富水断层破碎带隧道超前预报的地震波三维层析成像应用研究

2015-12-19孙立军

西部探矿工程 2015年11期

关键词：层析成像震源围岩

孙立军

(中铁十四局集团有限公司，山东济南250000)

·隧道与建设工程·

富水断层破碎带隧道超前预报的地震波三维层析成像应用研究

孙立军*

(中铁十四局集团有限公司，山东济南250000)

富水断层破碎带的超前预报是隧道施工地质超前预报的重要内容之一，依托某在建隧道工程，通过现场测试试验，研究了地震波三维层析成像方法的应用技术，总结了现场测试的基本步骤、富水断层破碎带的地质解释判别特征，成果对于富水断层破碎带隧道超前预报具有参考意义。

富水断层破碎带；隧道施工；地质超前预报；地震波三维层析成像

1 概述

隧道施工中的地质超前预报关系到工程的安全、质量和进度,因而倍受关注，特别是在地质条件复杂的隧道工程中，必需进行地质超前预报工作[1-2]。隧道地质超前预报要解决的问题主要有3个方面，包括断裂、溶洞、破碎带等不良地质对象的性质、规模的判定，不良地质体的位置及产状的确定;岩体工程类别化的识别等内容，由于隧道内可供观测的空间位置有限，观测方案受到限制,因而要准确地达到预报的要求难度很大[3-4]。多年来国内外在不断地改进探测技术和分析方法，试图提高预报的可靠性和精度，已经取得了很多成功的经验，但是目前的技术水平在预报准确性和可靠性方面还有待提高。目前地质超前预报工作使用的方法包括以下几种：工程地质调查与推断、水平钻孔法、地质雷达探测、反射地震和地震CT等[5]。

2 地震反射波层析成像原理

地震波三维层析成像技术利用地震波反射原理，采用地震层析成像及全息岩土成像技术，生成地层结构的全息三维图，准确、全面、直观地预报隧道前方的地质情况。当地震波向前传播过程中遇到声学阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内的不连续界面。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，通过分析，用来了解隧道工作面前方地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等）、位置及规模。正常入射到边界的反射系数计算公式如下：

假设R为反射系数，ρ1、ρ2为岩层的密度，V等于地震波在岩层中的传播速度。地震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的。因此，当地震波从软岩传播到硬的围岩时，回波的偏转极性和波源是一致的。当岩体内部有破裂带时，回波的极性会反转。反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，回波就越明显，越容易探测到。TRT6000采用层析扫描成像技术，形成立体、直观的三维立体图，立体图中的反射边界每一点离散图像是由空间叠加所有地震波形计算得来，地震波三维探测原理和地震波信号采集如图1所示。

图1 地震波三维探测原理

三维地震波层析技术用地震波反射来获得地质状况三维图的原理是以每个震源和地震信号传感器组的位置为焦点，与所有可能产生回波的反射体可以确定一个椭球。足够多数量的震源和地震信号传感器组对会形成一个三维数组，每个界面或者反射的地层位置可以由这些众多椭球的交汇区域所确定。实际上，反射边界每一点离散图像的计算包括由所有震源和地震信号传感器组所对应的三维岩体空间中选定的区块。

3 现场试验

3.1 测试方法

布设地震波数据观测系统时，传感器需要布置在隧道拱顶及边墙上，呈三维空间分布10个传感器，用以接收震源激发的弹性波信号。如图2所示，首先在距离最后一个震源点约10m处开始布置，左右边墙各布置4个，每隔5m（里程方向）布置1个，隧道中心线拱顶处布置2个。震源点布置在靠近掌子面（2～5m）的两侧边墙上，震源点选择在凝固成型的初支或稳固的围岩上，两侧各布置2组共12个震源点，每组沿竖向（高程方向）布置3个震源点，每个震源点高差大约1m，2组间隔2m（沿里程方向）。

图2 传感器及震源的典型布置

现场数据的采集是三维地震层析技术应用的最重要组成部分之一，其可靠性主要取决于所选工作仪器及仪器采集参数、测试方式和解译结果。现场探测采用TRT6000系统，其由触发器、传感器、无线远程数据收集模块、基站、主机及处理软件等部分组成。

试验实施流程如下：

（1）选择震源点及传感器位置。震源点与传感器点原则上按照前述布置方法布设，传感器的最高与最低位置差值必须大于2.5m，这样才能有效地接收三维地震波数据。传感器与隧道侧壁要紧密结合，安装好所有的传感器，等待耦合剂完全凝固，得到最佳耦合效果。所有布置的传感器点及震源点的坐标均要测量，建议采用全站仪测量大地坐标，可以选择激光测距仪测量相对坐标，所有坐标测量误差少于5cm。

（2）建立基站,连接电脑，初始化采集程序，进行数据采集。设备正确连接后，打开计算机，运行采集程序，开始工作。原则要求每个传感器及无线传输模块都运行正常才开展预报工作。使用重锤锤击指定的震源点激发地震波，同一组锤击的位置不可改变。锤击触发时必须用力锤击震源点，一次激发成功，才能获得最佳的弹性波传播能量。对震源点锤击触发，采集数据，每个测点采集3次，并且要求每次震源锤击能量大小近似一致。

（3）数据处理：数据处理是地震波隧道施工地质超前探测技术中最为重要的环节，其主要作用是将采集到的地震波数据，经一系列相关数据处理手段，提取出其中与测试目的有关的有效信息，并最终解释出掌子面前方岩体纵、横波速度变化特性以及不良地质体的赋存形式、规模大小、分布范围以及产状特征等信息，为隧道探测的数据判释提供基础。

探测系统的反射体空间位置采用给定的限定一个三维空间椭球体的两通道传播时间来定位。由于数量足够的地震发射源和接收传感器构成三维排列，因此每一边界地震反射波可确定成一个曲面，在该曲面上，对发射源和接收传感器，多数椭球体交切。因此，理论上可对岩土体中的每一格点的反射或散射作用进行重现。就一个单独的反射或散射异常体影像，包含所有地震发射源和接收传感器的岩石场地的选择块体内的每一个三维网格点。对每一网格中点的影像，采用叠加所有地震波来计算离散体，每一波形相应变换为由经该格点的发射源到接收传感器的总距离。对勘察块体的离散体，变换采用确定的速度模块来计算。采用这种方法，最终影像类似于全息重构。调整格点间距可提高影像的分辨率，记录地震波的最短波长决定分辨率的高低，控制影像范围的块体的维数与成像的期望分辨率成反比关系，这取决于控制在预定块体内生成影像所需时间。

初始速度模块是通过速度层析外推求出直达波和其他有效资料（速度测量值、地质资料，已知空洞）来建立。隧道开挖前移时，速度模块应根据地质超前预报和岩土地质成图实际情况及观测到的岩石条件间的比较结果连续进行适时修正和改进。

3.2 试验结果

在贵州某在建工程和平隧道为依托进行了现场测试实验。隧道位于瓮安县和平村，隧道围岩为寒武系娄山关群（∈2-3Ls）白云岩、二叠系梁山组（P1l）页岩、茅口栖霞组（P1m+q）灰岩、二叠系峨眉山组（P2β）玄武岩及二叠系吴家坪组（P2w）灰岩。地质构造复杂，隧道施工风险较大。

探测试验得到隧道里程DK842+735掌子面前方150m内的地质体地震波三维全息图像显示，预报范围为150m，宽度为中心线左右各20m，高度为40m：

（1）DK842+735～DK842+695段(40m)：围岩基本分级为Ⅴ-Ⅳ级（设计基本分级为Ⅴ-Ⅳ级）。

该段范围内围岩破碎，围岩完整性和稳定性差，节理裂隙较发育，存在软弱岩层或渗水点，其中D1K842+ 710～D1K842+695范围存在明显低速异常区，推测为富水溶腔或破碎带。

（2）DK842+695～DK842+655段(40m)：围岩基本分级为Ⅳ级（设计基本分级为Ⅳ级）。

该段范围内围岩破碎，围岩稳定性和完整性差，节理和裂隙发育，裂隙含水，可能存在与隧道轴线斜交的断裂面。

（3）DK842+655～DK842+585段(70m)：围岩基本分级为Ⅳ级（设计基本分级为Ⅳ级）。

该段范围内围岩破碎，围岩完整性差，节理裂隙弱发育，局部存在含水裂隙。

经开挖验证，2012年1月隧道出口上台阶掌子面施工至DK842+697时，掌子面开始涌水涌泥，施作超前孔过程中钻杆多次被泥水从钻孔中顶出，钻杆拔出后有泥浆喷出，喷出物为流塑状粘性土，有臭味。泥浆喷射距离最远约15m,根据喷射压力分析溶腔高度及规模较大。见图3、图4。

图3 钻孔涌出泥浆

图4 上台阶底部涌泥

4 主要结论

通过现场试验及对比分析，富水断层破碎带的地震波三维层析成像地质解译特征如下：断层破碎带在成果图中断裂面两侧图形互相错开，沿断裂面两侧岩性差异明显，节理或裂隙面在断裂面处尖灭或错断，如果地震波反射进行效益增大处理，中线两边的图形会加深加长，中间白色空隙会更加明显。根据异常区域图像相对于围岩背景，从背景波速分析异常的纵波、横波波速差异，进而判断围岩类别。成像图解释要从从整体上考虑，不能单独参照一个断面的图像。对围岩类别的判断必须与地质情况相结合，综合分析。

[1]肖书安，吴世林.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术[J].工程地球物理学报，2004(2)：63-69.

[2]牛建军.地震波隧道施工地质超前探查系统研究[D].吉林大学，2006.

[3]何发亮，李苍松.隧道施工期地质超前预报技术的发展[J].现代隧道技术，2001.

[4]陈建峰.隧道施工超前预报技术比较[J].地下空间，2003，23（3）：3.

[5]薛建，曾昭发.隧道掘进中掌子面前方岩石结构的超前预报[J].长春科技大学学报，2000，30(1)：87-89.

图1 连接钩绳

如有药卷卡在孔中可以采用自制掏杆（图2）进行进行取药，掏杆使用25mmPPR管材，两端使用常用水管连接头热熔连接，每根长为4m，底端使用铁丝做成钩状。用于勾住药卷包装皮，顺利提到孔外。

（5）改进填塞质量。在爆破过程中，我们还发现水孔爆破时，炮孔填塞质量是影响爆破质量的一个重要因素。通常爆破时所用填塞料都是液压钻机穿孔排出的岩渣，用其填塞干孔和含水较少的炮孔是比较适合的，但用来填塞含水较多的炮孔时，岩渣就会被水和成稀泥，使填塞质量大大打了折扣，爆破时极易产生冲天炮，使爆炸能量过早地从炮孔上部泄漏，特别容易产生根底和大块。因此，对于含水较多的炮孔，填塞料的选用十分关键，在生产实践过程中用细小石子填塞效果较好，并用装有岩渣的废炸药袋压在填塞完毕的孔口，起增长堵塞长度的目的，实际观察效果较好。

（6）爆破效果。上述改善水孔爆破效果的技术措施于2014年在琅琊山矿开始实施，以往常见的爆破根底现象得到明显好转，爆堆底部根底较少，大块率下降，台阶平盘平整且无抬高现象，方便了设备的铲装和运输。提高工作效率，大大减少成本。