三維地震波超前探測方法在不良地質隧道工程施工中的應用

蔡一超，張 倩，羅 瑛

(1.云南省公路科學技術研究院，昆明 650011； 2.曹縣蘇集鎮中學，山東 菏澤 274400； 3.保山公路局，云南 寶山 678000)

1 隧道工程施工中的不良地質問題

隧道工程施工難度大，工程復雜，容易出現復雜的地質問題，如斷層碎裂、裂隙發育、軟弱地層、溶洞等，不良地質條件會影響隧道工程的施工安全，增加施工難度。針對隧道工程施工中存在的問題，可運用三維空間觀測、有效成像方法、三維地震波場響應技術等。本研究重點利用三維地震超前波技術，解決隧道工程施工問題，提出切實可行的質量保障措施。

1.1 不良地質特征

隧道工程施工現場的地質環境復雜，因此三維地震波場也十分復雜。三維地震波超前探測通過分析不良地質類型及地震波場的特性，對周邊的地質環境建立巖性分界面與不良地質模型，并進行地震波正演模擬，得出不良地質三維地震波的響應規律，利用正演數據對三維地震波成像方法進行評價，為隧道工程建設提供有效的施工建議[1]。隧道工程中的巖性界面是不同巖性的巖石交界處，經常發生不良地質災害，隨著隧道工程開挖，巖石的巖性發生變化，需注意支護方式。對巖性界面進行分析時，要利用技術對分界面裂隙、斷層走向與傾向及傾角進行分析。

1.2 斷層與溶洞問題

斷層需圍繞巖石破碎問題建設不良地質體，根據巖石破裂的情況采用合理的技術分析方式，預判圍巖破碎、穩定性等問題，避免施工塌方。

溶洞是指隧道工程的地質條件存在溶隙，即長度較長的巖溶腔體[2]，在對溶洞進行分析時，需利用地震波場檢測技術。溶洞內的填充物一般波速低、密度低，當溶洞尺寸較小時，地震波檢測會出現明顯的繞射現象，需利用技術分析的方式對溶洞的情況進行檢測。施工前，判斷干溶洞、填充溶洞的情況，基于地震波分析，干溶洞的反射效果較強，而填充溶洞含有的水分較為豐富，橫波反射強度比縱波強度更強。地震波超前檢驗的方式有助于做好施工控制方案[3]。

2 三維地震波超前探測技術方法

隧道工程施工中，隧道超前探測的結果具有多樣性，需要進行深入分析。利用隧道綜合超前預報的方式進行考察，加強地質考察結果的準確性；利用三維地震波超前探測方式進行地質條件的檢驗，對結果進行反復演練及結果推演；利用三維地震超前檢驗的方式，對地質預告方法進行約束檢驗；利用地震反射法、瞬變電磁法、增加紅外探水法、超前鉆探法、三維電阻率法及地質雷達法等對不良地質體的響應特征，進行探測結果的綜合分析[4]，在約束反演及聯合解釋過程中構建超前的綜合地質預報技術體系，提升隧道工程地質周邊環境預報的準確性，提升對隧道工程施工輔助的效果。

2.1 探測過程

對隧道工程地質條件進行分析，采用不良地質探測方法，針對地質結構的常見特點進行總結，分析傳遞反饋的結果，得出相應的結論。一是利用宏觀地質預報的方式，對隧道工程施工中可能遇到的不良地質類型、規模、大致位置等信息進行探究檢測，常用地質素描、推斷隧道前方地質情況等方式進行綜合的地質施工情況全方位調查。基于宏觀地質預報，可了解地質施工情況。二是利用超前鉆探法，對鉆探設備的前方鉆探情況進行調查，直觀了解施工中的巖體情況，準確判斷巖體的鉆孔情況，避免因鉆孔時間過長而干擾施工。三是利用地震波法超前進行地質預報，利用介質彈性和密度差異，觀測并分析巖層對于施工操作的反饋情況，推斷地下巖層的性質及形態。為掌握地層界面、斷層、大規模溶洞等不良地質體位置及規模，使用地震波法超前探究技術，達成100～150 m的探測距離。四是利用地質雷達法，使用高頻電磁波測評地質條件的含水性，分析介電常數的變化情況與含水性能，使施工人員清晰了解斷層、裂隙帶、碎巖體、巖性界面等地質情況。此雷達技術的探測距離較短，為15～25 m。

探測過程中，考慮到前端獲取地震資料數據有限，使用此部分數據作為隧道工程施工中的決策數據，無法直接反映隧道前方異常結構的空間分布與位置形態，因此，探測后需采取對應的措施，進行多渠道探測結果的成像，通過此方式，實現對探測結果的解釋。此過程中，明確探測結果反饋圖像具有三相偏移特點，成像過程中，需輔助計算機程序與軟件對不良地質環境探測數據的處理。處理過程如圖1所示。

圖1 不良地質探測數據成像處理過程Fig.1 Processing of poor geological detection data imaging

從圖1所示的處理過程中可以看出，探測數據處理與成像過程由兩部分構成，分別為數據的前期處理與處理后數據的成像。處理過程中，可根據信號攜帶的濾波，使用頻率濾波法，對雜波進行去除，以提高探測數據的分辨率。由于部分濾波的分辨率與有效波頻率較為接近，采用直接處理的方式，極易導致去除處理的過程出現偏差，因此可引進F-K聯合濾波處理方式，深度分析濾波的構成，并根據隧道復雜波場反射原理，進行地震波的高精度處理。本研究選用的處理方法為余弦邊帶通濾波處理法，處理中，結合頻譜隨時間的變化規律，使用函數進行濾波表達，采用對濾波進行時窗分段的處理方式進行分帶處理，此時地震波信號將被劃分成若干個區段，通過對段落的頻譜分析，掌握記錄區段的頻譜分布特征。將提取的特征規律導入濾波器中，通過此種方式，在去除濾波中雜波的基礎上，保留頻譜信號中的高頻率波部分，以提高淺層結構分辨率，從而確保濾波處理的準確性。獲取不良地質條件下的隧道地震探測成像結果，如圖2所示。

圖2 不良地質探測成像Fig.2 Poor geological detection imaging

為避免處理的濾波數據的進一步成像，可選擇一個相對固定的時窗，在時窗范圍內進行信號的傅里葉轉換，得到不同時窗下的精準頻譜。

2.2 不良地質隧道工程施工方案

以某地區隧道工程為例，結合三維地震波探測方法，進行不良地質隧道工程施工方案設計。此工程項目相關地質信息如表1所示。

表1 不良地質隧道工程概況信息Tab.1 General information of poor geological tunneling

相比其他類型的工程項目，隧道工程項目在施工中極易受到外界環境因素的影響，涉及的工程因素較多，需要在項目施工前，使用隧道地震波超前探測的方式識別巖體構造、界面、巖性等地質條件，掌握隧道斷面結構形態、斷面面積、隧道深度與開挖跨度，通過對探測數據的分析，掌握圍巖的等級、穩定性等物理參數，以此為依據，制定對應的工程施工方案。結合探測的結果數據，進行工程信息整理，分析隧道結構層中異常地質條件的分布，從而加強隧道工程定位，清晰識別水體賦存構造。在對探測結果進行分析時，一旦發現賦存構造存在問題，應結合實際情況，調整隧道工程的探測方向與角度，進行進一步探測，分析施工中可能對工程項目進度、安全性產生影響的因素，從而制定風險控制方案。探測不良構造的過程中，瞬變電磁和電阻率法可提升對于導電水體反應的敏感度，拓展空間環境構造，降低復雜電磁干擾，形成對整個地質結構的可靠性及準確性認知。瞬變電磁的探測距離為60 m左右，電阻率法的探測距離是30 m左右，二者可以互補升級，清晰反映地質結構，以幫助制定合理的施工方案[5]。

根據工程項目實際情況，設計了針對隧道工程的三導洞施工方案，施工作業流程為：隧道中間導洞施工→隧道中隔墻結構施工→隧道深埋位置導洞施工→淺埋側施工→隧道工程主洞施工。為確保工程施工達到預期要求，參照《公路隧道工程設計規范》文件，進行隧道圍巖結構參數指標的設計。基于地震波超前探測方法的檢驗結果，對檢驗結果反復推演，對探測結果中可能出現的數據影響結果進行研究，反復推演電阻率的病態程度，對其中地質解釋及地質錯誤進行驗證，壓制反演多解性，進一步提升施工質量。在反復推演結果的過程中，利用鉆孔取芯、已知巖性推斷及其他物探方法，進行區域介質電阻率的分析，基于信息反饋結果進行電阻率變化范圍的限定，縮小電阻率搜索及推演范圍，提升數據分析結果的精準度，壓制多解性，確保隧道施工方案得以順利推廣。按照上述方式，對復雜地質條件下的隧道工程進行規范化施工，確保工程項目可以排除外界干擾條件順利實施，在提高工程施工質量的同時，加速隧道工程施工進度。

3 結語

為提高對隧道不良地質體探測的準確性，需綜合探測方法，有效識別界面和探測定位的精度，優化數據處理過程。采用地震波超前探測、瞬變電磁、電阻率法、地質雷達等多種檢測方法，對比分析結果，提升數據的準確性和可靠性，確保隧道施工人員獲得最基礎、最準確的地質資料。擴充電阻率的變化范圍，分析異常體的位置及形態信息，完善空間結構，確保多種地質檢測手段實現信息的甄別及整合，令地質環境的檢測效果達到最佳。三維地震波超前檢測技術的運用，可有效探究地質環境對隧道工程施工的影響因素，基于數據分析，可了解不良地質條件及結構，但不同的檢測方法存在一定的局限性，本研究反復演繹探測的結果，總結得出影響隧道工程施工的原因，構建了科學合理的施工體系，提高了數據的準確性，提供了有效的解決方案，為提升隧道工程質量奠定了良好的基礎。