刘云祯

(北京市水电物探研究所，北京 100027)

0 引言

隧道工程在铁路、公路、市政、地铁、水电、国防等建设项目中都具有重要作用。在我国基础工程建设规模不断扩大的形势下，隧道的数量和长度在不断增加，隧道工程的规模在不断扩大，地质条件的复杂性和施工难度也在不断增加。在不良地质地区隧道施工中，隧道坍塌、涌水、涌泥、瓦斯爆炸等地质灾害时有发生。若不能提前预知、处理不当，很容易造成突发性重大人员伤亡事故，给人民生命财产安全造成极大的危害。国内外因地质条件不明造成隧道施工事故的教训不少，尤其是在我国宜万铁路的施工建设中，线路穿越长江水系岩溶极其发育的灰岩地带，曾经发生过齐岳山、野三关和马鹿箐等隧道的大突水事故，给隧道施工安全带来了巨大危害。因此，利用地质超前预报技术为不良地质隧道施工提供指导十分必要。

目前常用的隧道超前地质预报方法较多，但地震反射波法由于具有预报距离长、适用范围广、对施工干扰小等特点被广泛采用［1］。有不少文献介绍了TSP在工程中的应用，如杨聪［2］认为TSP预报系统对于有效指导和加快隧道施工能够提供安全技术保障;罗卫华等［3］认为TSP与其他地质预报方法相比，在准确性和距离误差方面具有突出的优点;赵岩等［4］认为TSP对隧道掌子面前方围岩的结构面发育情况有较好的反映，对围岩交界面、贯穿裂隙以及大规模断层的判定，有很高的准确率。但也有人认为TSP预报准确率不太高，如张庆松等［5］分析了TSP超前预报中存在的问题，认为TSP探测岩性变化的软弱面或水层的位置有一定误差，预报精度稍低;师丽萍［6］认为TSP预报的距离较长，从而导致其精度不是很高，需要进一步提高探测结果的准确性;顾湘生等［7］曾多次质疑宜万线TSP203预报记录中的过高频率，并对宜万铁路超前预报准确率进行了统计，如表1所示。

表1 宜万铁路超前地质预报准确率统计表Table 1 Accuracy of advance geology predictions made in construction of tunnels on Yichang-Wanzhou railway

本文从地震反射波法超前地质预报系统探测原理出发，分析TSP超前地质预报系统预报准确率不高的原因，并提出相应的改进措施及方法，应用到TGP系统中，经过工程实践证明，TGP在隧道地质超前预报中具有良好的预报效果。

1 TGP 预报基本原理［8］

TGP206(Tunnel Geology Prediction 206，以下简称TGP)型隧道地质超前预报仪，预报的基本原理是采用隧道地震反射波探测技术。利用地震波在不均匀、不连续地质体中产生的异常反射波，实现隧道地质超前预报的目的。

地震波震源采用小药量炸药在隧道边墙的钻孔中激发产生，激发炮孔在洞壁一侧沿直线布置，一般采用24个炮孔。地震波的接收器也安置在孔中，一般左右壁各布置一个，测线布置如图1所示。地震波在岩石中以球面波形式传播，当地震波遇到弹性波阻抗差异界面时，例如断层、岩体破碎带、岩性变化或岩溶发育带等，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质继续传播和发生反射。如图2所示，地震波的直达波传播路径由震源点O沿隧道向前传播，经过S1，S2，最后到达 S24;反射波的传播路径为由 OAS1，OAS2，直到OBS24，反射的地震波信号最终被高灵敏度的地震检波器接收。因此，通过测量直达波速度、反射回波的时间、波形和强度，可以达到预报隧道掌子面前方地质条件的目的。

TGP采用纵向排列，由图3可以看出，地震子波排列整齐，直达波与反射波同轴呈喇叭口状，易于识别。但同时必须满足以下条件。

1)保证子波排齐——需要接收仪器的触发与震源必须同步;

2)保证子波幅度——需要震源能量大、信噪比高，地震检波仪器灵敏度高。

图1 测线布置图Fig.1 Layout of measurement lines

图2 TGP预报基本原理Fig.2 Principle of TGP

图3 纵向排列观测采集的记录形态图Fig.3 Pattern of records made by means of longitudinal array observation

2 TGP206与TSP203相比所做的改进

2.1 数据采集的触发方式改进

2.1.1 TSP203 触发方式

TSP203采用脉冲信号触发方式。其触发过程是爆炸机同时送出2路电信号，一路脉冲信号触发仪器开始采集，另一路高压脉冲电信号供给电雷管。在这个过程中误差的主要根源在于电雷管，众所周知瞬发电雷管有“时间延迟差”，即从受电到爆炸需要时间，该时间与瞬发电雷管的型号有关系，一般为几ms。

图4为TSP203采用脉冲触发采集的地震波记录，直线附近首波上下错动，误差达6 ms，直达波排列不齐，后面的反射波则更不易识别。按Ⅲ级围岩速度计算，存在5 m左右的距离误差，即为触发造成的时间误差。

图4 TSP203采集的地震波记录Fig.4 Records of seismic wave made by TSP203

2.1.2 TGP206 触发方式

TGP206仪器采用回线开路触发方式。将回线绑扎在震源上，通过震源爆炸时炸断回线触发仪器开始采集。该方式与爆炸发生过程中的雷管延迟没有关系，因而在绑扎回线不松脱条件下，爆炸同时触发仪器采集，消除触发的时间误差。

图5为TGP206采用回线开路触发采集的地震波记录，图中首波同相轴整齐排列，第15道(黑色粗线标注)因绑扎松动存在0.5 ms误差，但其左右地震波都不存在时间误差，很容易对该波进行校正。

图5 TGP206采集的地震波记录Fig.5 Records of seismic wave made by TGP206

2.2 隧道声波干扰与改进［9］

在宜万铁路隧道中采用TSP203仪器进行地质预报，笔者通过对大量TSP203仪器采集记录和处理成果进行研究，发现在距掌子面80～100 m以后速度曲线异常，如图6所示。

出现该异常的主要原因是地质预报的数据中有隧道内声波干扰，该波与岩体中的地震波速度相差十几倍，因而在距掌子面80～100 m以后曲线出现了异常。该异常为隧道内声波参与处理造成的岩体速度假象，必须进行处理。

图6 TSP203速度曲线的隧道管波假象Fig.6 Abnormality of wave velocity curves made by TSP203

为规避隧道声波干扰，TGP206主要采取了以下措施:

1)增加偏移距离OFF(检波器与最近炮孔之间的距离)，延迟声波到达时间。声波速度为340 m/s，加大偏移距离，实际上延迟了声波到达时间，加长了有效波记录的时间(见图7)，实现预报距离增加的目的。

2)数据处理，斜切除声波干扰，剔除成果中的假象。TSP203数据处理时采取水平切除，缩短了预报距离;而TGP206对数据采取斜切除，以便利用更多的有效信息。TSP203与TGP206数据处理成果如图8所示。

图7 加大偏移距离后的有效波对比图Fig.7 Effective wave with added offset

总之，TGP型预报系统强调利用有效波，在信息采集和数据处理2方面采取措施，以达到预报成果资料真实的目的，实践证明效果是显著的。

2.3 检波器耦合方式

2.3.1 TSP203 耦合方式

TSP203采用环氧树脂固结一根金属套管，检波器贴在套管内壁上，其波形与金属套管和钻孔壁整体固结的效果、以及检波器与套管壁贴紧的程度有关，2根套管一次性使用，成本费用很高(TSP203预报系统的检波器耦合耗材成本在7 000元以上)。其耦合方式常见的问题包括:

1)TSP套管固结不良，或不固结套管、重复使用，记录中出现高频干扰和套管共振干扰，如图9所示。3 000 Hz的频率成分为干扰波，岩体中传播的地震波远低于该频率。

2)TSP检波器触点磨损造成贴管壁不紧，记录中高频毛刺干扰严重，如图10所示。

图9 TSP中高频和套管干扰Fig.9 Medium-high frequency and case interference of TSP

图10 高频毛刺Fig.10 Burr of high frequency

2.3.2 TGP 耦合方式

采用液态或半液态耦合剂使检波器与钻孔壁耦合，检波器依靠自重接触孔壁，具有波形可靠，操作便捷，成本低(TGP预报系统的检波器耦合耗材成本在300元以内)等优点，TGP与TSP耦合方式对比如表2所示。

在保证地震波信号质量的前提下，利用TGP记录，获得了不同地质条件下正确的频率:黄土100～200 Hz;软岩200～400 Hz;硬岩400～1 000 Hz;坚硬岩1 000～1 500 Hz。

2.4 数据处理

数据处理是对隧道地震波记录进行加工、制造隧道地质预报成果的过程。如果数据处理过于简单，成果图仅局限于物探的符号表示，则影响使用效果。TGP数据处理系统在沿用物探符号表示的基础上，开发了用地质符号表示预报成果的功能。

TGP地质预报成果处理的主要手段包括:

1)为方便利用地震波偏移图进行地质预报的分析和推断，保留全断面地震波偏移图(见图11)、增加偏移相位图(见图12)。其中正相位代表前方有较硬岩体，负相位代表软弱岩体或水。图11—13中，计算偏移的岩体速度vm为4 290 m/s;像元点矩dX，dR均为0.50 m。

2)检查成果异常与地震波数据的相互关系，剔除由干扰波造成的预报成果图假象，力求做到预报成果依靠真实数据而来。使用中通过点击异常部位可对应观测异常部位的波形图，如图13所示。

3)通过纵向(沿隧道线)多方位地震波偏移功能，实现地质界面的空间定位。增加4个断面，8个方向的纵向偏移，绘制形成构造界面的三维产状图，见图14。

4)通过横向(与隧道线垂直的断面)等距断面地震波偏移功能，实现地质异常的断面图分析，有利于确定岩溶及局部孤石在隧道的具体位置，见图15。

通过数据处理得到成果图，雷同医检获得“X”光片，欲做出正确判断需要结合具体人和病情，同样依据成果图推断地质预报结论的过程也需要结合隧道的地形地质条件。结果须科学运用，不能盲目地追求高准确性，并据此盲目运用，地质预报准确性将随着其他辅助工作(地勘资料、钻探等)的进行而不断提高。

图14 构造界面的三维产状Fig.14 3D occurrence of structural interface

图15 对岩溶、孤石的偏移横断面扫描图Fig.15 Scan of offset of karst and boulder

2.5 地质预报须结合超深炮孔钻探进行

根据中铁第四勘察设计院顾湘生等［7］的研究表明:围岩级别不同，抵抗不同水压所需的围岩最小厚度不同，如表3所示。

表3 不同围岩级别抵抗不同水压所需的最小厚度Table 3 Minimum thickness of rock mass of different grades to resist different water pressures m

根据上述研究结果，在隧道施工中要保护抵抗不良地质灾害的岩层厚度，通过超前地质预报获得不良地质体(溶蚀带或岩溶)的分布里程后，采用传统的导洞法、水平钻孔法等对不良地质的检测不一定是唯一的方法，对应岩溶的分布不随人愿，水平钻孔难于设计。顾湘生等［7］对此提出了加深炮孔钻探方法，具体布孔方式如图16所示。

图16 加深炮孔钻探布孔方式(单位:m)Fig.16 Layout of extra-deep shot holes(m)

根据地质预报结果提前布孔预留岩层厚度，逐次开挖循环错位布置加密探查。在风险地段采取小药量短掘进的施工方法，发现风险及时采取措施，以度过高风险地段。

实践证明，地震波预报确定异常区段后，利用超深炮孔多、钻孔快的优势，对岩溶分布和形态不确定的隧道，预报准确性明显较高。

3 TGP工程应用实例

3.1 强风化破碎带预报——三亚绕城高速公路迎宾隧道

图17中纵(蓝线)横(红线)波反射界面密集发育的位置段(右洞壁726～700段)反映岩体被多组构造面切割，岩体破碎。图18中蓝线为纵波反射计算的结果，红线为横波反射计算的结果。由图18可知在里程726～700，纵横波估算速度均明显降低，而且横波降低幅度较大。据此推断预报段页岩泥化严重或存在裂隙水，预报围岩具有垮塌的可能。

图19为三亚迎宾隧道的岩性界面3D产状分布图，图中界面1与界面2之间为构造破碎带，界面1为负反射属性，说明(界面后岩体声阻抗低)界面后岩体破碎;界面2为正反射属性，说明界面后岩体(声阻抗变高)较为完整。在隧道里程738～710段呈倒三角楔形，隧道塌方事故发生后，看到构造带塌落后的围岩界面与该预报结果基本吻合。

3.2 溶洞型岩溶的预报——武广铁路客运专线大瑶山1号隧道

武广客运专线大瑶山1号隧道施工至DK1909+611里程遇到岩溶，发生突水突泥事故，石块直径达2～3 m，突泥堆积长度约50 m，为了解前方地质条件，笔者被邀请进行地质预报的试验研究工作。图20(b)中的黑线(DK1909+611～660段)为不同里程位置绕射波偏移图的锐变点连线，用作分析推断岩溶溶洞的发育方向。

图21中，图(a)反映岩溶溶洞形成的反射点发育高程分布在隧道高程附近，呈现为由左上方向右下方发育的趋势;图(b)反映岩溶溶洞形成的密集反射点展布方向，呈现为与隧道大角度斜交的条带状发育的趋势。

以上2个应用工程实例说明，TGP206预报系统采用多波多分量的地震波处理技术，实现了地震波预报成果向地质预报成果的转化，结合已有地质资料进行综合分析，直观方便，有利于预报技术的推广应用。

4 结论与建议

4.1 结论

技术改进提高后的TGP地震波预报技术，能够在如下方面发挥较好的作用:1)对于断层带、裂隙密集带和软硬岩性带的划分，以及对地质界面的空间分布进行预报;对于构造岩溶发育带和具有一定规模的岩溶溶腔的预报，预报水平明显提高。2)结合轻便的加深炮孔方法，增加了对于水文地质预报、溶管和溶腔等较小规模不良地质体预报的可行性。3)对隧道施工地质风险预报的认识有较大提高。

4.2 建议

在进行超前地质预报的过程中要注意结合已经掌握的工程地质和水文地质相关知识，进行综合分析判断，以及合理选择其他有效的配合手段，以期达到较准确的预报结果。

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