张文康

(陕西铁道工程勘察有限公司，陕西 西安 710003)

1 概述

西延高铁铜川某隧道岩溶[1-2]高度发育，为了准确获取隧道前方围岩的地质情况，提前规避施工风险，超前地质预报[3-7]技术是不可或缺的预报手段，然而能否准确查明隧道前方岩溶发育规模，是国内隧道预报检测工作一项难题，本文通过对超前地质预报TSP法从数据采集、数据处理、成果解译、地质雷达法[8]资料处理等多项工艺改进，准确的预报了铜川隧道前方岩溶的发育情况。

2 超前地质预报技术基本原理

2.1 TSP法基本原理

TSP303超前预报系统依靠人工激发地震波，地震波以球面波[9]的形式向前传播，当它遇到岩石物性界面的时候，一部分地震信号反射回来，一部分地震信号透射进入前方介质，反射回的信号被接收器接收,通过对接收信号的运动学和动力学特征进行分析，可推断断层和岩石破碎带等不良地质体[10]的位置、规模、产状及岩石力学参数。

2.2 地质雷达法基本原理

地质雷达(SIR3000)将高频电磁波以宽频带短脉冲的形式由发射天线定向送入被探测体，电磁波在被探测介质中传播，当遇到不同介电常数[11]的介质交界面时，部分电磁波的能量被反射回地面，由接收天线接收。

GPR记录的是被探测介质波阻抗[12]界面的反射波时间序列，应用处理解释软件可将反射波的双程走时Δt(ns)转换成深度h(m)剖面，通过分析深度剖面中反射波的形态、频谱、振幅等特征，确定异常区的位置、大小、形态，推断地下地质体(或结构)的空间位置、几何形态和性质等。

3 工程实例应用

3.1 地质概况

铜川某隧道DK103+865处位于冲沟右岸斜坡处，斜坡坡度约30°，周围植被较发育，杂草为主，冲沟内有少量流水，隧址区位于中朝准地台一级构造单元，陕甘宁台坳二级构造单元，陕北台凹三级构造单元，域内地表多被厚层第四系地层覆盖，隧道于DK103+950与铜川南二十里铺背斜相交，该背斜走向N65°E，两翼倾角约5°～10°地层主要为奥陶系中统灰岩，浅灰色、灰白色，矿物成分以方解石为主，隐晶质-细晶结构，中厚层状构造，岩体破碎。

3.2 TSP法预报应用

3.2.1 数据采集质量的改进

众所周知，原始数据的采集质量是预报后续工作的基础，是决定一份预报成败的关键所在。在硬质围岩区域，可以顺利的布置TSP炮孔，然而，在软质岩区域，布置的TSP炮孔会造成塌孔，往往要工人清孔，这对我们开展工作造成很大不便，甚至在碎裂岩或特殊岩土(膨胀土)区域开展TSP工作，往往碎裂岩是由于断层破碎带等特殊地质构造引起的，铜川某隧道属于软质岩和碎裂岩区域，这样复杂而特殊的地质情况需要TSP法来预报前方，所以这又对我们的工作提出了艰巨挑战。

理论来讲，在数据的采集过程中，每孔的炸药量和能量对接收信号的质量影响很大，炸药量越大，能量越大。通过大量的试验，在Ⅴ级围岩中，同样的条件下，300 g的炸药量比200 g的炸药量接收到的信号能量好，但是，往往在遇到Ⅴ级围岩的隧道时，施工方要求药量越少越好，并且不能超过200 g，所以，针对铜川某隧道围岩类似情况时，为了提高数据采集质量，我们采取新型工艺——PUC管作业法。经过多次试验之后，数据采集合格率大于90%，这样不仅提高了信号能量强度，同时提高了信噪比[13]，既满足预报要求，又减少隧道因为炸药量大而引起的扰动坍塌。如图1所示，右侧PUC管作业法200 g炸药量远高于左侧普通方法300 g的炸药量后采集的信号能量，且右侧PUC管作业法信噪比远高于普通方法。

3.2.2 数据处理的改进

在实际工作中，接收的地震波信号往往有多种频率成分，其频率主要集中在0 Hz～5 000 Hz之间，带通滤波用于将这些不需要的噪声信号和有用的信号进行分离，消除有效信号频率范围以外的噪声信号，所以我们根据梯形带通滤波原理，可以最大限度地防止信号失真。铜川某隧道岩性以灰岩、碎裂岩为主，通过前期的TSP预报经验，在乳化炸药作为震源的条件下，地震波主频在800 Hz～1 500 Hz。

直达波速度的正确计算是TSP数据处理的基础，也是最重要的环节，初至信号就是直达波以最快路径从发生源传播到接收器的地震信号，所以我们在TSP数据处理时运用了波速测井数据处理能量比法原理来拾取初至信号(见图2)，它大大提高了计算结果的准确性和稳定性，再结合隧道前期勘察弹性波速测井[14]资料进行直达波速度校正，从而避免了物探多解性[15]问题，提高了数据处理质量。

3.2.3 数据成果解译分析

资料解译原则上综合隧洞地质勘察资料、设计资料、施工地质资料、反射波分析成果显示图及岩体物理力学参数等资料进行解译，合理预测前方地质情况，由于铜川某隧道前期地质勘察资料存在偏差，伴随着物探资料解译的多解性难题，作者采用了新的解译手段，引进工程地质力学理论，结合岩溶的形成机制及岩溶的塌陷机制，可以计算出TSP的追踪角δ。岩溶地质理论则指出，岩溶发育与地质构造密切相关，溶洞主要发育于溶蚀地层的断层、背斜、向斜核部及侧翼,而铜川某隧道于DK103+950与铜川南二十里铺背斜相交，该背斜走向ωN65°E，铜川隧道走向ζ=85°～265°，δ=ζ-ω=15°～200°，通过地质力学理论计算公式可以大致确定TSP的追踪角δ，从而确定岩溶的发育情况。对于无填充型溶洞，二维反射层位图(如图3所示)显示以强烈的负反射开始，以强烈的正反射结束，反射带内反射界面少，岩石属性图显示纵波速度、横波速、泊松比变化较小；对于块石土填充型溶洞，反射带内反射界面多，正负反射相间，以强烈的负反射开始，以强烈的正负反射相间结束，岩石属性图显示纵波速度升高，横波速变化较小，泊松比变化较大。

从图3可知，DK103+865～DK103+835段纵波速度、横波速度、波动比数值变化较小，反射带内反射层较少，推断为无填充型溶洞，其中DK103+865～DK103+845段溶洞延伸至拱顶上方30 m处，DK103+845～DK103+835溶洞延伸至拱顶上方10 m～15 m处；DK103+835～DK103+810段纵波速度升高且波动强烈，横波速度变化不大，泊松比数值变化较大，反射带内反射层密集，推断为串珠状溶洞或块石土填充型溶洞，溶洞延伸至DK103+835隧底18 m处及DK103+810拱顶上方28 m处。

3.3 地质雷达法预报应用

地质雷达法在常规隧道的超前地质预报应用比较简单，仅需要对原始数据进行简单处理就可以直观的得到前方地质围岩信息，但在复杂构造地层当中往往会对不良地质体的深度、规模、发育情况作出误判，其中介电常数的正确选择至关重要，当不能正确选择介电常数参数时，就需要对地质雷达原始数据的介电常数进行校正，根据现有铜川某隧道勘察设计钻孔资料，利用Cgssi软件最终修正该地质雷达数据的介电常数为8.45，通过Radan软件得到地质雷达图像如图4,图5所示。

从雷达影像图得知，在DK103+865～DK103+835处雷达波频率有明显变化，且同相轴连续性差，雷达信号衰减较快，推断存在大规模连续不规则溶洞。

3.4 预报成果综合评价

本次通过工艺改进后TSP和地质雷达法对铜川某隧道岩溶预报十分成功，取得了较大的经济效益。

结合TSP和地质雷达法预报结果，查明了掌子面前方岩溶的分布情况和发育规律，在DK103+865～DK103+845段溶洞延伸至拱顶上方30 m处，DK103+845～DK103+835溶洞延伸至拱顶上方10 m～15 m处，DK103+835～DK103+810有多组小型溶洞，呈串珠状或块石土，溶洞延伸至DK103+835隧底18 m处及DK103+810拱顶上方28 m处，随后，施工单位及时改进施工方案，规避施工风险，以探灌相结合的施工原则，加密布置超前水平钻探和管棚钻探。超前水平钻孔揭示，DK103+865掌子面前方发育半充填型溶洞，溶洞形态不规则，主体主要发育在掌子面左拱部及拱顶，左拱部可见空腔，空腔深10 m～15 m，高3 m～8 m，宽0.5 m～2 m，朝左前方延伸；管棚钻探揭示，DK103+865掌子面前方分布有空腔，延伸长度大于20 m，分布宽度10 m～20 m，高5 m～7 m；综合钻探揭示溶洞沿洞轴向小里程至少延伸18 m～30 m。

所以，超前地质预报对于准确查明前方地质体情况，使施工单位在正常区段内可以放心大胆地掘进，保证工期，从而提高经济效益，在异常区段则要小心谨慎，这样，就可以避免人员伤亡，事故发生延误工期造成的巨大经济损失。

4 结语

通过对TSP法和地质雷达法技术工艺多方面改进，能极大的提高预报的准确率，从而正确的指导施工，创造更大的经济效益，然而由于物探解译的多解性和解译人员的工作知识积累不同，单纯应用TSP和地质雷达法进行超前地质预报经常出现较大误差甚至判断失误，所以，还要结合地质素描、瞬变电磁、隧道监控量测多手段、高水平的预报，更好的为施工单位做好安全服务工作。