TST與CFC技術在寶林隧洞TBM掘進超前地質預報中的應用

李 雷，姚琦發

（1.中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.北京同度工程物探技術有限公司，北京市 100000）

0 引言

由于在施工前所得的地質資料主要是通過地質調查、地面勘探和鉆孔測量等方法獲得的，很難充分了解掘進面前方不良地質體的情況，在寶林隧洞進口鉆爆段發生突水突泥事故時，影響到施工安全和工程進度。

傳統地質調查法對于構造比較復雜的地區和深埋隧道的情況，其工作難度較大[1]，準確性難以保證，必須借助于物探方法，才能取得較好的效果[2]。在物探方法中，探水常用的地質雷達（GPR）檢測方法[3]，由于雷達記錄易受洞內側壁和金屬機具的干擾，尤其是需要占用掌子面，不能適應TBM工況[4]。常規反射地震預報方法對于TBM工況也不能良好適應[5]，許多占用掌子面觀測的方法被排除，且震源不能使用炸藥[6，7]。

為了避免工程事故的發生，中國水利水電第六工程局采用綜合物探法進行超前預報，結合TST地震波法（采用TD-IS沖擊震源）和CFC電磁波反射法預報TBM工作面前方地質構造、圍巖性狀及圍巖含水發育情況，對圍巖級別進行動態劃分，便于及時采取相應措施通過不良地質區域，為TBM施工提供科學的指導依據，確保了施工安全。

1 方法原理

1.1 TST方法原理[8]

隧洞地質超前預報系統TST（Tunnel Seismic Tomography），是隧洞散射地震成像技術的簡稱，其觀測系統采用空間布置，接收與激發系統布置在隧洞兩側圍巖中（見圖1）。地震波由小規模爆破、電火花或沖擊震源產生，并由地震檢波器接收。TST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，避免虛報誤報；同時，提供掌子面前方圍巖的準確波速和地質界面位置圖像。波速為巖體的工程類別劃分提供依據，界面用于地質構造解釋。

圖1 TST超前預報系統觀測方式平面示意圖

當地震波遇到巖石波阻抗差異界面（如斷層、破碎帶和巖性變化等）時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。數據通過地震波軟件處理，便可了解隧洞工作面前方不良地質體的性質（軟弱帶、破碎帶、斷層等）和位置及規模[9]。

1.2 CFC方法原理[10]

CFC是一種新的電磁波探水技術，是復頻電導率法的簡稱。CFC技術以含水巖體電導與電容率增大、波阻抗降低特性為基礎，使用100 kHz～10 MHz頻段電磁波進行探測。在含水巖體與干燥巖體接觸帶電磁波發生反射，依據接收點電磁波的相干特性來實現掌子面前方圍巖含水性的預測。

復頻探水技術使用中頻率電磁波，中心頻率為1 MHz，主頻段為200 kHz至10 MHz。電磁波的波長在10 m到500 m之間，波長等于探測距離。由于電磁波一個周期還沒有傳播完，反射波就回來了，分析方法不能像地質雷達那樣通過反射波的傳播時間來確定反射界面的位置。利用中頻探測時，入射和反射的電磁波在空間和時間上是相互干涉，相干的結果在發射點與反射面之間形成駐波，有波腹點與波節點。對于含水界面，反射波具有半波損失，并且波腹的相干條件是從接收點到反射界面的距離是1/4波長的奇數倍，波節點的條件是1/2波長的整數倍。對于不同的頻率，波腹、波節點的位置是不同的。也可以說，對于確定的反射界面，不同接收點的相干頻率是不同的。在波腹點可得到最強的記錄，獲得相干頻率。利用頻率-距離的1/4波長原理，建立起反射波相干頻率法。從觀測記錄中頻譜分析的極值點中，可發現接收點位置的相干頻率，依據λ/4波長原理，就可獲得含水體的位置。相干幅度的大小，反射波的強度，都與含水量相關。

2 寶林隧洞應用實例

2.1 工程概述

寶林隧洞屬于湖北省鄂北地區水資源配置工程，是從丹江口水庫清泉溝隧洞進口引水，向沿線城鄉生活、工業和唐東地區農業供水，解決鄂北地區干旱缺水問題的一項大型水資源配置工程。

隧洞穿越區地面高程100～748 m，屬于丘陵-低山地貌類型。隧洞穿越的地層主要有：下元古界紅安群七角山組白云鈉長片麻巖、鉀長片麻巖，分布在樁號：244+650～247+070之間；太古界桐柏山群新店組混合片麻巖，分布在樁號：247+070～251+450之間；太古界桐柏山群黃土寨組黑云奧長混合片麻巖，分布在樁號：251+450～258+490之間。

洞線褶皺主要為關門山倒轉復式背斜的次一級背斜，背斜軸線樁號：247+700左右與線路相交，軸線走向為310°～320°，兩翼出露地層為太古界桐柏山群新店組混合片麻巖和黃土寨組黑云奧長混合片麻巖，南翼被孫家畈—廣水逆斷層所斷，構造不完整，連續性被破壞。

2.2 儀器設備

TST系統硬件包括地震信號采集系統和地震震源兩部分。信號采集系統由數字信號記錄器、檢波器及連接線纜組成。該項預報的震源采用了TDIS編碼沖擊震源。地震信號記錄器24通道，24位A/D轉換，最大采樣頻率156 kHz，最大采樣長度100K。檢波器為內置IC放大器的壓電晶體帶阻尼，頻帶 0.5 Hz～5000 Hz。

TDIS編碼沖擊震源是一種新型震源（見圖2）。它的工作原理是通過編碼控制震源的重復頻率，通過相關處理將小能量信號累集成大能量信號，提高信噪比。

圖2 TDIS編碼沖擊震源之圖示

沖擊震源的優點是使用方便，不用打孔，不破壞洞壁。

在該項預報中，沖擊震源使用的參數為：重復頻率2～8次/秒，沖擊時間50 s，沖擊次數250次/點，沖擊能量為1.2萬焦耳/點。

該項CFC工程實例使用的北京同度工程物探技術有限公司研究的發射機與電磁波數字采集儀（見圖3），技術參數如表1所列。

圖3 CFC激發與接收儀器之圖示

表1 CFC儀器技術參數表

2.3 TST測線布置

此次TST數據采集采用如下觀測方案：（1）檢波器8個，布置在兩側壁內，每側4個，間距2.0 m。（2）震源激發8個點，布置在兩側壁，每側4個。除每側第1個震源孔距檢波器2 m外，其余激發點間距均為8 m。（3）檢波器采用手槍鉆打孔，用快粘粉進行耦合。圖4為TST激發與接收方式示意圖。

圖4 TST激發與接收方式示意圖

2.4 CFC測線布置

CFC探水技術是通過發射電磁波、接收電磁波并確定相干頻率來實現的。用偶極子天線來發射與接收電磁波，并且天線用埋在隧道左右兩側的電極。一組發射，3組接收。發射與接收天線排成陣列觀測方式。陣列接收的目的是改善觀測系統的方向性，從而增強掌子面前方的信號，壓制側向信號。成像的方向性隨接收的電極的增加而增強。電極埋設于圍巖中，并與圍巖緊密接觸，確保傳導電流與位移電流同時起作用，這與傳統的雷達天線不同。一對電極發射，位置不變，另一對電極移動接收，每發射一次，接收電極移動一次。結合多次發射和接收，形成一個完整的陣列。發射與接收電極分布于圍巖中，有效地減小隧道內各種干擾，提高信噪比。

CFC觀測系統方案具體布置，如圖5所示：（1）3 對接收電極，分別為 M1N1、M2N2、M3N3，排列在兩個側壁上，每側3個，間距10 m，電極埋深1.8 m。（2）1對發射電極AB，布置在兩側壁內，每側1個，距離接收電極10 m，埋深1.8 m。（3）發射電極和接收電極長度2 m。（4）發射電極和接收電極需要與圍巖很好地耦合。

圖5 CFC激發與接收位置示意圖

2.5 預報結果與地質解釋

外業工作結束后隨即轉入室內資料整理及解釋工作，即時對當天采集數據進行分析、整理并檢查和復核。在此基礎上對所采集的數據進行綜合分析、評價。然后轉入數據處理。

TST的資料處理流程分為5大步驟，包括資料預處理、觀測幾何系統編輯、方向濾波與波場分離、圍巖波速分布掃描分析、地質構造偏移成像和地質解釋預報等環節，處理流程如圖6所示。圖7為TD-IS沖擊震源激發合成的彈炮記錄匯總圖。

圖6 TST資料處理流程圖

圖7 TD-IS沖擊震源激發合成的彈炮記錄匯總圖

CFC室內資料整理及解釋主要經過記錄選取、數據預處理、觀測系統幾何位置編輯、頻譜歸一化、CFC電磁波速掃描、CFC合成孔徑偏移成像計算等過程。

根據能量最大化原理進行圍巖電磁波速掃描，得到預報區段隧洞圍巖電磁波速為0.158 m/ns，相對介電常數為3.605左右，說明絕大部分圍巖處于弱含水狀態。

數據處理結果得到寶林隧洞掌子面樁號：248+962前方100 m圍巖含水結構的CFC偏移圖像。為了方便解釋，現將TST和CFC的計算圖像拼在一起，如圖8所示。

圖8 TST圖像（上）與CFC圖像（下）對照圖

通過對綜合成果的分析，并結合掌子面地質觀察，根據圍巖波速的判定與地質體構造偏移圖像與特征波速的對應關系，得出該項預報不良地質體的分布統計如表2所列。

2.6 現場地質素描

在洞身掘進至樁號：248+962～24+932里程段，洞身圍巖與設計圍巖（II級）相差較大，實際為揭露地層巖性為青灰色片麻巖，裂隙發育，沿裂隙面有線狀涌水（見圖9）。圍巖類別為Ⅲ類。

圖9 局部圍巖裂隙線裝涌水之實景

表2 不良地質體統計表

由開挖驗證可以看出，此次CFC預報結果與實際開挖情況較為吻合，預報含水段圍巖位置的誤差較小。

3 結 語

結合寶林隧洞的工程實例，闡述了TST與CFC綜合物探法的原理和實際應用情況。該輸水工程隧洞埋深超過90 m，隧洞處于裂隙水以下，被逆斷層所斷，構造不完整，連續性被破壞，施工安全和工程質量受影響較大，所以有必要對隧洞前方的地質情況進行預報。通過實踐證明：TST與CFC綜合物探法探測距離大，達到100 m，分辨率高，可分辨1～3 m的含水破碎帶；不占用掌子面，并可有效地避免隧道內金屬機具的電磁干擾；適用于TBM工況，具有實用性和推廣前景。