統在施工間隙采用人工震源激發地震波，根據地震波在巖體傳播過程中遇到波阻抗差異界面會發生反射波和繞射波的特性，采集地震波傳播的數據，提取由隧道前方界面返回的地震波信息，并經過數據處理后，獲得三維空間的地質構造和巖性解釋。人工地震波是在激發孔中采用小藥量炸藥爆炸所產生，激發孔布置在隧道左壁或右壁的同一高度上，孔距為1.0～2.0 m，孔深為2 m，孔數一般為24個。地震波在三維空間傳播過程中，地震波記錄反射信號的傳播時間與到地質界面的距離成正比，反射信號的幅度和極性與相關界面的性質和產狀有關。通過分析各種波形的傳播時間、波形特征和幅度變化以及界面的空間產狀圖、偏移成果圖、比速度曲線和反射符號等成果，進行隧道的相關地質條件及圍巖物理力學參數的預報[6]。TGP系統工作原理如圖1所示。

圖1 TGP系統工作原理示意圖

2 觸發及裝藥

地震波信號要求準確與震源同步的條件下采集，嚴格做到觸發信號與震源同步，才能計算出圍巖速度。彈性波檢測常用的觸發方式有脈沖內觸發計時方式、脈沖外觸發計時方式、回線感應觸發計時方式和回線開路觸發計時方式等。TGP系統采用回線開路觸發計時方式，該方式是將回線綁扎在炸藥卷上，爆炸產生振動傳播的同時炸斷回線觸發采集，與毫秒延遲雷管的延遲時間沒有關系。觸發延遲記錄如圖2所示，裝藥不均和觸發失敗記錄如圖3所示。地震波記錄整體性較好，但是存在以下現象：1)圖2第21道存在同相軸超前；2)圖3第14道未接收到地震波信號；3)圖3第9道和第12道記錄的幅度小。

圖2 觸發延遲記錄

圖3 裝藥不均和觸發失敗記錄

分析以上3種現象的原因：1)圖2第21道記錄延遲較明顯。其原因是藥卷上綁扎的信號線松動或者松脫，造成藥卷爆炸的瞬間信號線沒有被炸斷，而是被遲后產生的爆炸氣流拉斷；因此，造成直達波時間短的異常現象。2)圖3第14道觸發失敗。主要是由于裝藥時觸發線脫離藥卷，電雷管引爆而觸發線未斷。3)第9道和第12道記錄振幅明顯小于其他各道。其原因為藥卷質量的分配不均，現場使用2號巖石乳化炸藥，單卷200 g，使用時一分為三，存在分配不均的問題。

地震波記錄的觸發與裝藥緊密相關，裝藥質量對記錄質量起著重要作用。解決以上問題可從3方面入手：1)用膠布纏緊綁有觸發線的藥卷，防止裝藥時乳化炸藥擠出或觸發線松脫；2)在聚能穴一側插入電雷管，并把聚能穴朝向孔底，增強對孔底的沖擊，增加橫波能量；3)采用精確計量工具，確定精確分段長度。

3 電壓(流)干擾

鐵路隧道內施工用電采用220/380 V“三相五線制”供電方式，動力設備采用380 V電壓，作業地段照明電壓為36 V安全電壓，隧道進尺較長時需要高壓進洞。若檢波器數據傳輸線纜與高壓電纜相距較近時，數據線就會感應到高壓電流產生的干擾信號，并在地震波記錄上有所顯示，如圖4所示。第1道記錄振幅明顯大于其他各道，造成后續處理時道能量均衡的難題，如圖5所示。其原因為：隧道爆破一般使用毫秒延遲電雷管，起爆時充電電壓瞬間需要達到上kV，同時產生很高的起爆電流，在起爆線周圍產生瞬間強磁場，引起單道記錄振幅變大。從圖4和圖5中可以明顯地看到地震波的初至波前干擾較多，幅度較大，直達波初至選擇困難。這是由于激發孔注水時，水壓過大，孔中水流出，沿觸發線與同步線間的連接夾子流下，引起觸發感應造成。

圖4 高壓干擾

圖5 起爆電流和孔口流水干擾

現場施工中可嘗試以下措施來克服干擾：1)地震波信號采集過程中盡量避免檢波器傳輸數據線與輸電電纜離得太近；2)觸發線遠離高壓電纜和大功率用電設備，與放炮母線保持較遠的距離，避免由此產生的電磁場干擾所采集的地震信號；3)注意觸發線夾緊同步線后，夾子避開孔中的流水及雷管腳線與觸發線裸露的接頭，以減少直達波之前的干擾。

4 耦合不良

接收檢波器與鉆孔巖體密切接觸是保證地震波信號采集質量的關鍵，是實現準確預報的基礎[7]。地震波超前預報中，需將檢波器放入深度為2 m的鉆孔中，這就需要檢波器通過某種方式或介質與孔周巖體緊密接觸，以實現地震波的良好接收。TGP系統采用耦合劑使檢波器直接與鉆孔壁耦合，常用耦合劑為專制黃油卷。耦合不良記錄如圖6所示。圖6中，前7道記錄采集時孔內未放置黃油卷，明顯可見記錄上“毛刺”較多，數據質量較差；隨后重新清孔后裝入黃油卷，后面13道記錄未出現“毛刺”，數據采集質量較高。“毛刺”的形成主要是由于在受震條件下，檢波器與圍巖耦合不良，產生高頻自震(寄生振蕩)，形成干擾波，干擾波與地震波信號同時被檢波器所接收引起。

圖6 耦合不良記錄

由于風動鑿巖機鉆孔時釬子較長，鉆進過程中容易“漂移”，導致鉆孔略有彎曲。在將黃油卷裝入孔中時，孔壁阻力引起黃油卷膨脹，形成活塞效應，使黃油卷難以裝到孔底，即使強行裝到孔底，黃油沿程損失較多，導致耦合效果不良。解決這個問題的措施有：1)鉆孔時盡量采用短的釬子，首選3 m長的釬子；2)裝黃油前用高壓風水清孔，保證孔道通暢；3)發現有縮孔、塌孔現象時，及時擴孔或重新鉆孔。

5 隧道管波

北京水電物探研究所所長劉云禎研究發現，激發炮能量泄放到隧道內的聲波被接收孔中的檢波器接收，成為地震記錄中的干擾波，并將其命名為“管波”(見圖7)。隧道管波分為2種形式:1)由激發炮孔直線傳播到檢波器，為直達隧道管波；2)泄放到隧道中的聲波經對側洞壁反射再傳播到檢波器，形成反射隧道管波，為直達隧道管波后面的續至波。2種隧道管波在記錄上的時間差與隧道寬度有關，寬度大則時間差大。2種隧道管波的疊加部分黑色加重，表示干擾波的能量加強，干擾更為嚴重[8]。

圖7 隧道管波

隧道管波會嚴重影響預報結論的準確性，為消除隧道管波的影響，在現場可采取以下措施。

1)注水。由于水的可壓縮性較差(在100 MPa作用下，水的密度變化僅為5%左右)，通常被作為不可壓縮介質[9]，因此，炸藥在水中爆炸時，既有利于地震波傳播，又能減弱爆炸聲波向隧道內泄放。

2)堵孔。堵孔分為2種。1)采用高衰減材料堵塞接收孔，使檢波器避免接收管波，現場采用專用橡膠塞周圍纏上軟紙堵孔；2)采用炮泥或錨固劑堵塞激發孔，使激發能量很少泄放到隧道中。

3)增大偏移距。偏移距是炮點與接收點的最小距離，與預報距離有關。在滿足激發能量的條件下，偏移距增大時，管波到達時間隨之增大，推遲了它對有效反射回波的影響，增大了預報距離；偏移距過小，P波和S波的到達時間相差太小而無法分辨，直接影響S波(后續波)的讀時精度和速度的準確性。現場實際操作時，根據掌子面距二次襯砌端頭的距離，一般在20～30 m間選取。

6 巖性變化

在斷層影響帶、不整合接觸帶、隧道進出口段施工時，巖石物理力學性質差異較大，當激發孔剛好位于這些段落時，數據采集質量較差。圖8和圖9為在隧道斜井洞口段左右邊墻分別打眼放炮采集到的數據。可以明顯地看到，2組數據極為相似，波形初至呈折線變化，同時，波形振幅大小極不均勻，表現出巖體軟硬相間的性質，造成炮孔段基準速度選取困難，而TGP系統是以炮孔布置段巖體的“視速度”參數為計算的依據[9]。根據地震回波的時間來預報結構面的存在，容易導致預報結論產生距離誤差[10]。

圖8 紙坊隧道斜井左Fig.8 Data acquired from left side wall of inclined shaft of Zhifang tunnel

圖9 紙坊隧道斜井右Fig.9 Data acquired from right side wall of inclined shaft of Zhifang tunnel

在圖8和圖9中，紅線與綠線表示出激發炮孔段巖體速度存在較大差別，進而引起巖體力學參數的差異(巖性變化段巖石力學參數取值見表1)。其原因為由波形初至分析巖性變化或不同風化的變化，是依據初至波在“時間空間域”的斜率變化判斷的。在巖性變化段和風化變化段，如何正確地選取初至波速是準確預報的關鍵，在該段，以記錄分析地震波傳播方向和傳播路徑上靠近紅線或綠線表示的速度為準。如圖8和圖9中表現出洞口段縱波速度低(綠線)，遠離洞口的縱波速度高(紅線)，可以得出預報處理中應選擇相對高的速度(紅線)參與計算。

在巖性交替變化段預報時可采取以下措施：1)做好基礎地質工作，研讀工程地質勘查資料和區域地質志等，在前期預報時調整預報距離，人為將激發孔避開這些段落布置；2)適時采取地質雷達、超前鉆探或電法地面勘查等手段作為輔助預報方法，充分發揮不同技術的長處；3)做好地質素描工作，建立圍巖性質與波速關系，在處理數據時以此為據進行校正[4]。

表1 巖性變化段巖石力學參數表Table 1 Mechanical parameters of rock in lithology changing section

7 結論與討論

隧道地震波預報技術是一種正在迅速發展的技術，在觀測方式、數據采集等理論與技術層面上尚有進一步研究和改進之處。在某鐵路隧道施工實踐中，采取了本文的數據采集方法，取得了較好的原始數據，節省了后期數據處理時間，并及時準確地提供了有關掌子面前方和周圍地質條件變化的信息，預防了地質災害，保證了隧道施工的安全。但在鐵路隧道超前地質預報工作中，尚有以下需深入分析和研究的問題。

1)隧道施工常見軟弱圍巖為Ⅳ級和Ⅴ級圍巖段落，一般采用二臺階法開挖，圍巖軟弱時，一般采用三臺階法。臺階法施工上臺階長度很短，導致激發孔布置在上下臺階，很難布置在同一條水平線上，這與“炮檢互換”的基礎原理存在一些出入；地震波預報現場隧道一般需具有70～80 m的距離，而在軟弱圍巖段，二次襯砌距掌子面距離縮短，導致激發炮數量減少、炮孔距離減小、偏移距減小。這些問題的出現，影響了數據采集的質量，間接地縮小了地震波超前預報技術的應用范圍。要解決以上問題，就需要擴展TGP系統的預報功能，以適應復雜地質條件下對應的不同施工方法，取得高質量的基礎數據。

2)隧道開挖后，隧底是否存在地質隱患，如溶蝕巖溶或隱伏斷層等，對于隧道施工及運營安全至關重要。目前地震波法與電磁波法為隧底隱伏巖溶探測常用技術，地震波映像以地震波傳播過程中遇到界面發生反射、繞射和幅頻變化等特征，實現連續的剖面調查，達到探測隧底未揭露地質病害的目的，其采集方法和資料與地質雷達類似。可嘗試將地震波映像技術與TGP地震波預報技術集成一起，拓展TGP系統的功能，實現在裂隙發育、富水等復雜地質條件下，既可以超前探測，又可以探測隧底隱伏地質隱患，充分發揮綜合物探技術優勢，多方位、高質量地獲得原始數據，更準確地反映隧道地質情況。

[1]原小帥，張慶松，許振浩，等．TSP 超前地質預報異常地震波信號[J].山東大學學報:工學版，2009(4):57-60.(YUAN Xiaoshuai,ZHANG Qingsong,XU Zhenhao,et al.Abnormal seismic signals in the TSP advanced geological prediction [J].Journal of Shandong University：Engineering Science,2009(4):57-60 .(in Chinese))

[2]金榮杰，馬會嚴.淺談隧道地震波超前預報中的數據采集[C]//第十二屆全國工程物探與巖土工程測試學術交流會論文集.上海：中國建筑學會，2011.

[3]袁壯麗.淺談復雜地質隧道施工中TGP超前地質預報技術的運用[J].科技創業,2009(2):160-162.

[4]王曉川，康勇，夏彬偉．對提高TGP隧道地質預報系統準確性的分析[J]．物探與化探，2012(1):157-162.(WANG Xiaochuan,KANG Yong,XIA Binwei.An analysis of accuracy improvement for TGP tunnel geological prediction system[J].Geophysical and Geochemical Exploration，2012(1):157-162.(in Chinese))

[5]林朝旭．隧道地震波超前預報的數據采集技術[J]．物探與化探，2010(5):112-115.(LIN Chaoxu.A tentative technical discussion on data acquisition for tunnel advanced geological prediction[J].Geophysical and Geochemical Exploration,2010(5):112-115.(in Chinese))

[6]張華為，孫圣，朱自強.隧道地質預報的資料分析與應用[J]．物探與化探，2013(3):190-193.(ZHANG Huawei,SUN Sheng,ZHU Ziqiang.Data analysis and application in tunnel geological prediction[J].Geophysical and Geochemical Exploration,2013(3):190-193.(in Chinese))

[7]劉云禎，梅汝吾．TGP隧道地質超前預報技術的優勢[J].隧道建設，2011，31(1):27-38.(LIU Yunzhen,MEI Ruwu.Advantages of TGP advance geology prediction technology in tunnels[J].Tunnel Construction,2011，31(1):27-38.(in Chinese))

[8]劉云禎．論隧道管波對隧道地質超前預報的影響[C] //全國地下工程超前地質預報與災害治理學術及技術研討會論文集(Ⅲ).青島：中國巖石力學與工程學會，2009.

[9]楊水波.水壓爆破技術在隧道施工中的應用[J].福建建筑，2008(4):54-56,64.

[10]劉云禎． TGP隧道地震波預報系統與技術[J]．物探與化探，2009(2):61-68.(LIU Yunzhen.TGP tunnel seismic wave forecast system and its technology [J].Geophysical and Geochemical Exploration,2009(2):61-68.(in Chinese))

AnalysisonAbnormalDatainTGPAdvanceGeologicalPredictioninTunnelingandCountermeasures

WEI Junke,ZHAO Shaoqiang,CHEN Tao,LIU Jianguo

(ChinaRailway7thBureauGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

Seismic reflection wave is widely used in advance geology prediction in tunneling.Due to the restrictions of construction schedule,geological condition,site cooperation and operators level,however,a lot of data acquired in TGP geology prediction are abnormal.In the paper,the causes for the abnormal data are analyzed in terms of triggering and charging,voltage (current) interference,coupling,tunnel tube wave and lithology changing,and countermeasures,including 1) improving the charging quality; 2) keeping TGP prediction far from high voltage cables and equipment; 3) ensuring the borehole quality; 4) doing a good job in water injection and hole plugging; 5) paying more attention to the basic geological works,are proposed.

tunnel; advance geology prediction; TGP seismic wave prediction technology; abnormal data

2014-02-11;

2014-03-24

魏軍科(1979—)，男，陜西咸陽人，2009年畢業于西南交通大學，土木工程專業，本科，工程師，從事隧道與地下工程技術管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.015

U 45

B

1672-741X(2014)05-0489-05