张 鹏
(安徽省路桥试验检测有限公司,安徽 合肥 230000)
0 引言
隧道超前预报对查清不利地质条件、预报掌子面前方的不良地质体和分布、保障施工安全具有重要作用，已成为隧道施工重要的技术环节[1]。地震法超前预报采集的是复杂的三维波场，回波来自四面八方，回波中包含纵波、横波等不同性质的波，每一个分量检波器的记录都是纵波与横波的叠加。
由于隧道开挖而诱发的地质灾害具有复杂性、特殊性、突发性和灾难性，因此在开挖前进行超前地质预报，探明掌子面前方一定距离的地质段的围岩特性，判断围岩的完整性、稳定性、不良地质体及分布，进而开挖前做好支护措施，保证隧道施工安全[2]。
1 TST技术原理
隧道地质超前预报系统TST(Tunnel Seismic Tomography)，是隧道地震层析成像的简称。接收与激发系统沿隧道二维阵列式观测，且横向展布，地震波由冲击震源或小规模爆破产生，并由三分量检波器接收。TST采用二维FFT变换进行波场识别与分离，对地震波信号进行波场分离和方向滤波，以滤除侧向、顶板、底板地震回波，仅保留掌子面前方回波。在波场分离和叠加能量最大化法波速分析基础上，采用合成孔径偏移成像技术，对检波器孔径内的散射信号进行延时叠加，对地质分层面位置的反射界面进行准确反映[3，4]。同时提供掌子面前方围岩的准确波速和地质界面位置图像，波速为岩体的工程类别划分提供依据，界面用于地质构造解释。
2 工程实例
构皮滩隧道为分离式隧道，右幅起讫桩号为K31+515～K33+852，隧道穿越的地层岩性复杂多样，地质构造发育，场地岩土分布不均匀，性质变化大。为此采用TST技术对右幅K31+857～K32+007段进行了超前围岩性质预报，预报掌子面前方150 m范围内的地质情况，探明前方断层、节理裂隙发育带、含水体、熔岩等等不良地质体，判定不良地质体的位置、形式、规模等，以指导工程安全施工。
2.1 现场测试布置
TST系统硬件由信号采集器、检波器、震源及连接线缆等部分组成，见图1。
本次TST地震波法观测系统现场沿隧道两侧围岩布置，L为最后检波器离掌子面的距离，该距离控制在5.0 m之内。空间采样间隔小于1/4波长，满足方向滤波要求，空间观测总长度大于3个波长，满足方向滤波要求。具体布置：
1)检波接收孔8个，S1～S8布置在两侧壁内，检波器间距4.0 m，埋深1.8 m～2.0 m，离地面约1.5 m。
2)炸药震源孔8个，P1～P8布置在两侧壁内，每侧壁分别4个，其中第1个震源孔P1与检波器S1距离为4.0 m，震源孔P2与检波器S8距离为4.0 m，其余每侧震源孔之间距离为16 m，埋深1.8 m～2.0 m，离地面约1.5 m。
3)检波器孔和震源孔均采用手风钻成孔，钻头直径50 mm。采用炮泥耦合和封堵，现场放炮顺序P1～P8。观测系统测点布设示意图如图2所示。
2.2 测试数据处理
TST的数据处理流程可分为参数设置、预处理、波场分离、波速分析、偏移成像和地质解释等环节，处理流程见图3。
2.3 地质预报结果
现场经过小规模爆破进行信号采集和数据后处理，得到掌子面K31+857前方150 m范围内的纵、横波地质体偏移图像和围岩波速曲线，分别如图4，图5所示。
地质构造偏移成像图解释：深灰条纹表示围岩由硬变软的界面，浅灰表示由软变硬的界面。围岩速度分布图解释：波速低表示围岩破碎，弹性模量低；波速高表示围岩完整、弹性模量高，波速图像与地质构造图像有很好的对应性。构造偏移图像中反射条纹密集的地段，结构复杂、构造发育，在波速图像中对应位置为低波速带；构造条纹少的地段，围岩均匀致密，波速图像中对应高波速带。
根据隧道前方围岩波速分布测试结果，得出对围岩性质的判别见图6。
根据图6，K31+917～K31+932，K31+947～K31+967里程区间内施工时，由于围岩破碎、软弱，岩溶发育并具有富水性，存在突水突泥的可能性极大，开挖时应及时进行支护或喷锚，注意因爆破、机械振动等因素引起的围岩松动，导致围岩掉块或坍塌，建议对该段实施超前水平钻探，以进一步验证前方围岩情况及地下水发育情况；其他区段围岩推测强度偏高，节理裂隙发育，围岩完整性一般，自稳能力一般。
3 结语
根据实际开挖情况表明采用TST技术基本探清了预报既定范围内的地质特征，探明了隧道掌子面前方软弱岩层的位置、规模及节理裂隙发育情况，预报结果与开挖结果一致性较好，为提前支护措施提供了准确的地质依据，避免了安全事故的发生。采用TST技术实现了地质超前预报和波速精确分析，保证了地质构造定位的准确性。
