中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
張卿 羅宗帆
中鐵二十局滬昆客專,貴州省安順市黃果樹瀑布風(fēng)景區(qū)灑把新村，561000
摘要：為探索巖溶地區(qū)有效的超前預(yù)報(bào)技術(shù)方案，結(jié)合巖溶區(qū)的地震波場(chǎng)特征，嘗試使用基于散射和反射混合模型的TST隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。主要研究成果如下：1）基本查明斗磨隧道進(jìn)口平導(dǎo)和大獨(dú)山隧道1#橫洞掌子面前方150 m預(yù)報(bào)范圍內(nèi)的地質(zhì)情況；2）探明隧道掌子面前方巖溶裂隙、溶洞的分布范圍、規(guī)模以及發(fā)育情況；3）預(yù)報(bào)的結(jié)果與實(shí)際情況基本一致,為提前采取支護(hù)措施提供準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)。
關(guān)鍵詞 : 巖溶；隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)；TST；速度掃描；方向?yàn)V波；偏移成像
Application of TST Advance Geology Prediction Technology in Karst Area in Guizhou
Zhang Qing, Luo Zongfan
Hukun Passenger Special Line, China Railway 20th Bureau
Abstract TST advance geology prediction technology,which is based on the mixed model of scattering and reflecting,is adopted in the construction of tunnels in karst areas in Guizhou.Main study results are shown:1）The geological conditions 150 m ahead of the face of the parallel adit of the entrance section of Doumo tunnel and ahead of the face of No.1horizontal adit of Dadushan tunnel are obtained.2) The distribution,scale and development of the karst fissures and karst caves ahead of the tuunel face are predicted.3)The prediction results,which coincide with the actual geological conditions ,provide accurate geological basis to take support measures in advance.
Key words: karsts；advance geologyl prediction；TST；velocity scan；directional filter； migration imaging
一、引言
新建滬昆鐵路是我國(guó)交通網(wǎng)中“五縱五橫”運(yùn)輸大通道的重要組成部分，是長(zhǎng)三角、珠三角等沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)向西南內(nèi)陸地區(qū)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)輻射的主要軸線，在區(qū)域綜合交通運(yùn)輸體系中作用巨大。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)條件。
在隧道施工過程中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)于查清隧道不利地質(zhì)條件、預(yù)報(bào)掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造和含水性、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(bào)技術(shù)預(yù)報(bào)長(zhǎng)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(duì)于大型斷裂帶和巖性分界面等地質(zhì)對(duì)象，因其物性差異大故反射信號(hào)強(qiáng)，使用基于反射理論的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)開展工作[5]，難度相對(duì)較小。對(duì)于巖溶、圍巖裂隙等小型地質(zhì)構(gòu)造的預(yù)報(bào)基于反射理論的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)則難以發(fā)揮作用，誤報(bào)率高。在我國(guó)西南的巖溶區(qū)，大部分巖溶是以構(gòu)造裂隙巖溶為主，沿?cái)嗔雅c構(gòu)造裂隙發(fā)育[6]。由于溶蝕、崩塌、沖蝕作用，巖溶形態(tài)復(fù)雜，多有部分填充。管道巖溶也較發(fā)育，其埋深大，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(zhǎng)，對(duì)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(duì)巖溶區(qū)地震場(chǎng)波的特征，利用散射波進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)勢(shì)在必行。散射波的傳播規(guī)律、波場(chǎng)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(duì)散射波的專有的處理技術(shù)。TST地質(zhì)超前預(yù)報(bào)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(bào)系統(tǒng)[10] [11]。本文利用基于散射理論的TST超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)并綜合地質(zhì)雷達(dá)等其他預(yù)報(bào)方法成功解決了巖溶地區(qū)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的難題。
二、TST隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)
2.1散射掃描成像技術(shù)
超前預(yù)報(bào)時(shí)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、地表面等波阻抗變化界面時(shí)發(fā)生反射、散射與折射。當(dāng)?shù)刭|(zhì)界面尺度遠(yuǎn)大于地震波波長(zhǎng)時(shí)，地震波傳播遵從層狀介質(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(dāng)?shù)刭|(zhì)界面的尺度小于地震波長(zhǎng)時(shí)，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(diǎn)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(shí)際地質(zhì)條件下，既有像巖性界面、斷層、地表面等這樣的大尺度的反射界面，也有像巖溶、采空區(qū)、孤石等這樣的小尺度離散地質(zhì)體。
采用反射與散射的混合模型（圖2）,根據(jù)反射波以及散射波的傳播規(guī)律，分別將散射波和反射波進(jìn)行偏移歸位，得到隧道掌子面前方的真實(shí)地質(zhì)情況，這就是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(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的具體技術(shù)措施，如方向?yàn)V波、圍巖速度分析、掃描成像等以及在數(shù)據(jù)采集時(shí)的觀測(cè)系統(tǒng)要求趙永貴、蔣輝等已經(jīng)多次論述，此處不再介紹[9]。
2.2 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;波速低代表巖體破碎,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(duì)應(yīng)位置為低波速帶；構(gòu)造條紋少的地段，圍巖均勻致密，波速圖像中對(duì)應(yīng)高波速帶。
3) 對(duì)巖體含水性的預(yù)報(bào)要結(jié)合水文地質(zhì)資料，如果隧道標(biāo)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(biāo)高在地下水位之上，則斷裂帶和破碎巖體僅可能含少量水或季節(jié)性含水。
4) 偏移圖用色彩分明的藍(lán)紅分別表示軟硬巖體界面，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(lán)色線條代表負(fù)的波速異常,表示波速由高變低、巖體由硬變軟的界面;先藍(lán)后紅線條的組合代表存在一個(gè)斷裂帶。紅藍(lán)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，體現(xiàn)在偏移圖像上是較大范圍的紅藍(lán)條紋延伸；溶洞的反射面不規(guī)則，在偏移圖像上顯示為紅藍(lán)條紋的延伸長(zhǎng)度短。
三、應(yīng)用實(shí)例
3.1 斗磨隧道進(jìn)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)地形波狀起伏，隧址區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)位于隧道軸線南側(cè)的山頂，海拔高程2454.3m；最低點(diǎn)位于隧道出口南側(cè)的河谷中，海拔高程1142m，相對(duì)高差1312.4m。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(diǎn)。地表分布有大多裸露，溶槽、溶蝕地貌景觀。
隧址區(qū)基巖大多裸露，隧道進(jìn)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(shí)溝內(nèi)水量明顯增加。地下水類型主要為第四系松散土層空隙水、基巖裂隙水、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，斗磨隧道因高含量的瓦斯層，被列為滬昆全線的一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道，是鐵道部重點(diǎn)工程。本次預(yù)報(bào)斗磨隧道進(jìn)口平導(dǎo)D1K841+495掌子面前方150m的地質(zhì)情況。
3.1.1 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(hào)消除、觀測(cè)坐標(biāo)編輯、二維方向?yàn)V波等步驟，經(jīng)全局掃描和分段掃描，得到預(yù)報(bào)地段圍巖的速度分布。
使用前方回波地震數(shù)據(jù)和分析得到的速度分布，進(jìn)行深度偏移成像，得到TST 構(gòu)造深度偏移成像，它反映了掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造特征。
斗磨隧道進(jìn)口平導(dǎo)地質(zhì)構(gòu)造偏移成像 (Migration image of the entrance of Doumo Tunnel)
利用圖4、圖5并結(jié)合地質(zhì)資料分析得出斗磨隧道進(jìn)口平導(dǎo)D1K841+495掌子面前方150m內(nèi)地質(zhì)情況，可劃分為3段（如表1）。
表1 斗磨隧道進(jìn)口平導(dǎo)TST地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果(The prediction result of the entrance of Doumo Tunnel)
里程 長(zhǎng)度（m） 波速（VP）km/s 探測(cè)結(jié)果推斷
D1K841+495～ D1K841+526 31 2.9 該段圍巖在構(gòu)造偏移圖上呈現(xiàn)紅藍(lán)組合，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。圍巖為IV級(jí)。
D1K841+526～ D1K841+603 77 3.1 圍巖穩(wěn)定性和完整性較好，裂隙稍發(fā)育。圍巖為III級(jí)。
D1K841+603～ D1K841+645 42 2.9 該段圍巖在構(gòu)造偏移圖上呈現(xiàn)紅藍(lán)組合，圍巖穩(wěn)定性和完整性較差，裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，分析存在斷層或軟弱夾層。圍巖為IV級(jí)。
根據(jù)以上預(yù)報(bào)結(jié)果，建議在施工的過程中，
1) 對(duì)圍巖穩(wěn)定性和完整性較差～差的地段，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。
2) 在D1K841+495～D1K841+526、D1K841+603～D1K841+645段采用地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水儀或加深炮眼方法對(duì)掌子面前方地質(zhì)災(zāi)害體分布和地下水情況進(jìn)行探測(cè)。
3) 有必要時(shí)，采用多功能鉆機(jī)進(jìn)行超前鉆探。
3.1.2 超前水平鉆探測(cè)結(jié)果與TST結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證
根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，施工方在掌子面進(jìn)行了超前水平鉆探測(cè)，探測(cè)結(jié)果為：里程D1K841+506～D1K841+517，此處存在較大溶洞，且有粘土、淤泥等填充物；里程D1K841+517～D1K841+538，此處鉆桿推進(jìn)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TST預(yù)報(bào)結(jié)果與超前水平鉆探測(cè)結(jié)果相互對(duì)比應(yīng)證，說明我們所作的建議是合理的,而在D1K841+495～D1K841+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(cè)結(jié)果基本符合。
3.2 大獨(dú)山隧道1#橫洞
大獨(dú)山隧道全長(zhǎng)11882m，進(jìn)口里程DK852+772，出口里程DK864+654，為單洞雙線隧道，隧道可能溶巖長(zhǎng)度為9063m，占全隧長(zhǎng)度的76%。大獨(dú)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、溶蝕中低山地貌，總體來看，地勢(shì)北西高南東低，具構(gòu)造剝蝕～溶蝕地貌特點(diǎn)。
大獨(dú)山隧道洞身斷層破碎帶發(fā)育，區(qū)域斷層7處，物探解譯斷層11處，下穿1處暗河（位于隧道拱頂上約43m），部分段落隧道處于水平循環(huán)帶內(nèi)，部分段落處于季節(jié)交替帶，洞內(nèi)為人字坡。該隧道地質(zhì)復(fù)雜，為I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。
3.2.1 TST數(shù)據(jù)處理結(jié)果及地質(zhì)解釋
按TST數(shù)據(jù)處理流程處理后得到大獨(dú)山隧道1#橫洞H1D1K0+808掌子面前方150m內(nèi)的地質(zhì)體圍巖波速曲線圖、偏移圖像如圖6：
圖6 大獨(dú)山隧道1#橫洞速度曲線 (Velocity curve of the entrance of Dadushan Tunnel)
使用前方回波地震數(shù)據(jù)和分析得到的速度分布，進(jìn)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，它反映了掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造特征。
注：圖中黑色小框?yàn)闄z波器孔和爆破孔布置點(diǎn)（Black box is receiver and shot points）
圖7 大獨(dú)山隧道1#橫洞地質(zhì)構(gòu)造偏移成像(Migration image of the entrance of Dadushan Tunnel)
對(duì)比圖6、圖7，結(jié)合掌子面開挖情況和地質(zhì)資料綜合分析，得到表2的結(jié)論。
表2 大獨(dú)山隧道1#橫洞TST地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果 (The prediction result of the entrance of Dadushan Tunnel)
里程 長(zhǎng)度（m） 波速（VP）km/s 探測(cè)結(jié)果推斷
H1D1K0+808～ H1D1K0+760 48 3.0 該段圍巖在構(gòu)造偏移圖上呈現(xiàn)紅藍(lán)組合，圍巖穩(wěn)定性和完整性較差，巖溶裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，有水，在隧道中軸線右側(cè)，疑存在充填型巖溶裂隙。圍巖為IV級(jí)。
H1D1K0+760～ H1D1K0+658 102 3.1 圍巖穩(wěn)定性和完整性好，裂隙稍發(fā)育，圍巖整體為III級(jí)。
根據(jù)以上預(yù)報(bào)結(jié)果，建議施工方在H1D1K0+808～H1D1K0+760段應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)并采用地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水儀或加深炮眼方法對(duì)掌子面前方地質(zhì)災(zāi)害體分布和地下水情況進(jìn)行探測(cè)。
3.2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果與TST結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證
根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，施工方采用短進(jìn)尺向前開挖，發(fā)現(xiàn)向前開挖巖體逐漸破碎并有裂隙水出現(xiàn)。開挖到H1D1K0+784，施工方在掌子面進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，探測(cè)結(jié)果為：
- 在掌子面前方0～10m深度范圍內(nèi)：電磁波反射信號(hào)較強(qiáng)，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，巖層含水，可能有夾層。
- 在掌子面前方10～30m深度范圍內(nèi)電磁波反射信號(hào)較強(qiáng)，頻率中等，同相軸較為連續(xù)，有斷續(xù)，初步判斷此區(qū)段內(nèi)巖層裂隙發(fā)育，局部為破碎帶或填充物，巖層含水，可能有夾層。
通過TST預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際開挖情況、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果相互對(duì)比應(yīng)證，可以看出我們所做的預(yù)報(bào)結(jié)果與地質(zhì)雷達(dá)結(jié)果基本符合，說明TST預(yù)報(bào)結(jié)果是準(zhǔn)確的，建議是合理的。
四、結(jié)論與討論
在巖溶發(fā)育等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)的進(jìn)行超前預(yù)報(bào)工作一直是超前預(yù)報(bào)領(lǐng)域的難題。利用TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)能夠?qū)φ谱用媲胺降刭|(zhì)情況有效、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)?？朔藘H基于反射理論的超前預(yù)報(bào)技術(shù)（如TSP等造成的誤報(bào)和漏報(bào)問題）。
在滬昆客專貴州段的多次超前預(yù)報(bào)工作中，TST隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)查明了掌子面前方150 m預(yù)報(bào)范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，對(duì)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(bào)與實(shí)際情況基本一致,為提前采取支護(hù)措施提供了準(zhǔn)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(duì)應(yīng)關(guān)系，在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，就能得到比較理想的預(yù)報(bào)結(jié)果。在TST操作中有如下經(jīng)驗(yàn)：
1. 速度掃描過程分整體掃描和分段掃描兩個(gè)步驟。整體掃描可以快捷地把握預(yù)報(bào)地段圍巖波速的分布特點(diǎn)，包括最優(yōu)波速、次優(yōu)波速、速度大致分段特點(diǎn)。
2. 整體掃描的第1個(gè)目的是尋找最優(yōu)和次優(yōu)波速。速度掃描中會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)能量高的極值點(diǎn)，其中能量最高的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波速為最優(yōu)波速，它表示有較長(zhǎng)地段的圍巖適合該速度；能量次高的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波速稱次優(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(gè)次優(yōu)波速）。整體速度掃描中速度步長(zhǎng)一般選擇200m/s。
3. 整體掃描的第2個(gè)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(diǎn)的多少來決定；最優(yōu)波速對(duì)應(yīng)的分段長(zhǎng)，次優(yōu)波速對(duì)應(yīng)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(lán)線條相間分布。如果速度選擇偏低，將出現(xiàn)過多的藍(lán)色條紋，反之將出現(xiàn)過多紅色條紋。
5. 按照上述原則，首先尋找最優(yōu)波速適合的較長(zhǎng)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、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(kù)，方便初學(xué)者利用前人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行地質(zhì)狀況判讀。
