TST技術(shù)在某隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

張 鵬

(安徽省路橋試驗檢測有限公司,安徽 合肥 230000)

0 引言

隧道超前預(yù)報對查清不利地質(zhì)條件、預(yù)報掌子面前方的不良地質(zhì)體和分布、保障施工安全具有重要作用，已成為隧道施工重要的技術(shù)環(huán)節(jié)[1]。地震法超前預(yù)報采集的是復(fù)雜的三維波場，回波來自四面八方，回波中包含縱波、橫波等不同性質(zhì)的波，每一個分量檢波器的記錄都是縱波與橫波的疊加。

由于隧道開挖而誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害具有復(fù)雜性、特殊性、突發(fā)性和災(zāi)難性，因此在開挖前進行超前地質(zhì)預(yù)報，探明掌子面前方一定距離的地質(zhì)段的圍巖特性，判斷圍巖的完整性、穩(wěn)定性、不良地質(zhì)體及分布，進而開挖前做好支護措施，保證隧道施工安全[2]。

1 TST技術(shù)原理

隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)TST(Tunnel Seismic Tomography)，是隧道地震層析成像的簡稱。接收與激發(fā)系統(tǒng)沿隧道二維陣列式觀測，且橫向展布，地震波由沖擊震源或小規(guī)模爆破產(chǎn)生，并由三分量檢波器接收。TST采用二維FFT變換進行波場識別與分離，對地震波信號進行波場分離和方向濾波，以濾除側(cè)向、頂板、底板地震回波，僅保留掌子面前方回波。在波場分離和疊加能量最大化法波速分析基礎(chǔ)上，采用合成孔徑偏移成像技術(shù)，對檢波器孔徑內(nèi)的散射信號進行延時疊加，對地質(zhì)分層面位置的反射界面進行準(zhǔn)確反映[3，4]。同時提供掌子面前方圍巖的準(zhǔn)確波速和地質(zhì)界面位置圖像，波速為巖體的工程類別劃分提供依據(jù)，界面用于地質(zhì)構(gòu)造解釋。

2 工程實例

構(gòu)皮灘隧道為分離式隧道，右幅起訖樁號為K31+515～K33+852，隧道穿越的地層巖性復(fù)雜多樣，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，場地巖土分布不均勻，性質(zhì)變化大。為此采用TST技術(shù)對右幅K31+857～K32+007段進行了超前圍巖性質(zhì)預(yù)報，預(yù)報掌子面前方150 m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，探明前方斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育帶、含水體、熔巖等等不良地質(zhì)體，判定不良地質(zhì)體的位置、形式、規(guī)模等，以指導(dǎo)工程安全施工。

2.1 現(xiàn)場測試布置

TST系統(tǒng)硬件由信號采集器、檢波器、震源及連接線纜等部分組成，見圖1。

本次TST地震波法觀測系統(tǒng)現(xiàn)場沿隧道兩側(cè)圍巖布置，L為最后檢波器離掌子面的距離，該距離控制在5.0 m之內(nèi)。空間采樣間隔小于1/4波長，滿足方向濾波要求，空間觀測總長度大于3個波長，滿足方向濾波要求。具體布置：

1)檢波接收孔8個，S1～S8布置在兩側(cè)壁內(nèi)，檢波器間距4.0 m，埋深1.8 m～2.0 m，離地面約1.5 m。

2)炸藥震源孔8個，P1～P8布置在兩側(cè)壁內(nèi)，每側(cè)壁分別4個，其中第1個震源孔P1與檢波器S1距離為4.0 m，震源孔P2與檢波器S8距離為4.0 m，其余每側(cè)震源孔之間距離為16 m，埋深1.8 m～2.0 m，離地面約1.5 m。

3)檢波器孔和震源孔均采用手風(fēng)鉆成孔，鉆頭直徑50 mm。采用炮泥耦合和封堵，現(xiàn)場放炮順序P1～P8。觀測系統(tǒng)測點布設(shè)示意圖如圖2所示。

2.2 測試數(shù)據(jù)處理

TST的數(shù)據(jù)處理流程可分為參數(shù)設(shè)置、預(yù)處理、波場分離、波速分析、偏移成像和地質(zhì)解釋等環(huán)節(jié)，處理流程見圖3。

2.3 地質(zhì)預(yù)報結(jié)果

現(xiàn)場經(jīng)過小規(guī)模爆破進行信號采集和數(shù)據(jù)后處理，得到掌子面K31+857前方150 m范圍內(nèi)的縱、橫波地質(zhì)體偏移圖像和圍巖波速曲線，分別如圖4，圖5所示。

地質(zhì)構(gòu)造偏移成像圖解釋：深灰條紋表示圍巖由硬變軟的界面，淺灰表示由軟變硬的界面。圍巖速度分布圖解釋：波速低表示圍巖破碎，彈性模量低；波速高表示圍巖完整、彈性模量高，波速圖像與地質(zhì)構(gòu)造圖像有很好的對應(yīng)性。構(gòu)造偏移圖像中反射條紋密集的地段，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)造發(fā)育，在波速圖像中對應(yīng)位置為低波速帶；構(gòu)造條紋少的地段，圍巖均勻致密，波速圖像中對應(yīng)高波速帶。

根據(jù)隧道前方圍巖波速分布測試結(jié)果，得出對圍巖性質(zhì)的判別見圖6。

根據(jù)圖6，K31+917～K31+932，K31+947～K31+967里程區(qū)間內(nèi)施工時，由于圍巖破碎、軟弱，巖溶發(fā)育并具有富水性，存在突水突泥的可能性極大，開挖時應(yīng)及時進行支護或噴錨，注意因爆破、機械振動等因素引起的圍巖松動，導(dǎo)致圍巖掉塊或坍塌，建議對該段實施超前水平鉆探，以進一步驗證前方圍巖情況及地下水發(fā)育情況；其他區(qū)段圍巖推測強度偏高，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖完整性一般，自穩(wěn)能力一般。

3 結(jié)語

根據(jù)實際開挖情況表明采用TST技術(shù)基本探清了預(yù)報既定范圍內(nèi)的地質(zhì)特征，探明了隧道掌子面前方軟弱巖層的位置、規(guī)模及節(jié)理裂隙發(fā)育情況，預(yù)報結(jié)果與開挖結(jié)果一致性較好，為提前支護措施提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)，避免了安全事故的發(fā)生。采用TST技術(shù)實現(xiàn)了地質(zhì)超前預(yù)報和波速精確分析，保證了地質(zhì)構(gòu)造定位的準(zhǔn)確性。