華南地區某在建隧道復雜地質情況超前地質預報

盧奮強 黃 涵

1.廣西金盛交通勘察設計有限公司，廣西南寧 530028；2.廣西交通規劃勘察設計研究院有限公司，廣西南寧 530000

我國的華南地區為多山地區，隨著經濟社會的發展，及土地矛盾的日益尖銳，大量的公路鐵路隧道穿越高山丘陵地區，解決了土地問題的同時，增加了公路鐵路施工的難度，隧道穿越地質條件復雜、斷裂帶發育、巖溶發育及地下水豐富地區的同時也帶來了塌方、冒頂、巖爆、軟巖蠕變、巖溶及突泥突水等一系列問題，故在擬建隧道開挖前進行超前地質預報就顯得極為重要。

目前我國公路工程中超前地質預報主要以地表及掌子面地質調查結合地質雷達和TSP等物探手段為主，必要的時候采用超前水平鉆探的方法查明掌子面前方圍巖情況。

地表及掌子面工程地質調查，是傳統的隧道超前地質預報技術，通過對隧道區的工程地質條件如地形地貌、地層巖性、地質構造、新構造運動、水文地質的調查，從而掌握隧道區各種不良地質體的發育情況，預測隧道掌子面前方的不良地質體，避免事故發生。

通過工程地質調查來進行超前預報是一種比較有效的方法，但是其對預報人員的專業技能要求較高，且在隧道埋深較深、巖溶發育區等地質條件相對復雜的區域，這種方法的準確性就降低了，需要借助地球物理的方法來進行綜合超前預報。地質雷達法是目前公路隧道超前預報中一種常用的預報方法，它主要利用電磁波作為預報手段，因其操作方便，分辨率高從而被廣泛的應用，其缺點是易受金屬干擾，且預報里程較短。地震波法超前地質預報，是利用地震波中的縱波和橫波的信息來探測隧道掌子面前方圍巖情況，比起電磁波法，其預報里程較長，有較強的抗干擾能力。由于本次研究對象范圍較大，電磁波法不能全面的反映掌子面前方圍巖發育情況，故本文采用地震波法來進行預報。

1 工程概況

隧道地處低緯度區，屬亞熱帶季風氣候，所屬地貌為低山地貌單元，山體坡度較大，一般為40°～ 60°之間，局部地區達到70°，相對高差約為198m。地層巖性主要為第四系全新統碎石及殘坡積粉質粘土，下覆全風化～微風化鈣質砂巖及中風化石灰巖。

圖1 工程地質剖面圖

碎石土母巖以砂巖為主，濕，稍密，由粉質粘土及粗砂填充，層厚約5.0m，僅在部分地區零星分布。鈣質砂巖為紅褐色～灰黑色，強風化鈣質砂巖巖石結構部分已被完全破壞，巖芯呈碎塊狀～短柱狀。中風化鈣質砂巖完整性較差，巖芯呈短柱狀～長柱狀，局部垂直裂隙發育。擬建隧道地區發育的石灰巖主要為中風化，灰白色～深灰色，隱晶質結構，巨厚層狀構造，受區域構造運動的影響，巖體破碎，節理裂隙發育。

根據地表調查，隧道穿過一環形斷裂，該斷裂為壓扭性，且陡傾坡外，斷層下盤為二疊系石灰巖，屬于強巖溶發育區，斷層上盤為三疊系中統鈣質砂巖，巖層節理裂隙發育，巖體破碎。

經前期地表調查及現場鉆探發現隧道部分溝谷地表水發育，水質清澈，常年流水。地下水埋藏較深，勘察階段僅有個別鉆孔中發現地下水，地下水埋藏深度約為3.5～20.5m。

2 TSP地震波法預報原理

TSP（Tunnel Seismic Prediction） 方法屬于地震波反射法，是目前隧道中長期超前地質預報的主要方法，它的特點在于能夠同時接收地震反射波中的縱波和橫波，且分辨率較高。它的工作原理如下：先將震源點即炮點布置在隧道邊墻上，通常選擇隧道軸向與地層或構造走向成銳角的邊墻，炮點數量一般為24個，然后用小量炸藥依次激發產生地震波，地震波向掌子面前方傳播，當它遇到斷層、破碎帶，巖性變化時，其波阻抗會發生明顯變化，形成波阻抗差異界面，一部分地震波會被這個界面反射回來，一部分地震波會繼續向前傳播，反射的地震波信號通過兩個高分辨率多波多分量傳感器接收，并經過模數轉換以數字形式存儲在電腦中（圖2） 。通過專用軟件將采集好的原始炮數據進行處理，并與掌子面地質素描相結合進行綜合分析，即可預測隧道掌子面前方是否存在不良地質體（如軟弱巖層帶、破碎帶、斷層、含水巖層、溶洞等） ，并可以大致判斷它們的具體位置及規模。

3. 現場數據采集

2016年12月6日在華南地區某在建隧道進行TSP地震波法地質預報，預報掌子面里程樁號為K118+631，由掌子面向小里程方向進行預報，儀器采用瑞士產TSP 303 Plus型。數據采集時，設計激發震源24炮，采用2個X-Y-Z三分量接收器同時接收，儀器采樣間隔41.66μ s，記錄長度500ms。震源采用無爆炸延期的瞬發電雷管，防水乳化炸藥，激發藥量為每孔100～150g。觀測系統參數見表1，觀測系統示意見圖3。

表1 觀測系統參數表

圖3 觀測系統示意圖

2個接收器靈敏度較高，周圍的噪聲和震動都會使數據接收的質量受到影響，因此，在進行放炮采集數據的過程中隧道內的所有施工都要暫停，并將無關人員全部撤離，以確保安全。

4. 數據分析解譯

4.1 數據處理

將采集好的數據通過Amberg TSP Plus專用軟件處理，軟件處理流程主要包括以下步驟：數據設置-濾波-初至拾取-炮能量均衡-Q因子計算-反射波提取-速度分析-深度偏移-反射層拾取。

其中，濾波包含兩個步驟：（1） 時變高截濾波，其作用是在信號頻率范圍內壓制空氣波噪音；（2） 帶通濾波，其作用是在信號頻率范圍內消除噪音振幅。

初至拾取的作用是確定P波的初至時間，使得P波速度得到校準。炮能量均衡的作用是通過對地震剖面進行一定的能量補償從而消除每炮之間的能量差異。Q因子即品質因子，其與衰減因子α和頻率f的關系為通過對Q因子的計算便能夠確定地震波的衰減因子。速度分析的作用是依據隧道模型創建地震波速度的三維網格模型，每個立體網格都有一個速度值，從而使探測范圍網格化。深度偏移的作用是通過計算從炮點到潛在反射點再到接收位置的最終的P波及S波的傳播時間，對最終的三維速度模型進行成像歸位，得到三維速度偏移模型。反射層提取的作用是從最終的三維速度偏移結果中提取主要的P波和S波的反射界面。

經過以上處理步驟之后，就得到了最終的處理結果。

4.2 結果解譯

本次得到的處理結果如圖4和圖5所示。

圖4 巖石屬性2D平面圖

圖5 P波2D平面圖和縱視圖

從圖中可以看到掌子面前方0～28m范圍內縱波波速、橫波波速、密度、靜楊氏模量都較小。

掌子面前方28～97m范圍內縱波波速、橫波波速、縱橫波速度比、泊松比、密度、靜楊氏模量較高。

掌子面前方97～120m范圍內縱波波速、縱橫波速度比、泊松比、密度、靜楊氏模量減小。

掌子面前方120～131m范圍內縱縱波波速、縱橫波速度比、泊松比、密度、靜楊氏模量高低起伏。

5 結語

通過現場調查，結合前期工程地質勘查，對比TSP解譯結果，得出如下結論：

（1） 掌子面前方0～28m圍巖較差，經地表調查分析認為其為淺埋段，地表風化卸荷作用強烈。掌子面前方28～97m圍巖完整性逐漸轉好。97～131m為斷層帶，圍巖破碎，縱波及橫波波速顯著降低。

（2） 在成果解釋中，應以P波資料為主，結合S波資料對隧道掌子面前方圍巖地質情況進行分析，應遵循以下原則：①若Vp減小，表明圍巖裂隙較發育或孔隙度較高；②若Vp明顯減小，而Vs不發生明顯變化，則表明巖層中含有流體；③若Vp，Vs都減小，但Vs減小幅度更大，即Vp/Vs明顯增大，則表明圍巖較破碎或較疏松。

通過以上實例說明基于地震波法超前地質預報技術可以對隧道工作面前方規模較大的不良地質體進行有效的預報。預報成果以二維視圖的形式進行展現，能夠直觀地反映異常的結構信息和空間信息，因此對于指導隧道施工具有重要意義。

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