某圍巖隧道工程中TST超前預報的應用研究

文∕何家范

1 牛埠坪隧道施工項目簡介

1.1 工程概況

通往連平的從化大光公路約178 公里，其中77 公里來自從化段。在這些隧道中，D4 合同段是一條14 米，12 米高的雙向6 車道牛埠坪隧道，左起為ZK161+393 至ZK171+820，右起為YK16+392 至YK16+900，在隧道施工過程將超前地質預測技術和臺階法結合使用，可以使施工作業人員快速預測掌握掌子面的地質情況，還能夠根據預測出來的數據資料來制定相對科學合理地施工方案。

1.2 氣象水文

本隧道線路區屬半濕潤大陸性季風氣候區，總體特征是冬冷夏熱，平均氣溫9.2～9.9C，年平均降雨量606.8～757.4mm，降水主要集中在6～8月，占該地區年降水量的70%左右，主要以暴雨形式出現；該地區冰凍期為11月中旬至翌年4月，最大凍土深度約為1.1 米。該線自北向南走向，區內水系以河流為主，為常年性河流，經地表繪制，隧道區附近沖溝有少量季節性地表匯水，匯水流量隨季節變化而變化，大氣降水后水量較大，以后逐漸減少，非雨季枯竭，2019年5月12日觀察水量10～15L/min。

2 TST 現場探測具體方法

本小節針對S30 段隧道左線出口ZK161+743～ZK16+643 段，對 TS 超前地質預報現場數據采集各環節進行了詳細介紹。

2.1 實地探測

測試中選擇了12 臺檢波器，位于隧道兩側邊墻與地面高1.5 米處，左右各6 臺，每個檢波器間距為4.0 米，每孔1.0 米。在距地面1.5 米左右的兩側墻內，爆炸源有6 個，每側3 個，其中掌子面上第一炮眼最靠近檢波器的位置為4.0 米；其余2個距離24.0米，孔深1.8 米，爆炸量300g。

2.2 現場地質情況測量和數據采集

TST 系統的觀測坐標需要更為精確的現場測量作為支撐，因此在測量過程中需要關注位置坐標、偏移成像、速度分布掃描等影響因素，確保以上問題不會造成精度過低的問題。在儀器安裝之后，各個震源激發孔與檢波器接受孔的坐標關系如下：

（1）以開孔里程計算坐標x 和 z 值；

（2）通過測量鉆深來轉換孔底坐標；

（3）測量檢波器孔的位置需要與掌子平面距離較近，以方便測量；

（4）對坐標數據安排專人統一用Excel 表格作記錄，表格中樁號應與坐標相對應，同時用圖文標解注明炮點和檢波器的編號和位置。

2.3 速度掃描和偏移成像

2.3.1 掃描速度

巖土速度掃描主要是由全局及局部速度掃描組成的，如果需要確定隧道附近圍巖波束的范圍，那么應在 TST 掃描前進行，一般為1km/s～5km/h。

2.3.2 構造偏移成像

（1）基于波場分離和速度掃描的地質構造偏移成像技術，由以下三部分組成：

設定預測里程區間，并設定色標參數；

（2）選擇涉及成像的地震射線；

（3）選擇一種速度結構，然后進行偏移成像。

2.3.3 方向濾波

方向濾波采用F-K 變換技術產生不同方向的回波。F-K 變換平面中，隧道上的下回波速度表觀最大，地震波信號主要分布在上方三角形區域。下三角形區域中，面波傳播速度最慢，隧道前回聲分布于中間三角形區域。

3 利用 TST 技術進行隧道工程超前地質預測的可行性分析

3.1 TST 技術在圍巖分類預報中的應用

彈性波速是采用 TST 法進行圍巖分類的主要依據。數據匯總后，可確定不同類型圍巖的速度區間，從而確定圍巖種類。《鐵路隧道規范》提出了按圍巖彈性波速及不同波速范圍劃分圍巖類型的方法。

TST 法的主要基礎是彈性波速。通過資料統計對比，以此來確定圍巖速度區間以及坡度。在鐵路隧道標準中，還提出了一種根據圍巖的彈性波速、范圍對圍巖類型進行分類的方法。計算隧道圍巖的彈性波速和圍巖坡度，得到隧道周圍巖石的地震速度分布散點圖，根據地震速度散點圖對圍巖進行分類，并分析數據分析的預測一致性。Ⅱ類圍巖的14 個感測段的事實上彈性波速度的預測價值3500～5000m/s，其中9 個感應間隔是64%的，預測價值符合標準的波速。圍巖41 個檢測區域的實際預測彈性波速為2000～4000km，其中30 個檢測區域的實際預測彈性波速為75%。其中，7 個檢測段的預期波速為70%。從圖3-1 可看出預報結果與施工過程中實際開挖的圍巖等級差異。

圖3-1 波速分布散點圖

從圖3-1 可以看出，預測的圍巖等級范圍與實際采掘的范圍有很大差異，在72 個 TST探測段中，有24 個巖體的預測等級和實際采掘的環境條件與48 個巖石相同，巖坡不匹配，預測精度為66.7%。通過對圍巖等級預測精度的分析，發現該模型在預測精度上以 V 級為最高，達到71.4%， IV 級最小，精度為50%。結果表明，在24 個預測錯誤斷面中，10 個斷面的圍巖等級比實際開挖斷面高43%，14 個斷面低57%。據上述統計數字，預期圍巖的級別會稍低。

3.2 使用TST 技術預測并確認地質異常和富水層

在隧道工程中，縫隙裂縫，斷裂帶和富水層是影響圍巖穩定性的因素很多，特別是隧道附近水位較低的地下水因素。容易發生地質災害。缺陷區域和富水層通常具有與周圍介質不同的獨特物理屬性，可以使用地震散射法（TST）來更準確地預測隧道中的分布。

以 ZK161 + 393～ZK151 + 557，YK155 +939～Yk156+695 近1.1 公里的隧道截面作為預測數據進行分析。表3.1 列出了對TST 先進地質預測的所有異常區域進行的72 個小斷面的比較分析結果，包括節理裂縫、地下富水層等，可較為直觀的對異常區TST 預報結果進行分析。

表3.1 異常區TST 預報情況

從表3.1 可得出TST 在不同地質情況下的超前預報準確率情況，經統計分析結果如表3.2。

表3.2 不同地質體預報結果的準確性

圖3-2 異常體預報數、準確數示意圖

如圖3-2 所示，節理裂隙帶和地下水豐度的預測精度分別為61%和71%。

4 結語

本文介紹了 TST 技術在隧道工程中的應用，并從現場數據采集、后期數據處理等方面闡述了 TST 地質預報的先進方法及技術特點。并對工程地質勘查的初步報告、采掘面地質描述及 TST 先進地質預測資料進行了對比分析，綜合認為 TST 提前地質預報具有較高的可信度。