摘要:針對(duì)營達(dá)高速公路花冠隧道工作面前方地質(zhì)構(gòu)造問題，為隧道工程的安全施工提供更為準(zhǔn)確的物探資料，采用地震層析成像技術(shù)的原理，介紹了該方法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的準(zhǔn)備事項(xiàng)、工作流程及注意事項(xiàng)。通過在花冠隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的應(yīng)用研究，表明該方法在隧道超前預(yù)報(bào)中探測(cè)范圍廣，隧道上下、左右探測(cè)距離能達(dá)到50m，前方探測(cè)距離能達(dá)到150m;并通過三維成像方法能將隧道工作面前方地質(zhì)構(gòu)造異常空間位置直觀地表現(xiàn)出來。提高了隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果的解釋準(zhǔn)確度及精度。

　　關(guān)鍵詞:地震層析成像;隧道工程;超前地質(zhì)預(yù)報(bào);三維成像;巖體破碎帶;地質(zhì)異常體

　　0引言

　　隧道工程往往存在埋深較深、地勢(shì)復(fù)雜且里程較長的特點(diǎn)，所以地質(zhì)條件較為復(fù)雜。隧道施工中往往要經(jīng)過如溶洞、斷層、煤層、瓦斯富集區(qū)、富水區(qū)、破碎帶等許多不良地質(zhì)異常體，而在勘察設(shè)計(jì)階段難以準(zhǔn)確的查明這些隱蔽的不良地質(zhì)體具體情況，這造成勘察設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)勘察資料與實(shí)際地質(zhì)情況不符。查明這些隱伏不良地質(zhì)異常體，為隧道施工提供可靠的地質(zhì)物探資料，進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是非常必要的，它在隧道施工中具有重要的作用，它是隧道掘進(jìn)開挖之前必須進(jìn)行的一個(gè)重要步驟[1-5]。

　　隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用的工作方法有鉆探法、地質(zhì)調(diào)查法、物探方法，常使用的物探方法有電法、電磁法、地震波法。現(xiàn)階段隧道長距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法使用的主要是地震波法，它包括TSP、TGP、TRT、TST、HSP等各種方法。隧道地震波反射層析成像技術(shù)(簡(jiǎn)稱TRT)具有操作簡(jiǎn)單、探測(cè)距離較長、不需要放炮、費(fèi)用低、成果三維顯示、結(jié)果解釋較準(zhǔn)確等諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近年來在各個(gè)隧道都有良好的應(yīng)用[6-12]。

　　1原理與技術(shù)方法

　　1.1基本原理

　　地震波反射層析成像技術(shù)簡(jiǎn)稱TRT，屬于地震波超前預(yù)報(bào)法。該技術(shù)是在隧道工作面布置三維觀測(cè)的無線檢波器，在震源點(diǎn)用大錘激發(fā)地震波，地震波在向隧道工作面掘進(jìn)前方傳播過程中遇到波阻抗界面，即地層巖石分界面或巖體變化界面，如巖性分界面、斷層構(gòu)造、破碎構(gòu)造帶、巖溶、采空區(qū)、富水區(qū)等，一部分透射進(jìn)入前方繼續(xù)傳播，一部分彈性波信號(hào)被反射回來的高靈敏度傳感器接收，并通過無線傳感器基站把信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。通過處理得到隧道工作面掘進(jìn)前方三維地震波反射層析圖，分析隧道工作面掘進(jìn)前方不良地質(zhì)異常體的性質(zhì)的位置及規(guī)模。當(dāng)?shù)卣鸩◤牡妥杩箮r層介質(zhì)傳播到高阻抗巖層介質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)R為正;反之，反射系數(shù)R為負(fù)。

　　所以，當(dāng)?shù)卣鸩◤妮^軟巖傳播到較硬的圍巖時(shí)，反射回波的偏轉(zhuǎn)極性和波源是相同的。當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑サ絿鷰r破裂帶時(shí)，反射回波的極性會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。地質(zhì)異常反射體的范圍越大，聲學(xué)阻抗差異性就越大，反射回波能量就越強(qiáng)，越容易探測(cè)到[13-17]。該技術(shù)采用層析掃描成像技術(shù)，形成直觀、立體的三維圖，立體圖中的反射邊界煤一點(diǎn)離散圖像是由空間疊加所有地震波形計(jì)算得來。通過分析，得出隧道工作面前方地質(zhì)異常體的性質(zhì)、位置、形狀、大小。

　　1.2工作前準(zhǔn)備

　　現(xiàn)階段使用地震波反射層析成像技術(shù)的儀器主要有美國產(chǎn)TRT6000、TRT7000，以TRT7000為例工作前準(zhǔn)備主要有以下4個(gè)方面。

　　(1)儀器完整性檢查。1臺(tái)系統(tǒng)主機(jī)，11個(gè)模塊，1個(gè)BASE，1根BASE和主機(jī)連接線，1個(gè)采集密碼狗，1根觸及線纜及1個(gè)觸發(fā)器，10個(gè)傳感器，10個(gè)固定塊及10根固定細(xì)管。

　　(2)儀器充電。包括主機(jī)、模塊、無線風(fēng)鉆。

　　(3)設(shè)備工作狀態(tài)檢查。連接基站、打開無線模塊，檢查采集軟件中相應(yīng)通道綠燈是否亮，若所有燈不亮，需要檢查基站連接線、基站和軟件設(shè)置，若某個(gè)通道不亮，則檢查相應(yīng)模塊。觸發(fā)正常后連接所有傳感器，每個(gè)傳感器按一定順序排開，開始采集數(shù)據(jù)，看每個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)地震波初至是否明顯，如果初至波不明顯，則更換線或傳感器，如果始終無法讓初至波明顯，則維修無線模塊，直至所有通道初至波明顯為止。

　　(4)物品準(zhǔn)備。1個(gè)12磅左右大錘，1個(gè)小錘，1瓶做標(biāo)記用的噴漆，10個(gè)鐵鉤子，1L左右的水，梯子或者裝載機(jī)，全站儀，帶��8mm鉆頭的沖擊鉆。

　　1.3工作流程

　　以TRT7000儀器的工作過程為例:選擇震源點(diǎn)及檢波器點(diǎn)，測(cè)量人員測(cè)量坐標(biāo)，操作人員安裝傳感器及遠(yuǎn)程模塊，建立基站，連接電腦，測(cè)試是否正常，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

　　1.4注意事項(xiàng)

　　檢波器應(yīng)固定牢固，布置前用小錘輕輕敲擊巖石表面，確保不要選取破碎的點(diǎn);用全站儀準(zhǔn)確測(cè)量記錄好12個(gè)震源點(diǎn)、10個(gè)檢波器的三維坐標(biāo);遠(yuǎn)程模塊掛在隧道壁上，注意保持天線朝下，而基站的無線模塊天線注意保持朝上;設(shè)備采用的是進(jìn)口高靈敏度、高精度的檢波器，對(duì)環(huán)境震動(dòng)及噪聲比較敏感，在作業(yè)時(shí)必須完全排除隧道施工和環(huán)境產(chǎn)生的震動(dòng)及噪音等干擾因素。

　　1.5成果分析

　　使用RV3D軟件處理數(shù)據(jù)得到隧道工作面掘進(jìn)方向空間的物探異常體的三維立體圖像成果，運(yùn)用用相對(duì)異常解釋原理，先確定地震波在正常連續(xù)均勻的巖性體傳播為正常的背景場(chǎng)，形成物探異常體區(qū)域偏離背景場(chǎng)值的大小、范圍、距離，然后結(jié)合地質(zhì)勘察資料、已揭露的地質(zhì)資料、施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)綜合考慮解釋隧道工作面前方不良地質(zhì)體的位置、性質(zhì)、形狀、規(guī)模[17-20]。

　　2工程實(shí)例

　　2.1工程概況

　　花冠隧道位于營山至達(dá)州在建高速公路。隧道地貌單元屬構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)，地貌單位由中等強(qiáng)度的構(gòu)造及長期的剝蝕堆積形成，形成山丘渾圓、斜坡較緩、溝谷寬闊的地面形態(tài)，微地貌主要表現(xiàn)為丘陵、緩坡、陡坎、沖溝、寬谷等。

　　在長期的剝蝕作用下，地勢(shì)無明顯脈絡(luò)，迂回起伏較為破碎，地形為爪狀起伏垅崗與寬闊槽谷相間雜呈，垅崗由小山丘與不規(guī)則狀殘丘組成，地形地貌較復(fù)雜。洞體主要圍巖主要由侏羅系上統(tǒng)蓬萊組下段砂巖、粉砂質(zhì)泥巖組成。巖層產(chǎn)狀為357°∠6°，傾向與坡向夾角為70°，為層狀斜向結(jié)構(gòu)，呈較不利組合，且由于巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，易產(chǎn)生節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎不良地質(zhì)體。花冠隧道左線的起止里程ZK34+740m—ZK35+345m，長605m;右線的起止里程K34+720m—K35+365m，長645m。

　　2.2現(xiàn)場(chǎng)采集

　　試驗(yàn)探測(cè)位置為花冠隧道進(jìn)口左線，里程為ZK34+808m。探測(cè)使用的儀器為TRT7000設(shè)備，儀器組成:檢波器10個(gè)，檢波器固定塊10個(gè)，無線模塊11個(gè)，無線通訊基站1個(gè)，觸發(fā)器1個(gè)，儀器主機(jī)。根據(jù)隧道工作面具體情況的設(shè)計(jì)安裝10個(gè)傳感器，在工作面左右邊墻分別布置4個(gè)，隧道拱頂布置2個(gè)，錘擊震源點(diǎn)在隧道左右邊墻分別布置6個(gè)共設(shè)計(jì)12個(gè)。

　　2.3超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)結(jié)果

　　通過軟件處理得到三維地震反射界面的分布圖，結(jié)合工區(qū)的地質(zhì)資料、鉆探資料和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況綜合分析，預(yù)報(bào)結(jié)論如下:

　　(1)工作面前方14～39m(ZK34+822m—ZK34+847m)，三維成像圖顯示在該區(qū)域存在范圍較廣且反射振幅較強(qiáng)的地震波反射界面帶，結(jié)合地質(zhì)資料和已掘進(jìn)段的地質(zhì)情況綜合判斷該段地質(zhì)異常體是由于圍巖層理、裂隙發(fā)育，巖體破碎帶引起。

　　(2)工作面前方110～130m(ZK34+918m—ZK34+938m)，三維成像圖顯示存在較弱的地震波反射界面，結(jié)合地質(zhì)資料和已掘進(jìn)段的地質(zhì)情況推測(cè)該段圍巖存在裂隙或含有裂隙水，也有可能是干擾造成的假異常。

　　(3)工作面前方0～10m、40～110m、130～150m(ZK34+808m—ZK34+818m、ZK34+848m—ZK34+918m、ZK34+938m—ZK34+958m)，三維成像圖顯示該區(qū)域范圍內(nèi)無明顯地震反射波，推測(cè)該段圍巖完整性較好無明顯異常。

　　2.4驗(yàn)證結(jié)果

　　隧道掘進(jìn)后的地質(zhì)資料顯示:工作面前方18～38m(ZK34+826m～ZK34+846m)巖性為粉砂質(zhì)泥巖，層理、裂隙發(fā)育，巖體較破碎。工作面前方115～125m(ZK34+923m～ZK34+933m)工作面附近圍巖無明顯異常現(xiàn)象。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)際掘進(jìn)驗(yàn)證情況基本一致。

　　3結(jié)論

　　(1)地震反射層析成像技術(shù)操作簡(jiǎn)便、三維成像、直觀準(zhǔn)確地顯示地質(zhì)異常體，探測(cè)距離能達(dá)到150m，探測(cè)范圍廣，隧道上下、左右50m，隧道前方、側(cè)方和上下方向異常都能探測(cè)到。

　　(2)地震反射層析成像技術(shù)能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)花冠隧道內(nèi)的不良地質(zhì)異常體，為本隧道的安全施工提供了可靠的地質(zhì)物探資料，有利于在此工程項(xiàng)目其他隧道工程推廣及應(yīng)用。

　　(3)結(jié)果解釋需要結(jié)合地質(zhì)勘察資料、已揭露的地質(zhì)資料、施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)綜合考慮解釋，提高超前預(yù)報(bào)工作的準(zhǔn)確性。

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