TST超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在貴州巖溶地區(qū)的應(yīng)用

張 卿，羅宗帆

(中鐵二十局滬昆客專，貴州安順 561000)

0 引言

新建滬昆鐵路是我國交通網(wǎng)中“五縱五橫”運輸大通道的重要組成部分，是長三角和珠三角等沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)向西南內(nèi)陸地區(qū)進行經(jīng)濟輻射的主要軸線，在區(qū)域綜合交通運輸體系中作用很大。滬昆線西段主要位于云貴高原及其邊緣過渡地帶，區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造線密集，斷層發(fā)育，有巖溶、煤層瓦斯和采空區(qū)、液化砂石、軟質(zhì)巖風(fēng)化剝落等不良地質(zhì)。

在隧道施工過程中，超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)對于查清隧道不利地質(zhì)條件、預(yù)報掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造及含水性、保障施工安全具有重要作用，已成為隧道施工必要的技術(shù)環(huán)節(jié)［1-2］?；诘卣鸱瓷淅碚摰乃淼莱暗刭|(zhì)預(yù)報技術(shù)，其預(yù)報長度大、工作效率高，得到了較廣泛的應(yīng)用［3-4］，但也存在一定的技術(shù)缺陷。對于大型斷裂帶和巖性分界面等地質(zhì)，因其物性差異大，反射信號強，使用基于反射理論的地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)開展工作，難度相對較?。?］。對于巖溶和圍巖裂隙等小型地質(zhì)構(gòu)造的預(yù)報，基于反射理論的地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)則難以發(fā)揮作用，誤報率較高。在我國西南的巖溶區(qū)，大部分巖溶是以構(gòu)造裂隙巖溶為主，斷裂與構(gòu)造裂隙發(fā)育［6］。由于溶蝕、崩塌和沖蝕作用，巖溶形態(tài)復(fù)雜，多有部分填充。管道巖溶較發(fā)育，埋深大，形成地下暗河［7］。這些巖溶形態(tài)復(fù)雜，體積小，表面極不規(guī)則，展布規(guī)模小于地震波長，對地震波難于形成有效的反射，地震波主要以散射形式傳播。針對巖溶區(qū)地震場波的特征，利用散射波進行地質(zhì)超前預(yù)報勢在必行。散射波的傳播規(guī)律、波場特征與反射波不同［8-9］，不能應(yīng)用地震反射資料處理技術(shù)處理，需要應(yīng)用針對散射波的專有的處理技術(shù)。TST 地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)就是基于散射地震成像技術(shù)的地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)［10-11］。本文利用基于散射理論的TST超前預(yù)報系統(tǒng)并綜合地質(zhì)雷達等其他預(yù)報方法，成功解決了巖溶地區(qū)地質(zhì)超前預(yù)報的難題。

1 TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)

1．1 散射掃描成像技術(shù)

超前預(yù)報時，在隧道圍巖中使用人工震源激發(fā)地震波，地震波向四面八方傳播，遇到巖性變化界面、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶和地表面等波阻抗變化界面時發(fā)生反射、散射與折射。

當?shù)刭|(zhì)界面尺度遠大于地震波波長時，地震波的傳播遵從層狀介質(zhì)中的反射理論，反射波能量大，并沿著反射角等于入射角的方向傳播;當?shù)刭|(zhì)界面尺度小于地震波波長時，地震回波的傳播遵從散射理論，散射波不再具有單一的方向，而是以散射點為中心向四面八方傳播。與反射波相比，散射波的能量較弱，頻率偏高。

在實際地質(zhì)條件下，既有如巖性界面、斷層和地表面等大尺度的反射界面，也有如巖溶、采空區(qū)和孤石等小尺度離散地質(zhì)體(見圖1)。

圖1 隧道地質(zhì)超前預(yù)報觀測模型Fig．1 Advance geology prediction model of tunnel

采用反射與散射的混合模型(見圖2)，根據(jù)反射波及散射波的傳播規(guī)律，分別將反射波和散射波進行偏移歸位，得到隧道掌子面前方的真實地質(zhì)情況，這是TST散射掃描技術(shù)的基本思想。關(guān)于TST地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的具體技術(shù)措施，如方向濾波、圍巖速度分析、掃描成像等以及在數(shù)據(jù)采集時的觀測系統(tǒng)已有相關(guān)文獻［9］進行了論述，此處不再介紹。

1．2 TST數(shù)據(jù)處理結(jié)果的解釋原理

TST的波速圖像與偏移圖像的地質(zhì)解釋遵從如下原理:

1)波速的分布可用于掌子面前方巖體的力學(xué)性狀的推斷。巖體波速高表示巖體結(jié)構(gòu)完整致密，彈性模量高;波速低表示巖體破碎，裂隙含水。

2)構(gòu)造偏移圖像表示地質(zhì)結(jié)構(gòu)的組合圖像和地層性質(zhì)的變化。構(gòu)造偏移圖像中反射條紋密集的地段，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)造發(fā)育，在波速圖像中對應(yīng)位置為低波速帶;構(gòu)造條紋少的地段，圍巖均勻致密，在波速圖像中對應(yīng)位置為高波速帶。

3)對巖體含水性的預(yù)報要結(jié)合水文地質(zhì)資料。如果隧道標高在地下水位之下，則可判定斷裂帶和破碎巖體富含地下水;如果隧道標高在地下水位之上，則斷裂帶和破碎巖體可能含少量水或季節(jié)性含水。

4)偏移圖用藍紅表示軟硬巖體界面。紅色線條代表正的波速異常，表示波速由低變高、巖體由軟變硬的界面;藍色線條代表負的波速異常，表示波速由高變低、巖體由硬變軟的界面;先藍后紅線條的組合代表存在一個斷裂帶;紅藍條紋密集出現(xiàn)區(qū)域代表地質(zhì)現(xiàn)象中的斷裂帶或溶洞。斷裂的展布范圍大，在偏移圖像上顯示為較大范圍的紅藍條紋延伸(見圖3(a));溶洞的反射面不規(guī)則，在偏移圖像上顯示為紅藍條紋的延伸長度短(見圖3(b))。

2 應(yīng)用實例

2．1 斗磨隧道進口平導(dǎo)

斗磨隧道位于貴州省關(guān)嶺自治縣境內(nèi)，地處云貴高原構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)，區(qū)內(nèi)地形起伏，隧址區(qū)內(nèi)最高點位于隧道軸線南側(cè)的山頂，海拔2 454．3 m;最低點位于隧道出口南側(cè)的河谷中，海拔1 142 m，相對高差為1 312．3 m。隧道穿越區(qū)域以碳酸鹽、含煤地層分布為主要特征，具有剝蝕-溶蝕槽谷地貌特點。

隧址區(qū)基巖大多裸露，隧道進出口及緩坡地帶分布有少量覆土，隧道區(qū)地表水以山間溝水為主，水量較小，雨季時溝內(nèi)水量明顯增加。地下水主要為第四系松散土層空隙水、基巖裂隙水和巖溶水。不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖溶及巖溶水、煤層瓦斯及采空區(qū)、危巖落石等，特殊巖土為石膏。斗磨隧道是鐵道部重點工程，瓦斯含量高，被列為滬昆全線的Ⅰ級風(fēng)險隧道。本次重點對斗磨隧道進口平導(dǎo)D1K841+495掌子面前方150 m的地質(zhì)情況進行預(yù)報。

圖3 偏移圖像特點Fig．3 Typical migration image for karst cavity

2．1．1 TST數(shù)據(jù)處理結(jié)果及地質(zhì)解釋

通過TST數(shù)據(jù)處理中地震數(shù)據(jù)導(dǎo)入、壞道剔出、帶通濾波、干擾信號消除、觀測坐標編輯和二維方向濾波等步驟，經(jīng)全局掃描和分段掃描，得到預(yù)報地段圍巖的速度分布(見圖4)。

使用前方回波地震數(shù)據(jù)和分析得到的速度分布，進行深度偏移成像，得到如圖5所示的TST構(gòu)造深度偏移成像。

利用圖4和圖5并結(jié)合地質(zhì)資料分析，斗磨隧道進口平導(dǎo)D1K841+495掌子面前方150m地質(zhì)情況可劃分為3段，具體預(yù)報結(jié)果見表1。

表1 斗磨隧道進口平導(dǎo)TST地質(zhì)超前預(yù)報結(jié)果Table 1 TST advance geology prediction results of parallel adit of entrance section of Doumo tunnel

根據(jù)表1預(yù)報結(jié)果，建議在施工過程中:1)對圍巖穩(wěn)定性和完整性較差-差的地段加強支護;2)在D1K841+495～+526和D1K841+603～+645段采用地質(zhì)雷達、紅外探水儀或加深炮眼方法對掌子面前方地質(zhì)災(zāi)害體分布和地下水情況進行探測;3)有必要時，采用多功能鉆機進行超前鉆探。

2．1．2 超前水平鉆探測結(jié)果與TST結(jié)果對比驗證

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，在掌子面進行了超前水平鉆探測，探測結(jié)果為:里程D1K841+506～+517處存在較大溶洞，且有黏土和淤泥等填充物;里程D1K841+517～+538處鉆桿推進速度忽快忽慢，鉆孔處水為黑色，且?guī)簹馕?，初步判斷此區(qū)段可能存在煤層。

通過相互對比應(yīng)證TST預(yù)報結(jié)果與超前水平鉆探測結(jié)果，可以說明:1)根據(jù)表1預(yù)報結(jié)果所作的施工建議是合理的;2)在D1K841+495～+526段附近圍巖穩(wěn)定性和完整性較差，裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，分析存在溶洞或破碎帶，與超前水平鉆探測結(jié)果基本符合。

2．2 大獨山隧道1#橫洞

大獨山隧道全長11 882 m(單洞雙線隧道)，進口里程為DK852+772，出口里程為DK864+654，隧道可能存在的巖溶長為9 063 m(占全隧長度的76%)。大獨山隧道位于地處黔西高原向黔中丘陵過渡地帶，屬構(gòu)造剝蝕和溶蝕中低山地貌，總體來看，地勢北西高南東低，具構(gòu)造剝蝕-溶蝕地貌特點。

大獨山隧道洞身斷層破碎帶發(fā)育，區(qū)域斷層有7處，物探解譯斷層有11處，下穿1處暗河(位于隧道拱頂上約43 m)，部分隧道處于水平循環(huán)帶內(nèi)，部分處于季節(jié)交替帶，洞內(nèi)為人字坡。該隧道地質(zhì)復(fù)雜，為Ⅰ級風(fēng)險隧道。

2．2．1 TST數(shù)據(jù)處理結(jié)果及地質(zhì)解釋

通過TST數(shù)據(jù)處理流程處理后，得到大獨山隧道1#橫洞H1D1K0+808掌子面前方150 m的地質(zhì)體圍巖波速曲線圖(見圖6)。

使用前方回波地震數(shù)據(jù)和分析得到的速度分布，進行深度偏移成像，得到如圖7所示的TST構(gòu)造深度偏移成像。

對比圖6和圖7，結(jié)合掌子面開挖情況和地質(zhì)資料綜合分析，得到大獨山隧道1#橫洞TST地質(zhì)超前預(yù)報結(jié)果(見表2)。

根據(jù)表2預(yù)報結(jié)果，建議在H1D1K0+808～+760段加強支護并采用地質(zhì)雷達、紅外探水儀或加深炮眼方法對掌子面前方地質(zhì)災(zāi)害體分布和地下水情況進行探測。

2．2．2 地質(zhì)雷達探測結(jié)果與TST結(jié)果對比驗證

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，采用短進尺向前開挖，發(fā)現(xiàn)向前開挖的巖體逐漸破碎并伴隨有裂隙水出現(xiàn)。開挖到H1D1K0+784，在掌子面進行了地質(zhì)雷達探測，探測結(jié)果主要有2點。

圖6 大獨山隧道1#橫洞速度曲線Fig．6 Velocity of seismic wave at No．1 horizontal adit of Dadushan tunnel

圖7 大獨山隧道1#橫洞地質(zhì)構(gòu)造偏移成像Fig．7 Migration imaging of geological structures of No．1 horizontal adit of Dadushan tunnel

表2 大獨山隧道1#橫洞TST地質(zhì)超前預(yù)報結(jié)果Table 2 TST advance geology prediction results of No．1 horizontal adit of Dadushan tunnel

1)在掌子面前方0～10 m內(nèi)電磁波反射信號較強，頻率中等，同相軸較為連續(xù)，有斷續(xù)。判斷此區(qū)段內(nèi)巖層較破碎，含水，可能有夾層。

2)在掌子面前方10～30 m內(nèi)電磁波反射信號較強，頻率中等，同相軸較為連續(xù)，有斷續(xù)。判斷此區(qū)段內(nèi)巖層裂隙發(fā)育，局部為破碎帶或填充物，含水，可能有夾層。

通過TST預(yù)報結(jié)果與實際開挖情況、地質(zhì)雷達探測結(jié)果的相互對比應(yīng)證，可以看出預(yù)報結(jié)果與地質(zhì)雷達結(jié)果基本符合，說明TST預(yù)報結(jié)果是準確的，根據(jù)表2預(yù)報結(jié)果所作的建議是合理的。

3 結(jié)論與經(jīng)驗

在巖溶發(fā)育等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)進行的超前預(yù)報工作一直是超前預(yù)報領(lǐng)域的難題。利用TST超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)能夠?qū)φ谱用媲胺降刭|(zhì)情況進行有效、準確地預(yù)報，克服了僅基于反射理論的超前預(yù)報技術(shù)(如TSP造成的誤報和漏報問題)。

在滬昆客專貴州段的多次超前預(yù)報工作中，TST隧道超前地質(zhì)預(yù)報查明了掌子面前方150 m預(yù)報范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，對巖溶裂隙、溶洞的分布范圍、規(guī)模以及發(fā)育情況的預(yù)報與實際情況基本一致，為提前采取支護措施提供了準確的地質(zhì)依據(jù)，避免了工程事故的發(fā)生。

TST方法在巖溶地區(qū)的數(shù)據(jù)處理比較靈活，需要掌握好偏移圖像和速度掃描曲線的對應(yīng)關(guān)系。在實踐中不斷積累經(jīng)驗，就能得到比較理想的預(yù)報結(jié)果。在TST操作中有如下經(jīng)驗:

1)速度掃描過程分整體掃描和分段掃描2個步驟。整體掃描可以快捷地把握預(yù)報地段圍巖波速的分布特點，包括最優(yōu)波速、次優(yōu)波速和速度大致分段特點。

2)整體掃描的第1個目的是尋找最優(yōu)和次優(yōu)波速。速度掃描中會出現(xiàn)幾個能量高的極值點，其中能量最高的點對應(yīng)的波速為最優(yōu)波速，它表示有較長地段的圍巖適合該速度;能量次高的點對應(yīng)的波速為次優(yōu)波速，它代表有較短地段的圍巖適合該波速(一般選擇1～2個次優(yōu)波速)。整體速度掃描中速度步長一般選為200m/s。

3)整體掃描的第2個目的是確定圍巖波速分段，這是整體掃描最主要的任務(wù)。波速分段的原則是依據(jù)掃描中能量極值點的多少來決定;最優(yōu)波速對應(yīng)的分段長，次優(yōu)波速對應(yīng)的分段短。

4)判斷掃描中最優(yōu)和次優(yōu)波速適合的地段是依據(jù)偏移圖像疊加的效果。偏移圖像中速度適合的地段反射界面連續(xù)性好，疊加能量大，紅藍線條相間分布。如果速度選擇偏低，將出現(xiàn)過多的藍色條紋，反之將出現(xiàn)過多的紅色條紋。

5)按照上述原則，首先尋找最優(yōu)波速適合的較長地段，然后再逐次尋找次優(yōu)波速適合的地段。整體掃描中分段的主要目的是確定最優(yōu)、次優(yōu)1和次優(yōu)2等各波速分布的前后次序，分段的具體位置需要在分段掃描階段來確定。

建議逐漸建立典型地質(zhì)條件的偏移圖像樣本庫，方便初學(xué)者利用前人的經(jīng)驗進行地質(zhì)狀況判讀。

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