王丽仙

摘 要：隧道施工超前地质预报应是以地质分析法为基础，对预报目的和复杂地段地质情况，应当从技术和经济层面进行分析比较以便选出符合现场实际情况的方法或是多种方法的合理组合，以实现准确、高效、经济性的目标。本文结合张唐铁路杨家峪隧道的现场实际情况，甄选了采用地震波反射法的施工方法来达到超前预报目的施工方法。

关键词：地震波反射法；超前地质预报；隧道

中图分类号：U456 文献标识码：A

0.引言

隧道超前地质预报是指隧道开挖掌子面前方围岩的地质情况、不良地质体的位置、工程性状、水文地质状况等进行信息采集，并加以分析，为隧道支护参数的调整和安全预案的准备提供可靠的依据，确保隧道施工及结构安全、优化设计、实现信息化施工。地震波反射法：通过人工激发的地震波在不均匀地质体中的传播特性以此来对隧道前方的地质情况进行判别的方法。该法属多波多分量探测技术，适用于划分不同地层的界线、查找预期地质构造、探测预报不良的地质体的厚度和范围。

1.工程概况

杨家峪隧道：位于河北省唐山市境内，地处剥蚀丘陵区，地形起伏较大，丘间沟谷多呈“V”型.隧道范围内地表基岩裸露，为蓟县系雾迷山组（JXW）白云岩，局部地表覆盖第四系上更新统坡洪积薄层粗角砾土。粗角砾土，黄褐色、稍湿、中密、颗粒成分由白云岩、石英岩组成，其中充填物由黏性土及砂粒组成。白云岩，强风化～弱风化，隐晶质结构，层状构造，矿物成分以白云岩为主，节理较发育。隧道内地下水类型为基岩裂隙水，补给主要为大气降水，洞内赋存少量的基岩裂隙水。

2.预报内容

结合本隧道的工程、水文地质条件以及工程特点，开展的预测预报内容工作如下：

（1）不同岩性接触带的位置情况，岩层风化程度、接触带岩体破碎程度、地下水发育及赋存情况；

（2）隧道的围岩级别变化发展趋势；

（3）岩溶发育程度、分布范围、形态及隧道的相互关系；

（4）煤系地层瓦斯突出情况。

3.地震波反射法（TSP）预报原理、方法、特点及步骤

3.1 TSP原理、方法

TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。在应用地震波时地震波由分布在隧道左右墙边位置的约24个爆破点进行激发。地震波在穿透非均匀地质体如（岩性变化、断层、破碎带等）时一部分的地震波会由于介质密度的变化而产生反射（如图1所示），余下的地震波将会继续前进进入到前方介质中。通过对反射回来的地震波信号使用高灵敏度地震检波器进行接收并记录。对记录的地震波数据使用相应的软件进行处理，从而构建起前方的地层情况，使用地震波技术还能够对隧道前方的地质体性质（如软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等）和位置进行预报，通过预报可以与前期所勘测的数据进行对比以判断掌子面前方围岩级别与设计围岩级别是否相符，从而实现对于围岩的进一步分级优化，对于隧道施工所容易产生的（如坍塌、突泥、突水等）的地质灾害进行预报。

3.2 仪器

采用TSP 203超前地质预报系统设备。

系统设备等主要组成：

（1）记录单元

12道，24位A/D转换，采样间隔为62.5μs、125μs，最大的记录长度1808.5ms，记录带宽为8000Hz和4000Hz，动态范围为120dB。

（2）接收器（检波器）

三分量加速度地震检波器，频率范围0.5Hz～5000Hz，灵敏度1000mV/g±5%，共振频率9000Hz，横向灵敏度>1%，操作温度在0℃～65℃之间。

（3）TSPwin软件

数据的采集和处理一体化，具备高度的智能性。

3.3 观测系统设计

掌子面的里程为隧道DK403+090处，沿隧道侧壁均匀密布约24个爆炸点，采用一台高精密接收器接收地震波。TSP探测观测系统的设计理论和示意图分别如下表1和图2所示。某工程爆炸点分布见表2。

3.3.1 观测系统布置示意图（如图2所示）

3.3.2 仪器采集参数

对于采集到的地震波采用X-Y-Z三分量，采样周期为62.5μs，采样持续时间451.125ms（7218采样数）。对于爆炸点需要采用防水乳化炸药，设置无延迟时的瞬发电雷管，装药量大约为100g。

3.3.3 附图（图3～图8）

4.资料数据分析

4.1 数据分析的原则

主要根据以下的原则对处理成果的解釋与评估：

①激发的地震波的振幅越强则反射系数和波阻抗之间的差别也越明显。

②正的反射振幅（红色）表明正的反射系数，其表示的是所测岩层的刚性；负的反射振幅（蓝色）则代表着刚性较差的岩层。

③若S波反射强于P波，则意味着所测岩层中的含水率较高。

④Vp/Vs有较大的增加或泊松比δ突然增大，则意味着岩层中含有流体土质。

⑤若Vp下降，则表明土层的裂隙密度或孔隙度有所升高。

4.2 资料的处理流程（图9）

处理流程如图9所示。

4.3 误差的分析

在采用地震波测试方法时，地震波并不是指向性的波，其是向四面扩散的，从而导致地震波的离散性较大，在使用地震波处理软件对收集到的地震波进行处理时其处理的是地震波波速的平均值；对于间距小于1m的反射面软件在数据处理时将其合并为一个界面，从而导致数据处理时软、硬岩石互存的薄层，软件由于分辨精度的影响可能会考虑合并成均质岩石从而导致预报误差的存在，一般来说这一误差率多在5%的范围内。

5.预报成果分析

在对原始数据的软件处理中，24炮数据参与分析。

通过对二维结果图（图8）的分析，主要存在问题的区段如下：（以目前掌子面（DK403+090）岩石情况为参照物），见表3。

6.预报推断结论及建议

（1）DK403+090～DK403+070（20m）该段围岩强度与掌子面围岩强度基本一致，岩体结构破碎呈散状、节理裂隙发育、弱风化、基岩裂隙水不发育。围岩级别推断为Ⅳ级。

（2）DK403+070～DK403+046（24m）该段围岩强度相比较前方围岩强度略微降低，岩体破碎，节理裂隙发育，局部有夹土，基岩裂隙水不发育、围岩级别判断为Ⅴ级。

（3）DK403+046～DK403+011（35m）该段围岩强度相比较前方围岩强度有所提高，岩体较破碎，节理裂隙较发育，基岩裂隙水不发育。围岩级别判断为Ⅳ级。

（4）DK403+011～DK402+981（30）该段围岩强度较前方围岩强度有所下降，岩体破碎，软弱互层局部有夹土，节理裂隙发育，裂隙水不发育，围岩级别判断为Ⅴ级。

（5）DK402+981～DK402+950（31m）该段围岩强度相比较前方围岩强度有所提高，岩体破碎，节理裂隙发育，裂隙水不发育，围岩级别判断为Ⅳ～Ⅴ级。

综合以上所述：根据二维视图的分析以及工程地质资料判断，掌子面（DK409+090）前方DK403+090～950段岩体存在频繁的强度变化，岩体破碎，风化严重，软弱互层，节理裂隙发育，在DK403+070～DK403+046、DK403+011～DK402+981岩体破碎，节理裂隙发育，局部有夹土，基岩裂隙水不发育、施工时注意施工安全防掉块，坍塌，减少不必要的损失。

结语

为确保高风险隧道施工安全，如塌方、突水等安全事故的发生，采用超前预报避免地质灾害发生，保障隧道中不良地质段的安全施工显得尤为重要。结合张唐铁路杨家峪隧道工程，综合掌子面地质编录资料和TSP超前地质预报系统探测资料，成功地预报了掌子面前方的岩体破碎、围岩级别和地下水情况。通过预测结论和实际开挖情况相对比，分析了该方法的适应性及其特点，为隧道施工期超前预报中类似工程预报方法的选用具有一定的参考价值。

参考文献

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