散射地震波CT技术在某隧道超前地质预报中的应用

易 威，代 勇

(华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640)

1 情况介绍

隧道施工过程中经常会遇到各种地质灾害，这些灾害在设计勘察的时候通过地质素描、超前钻孔等手段进行了一定程度的预测预报，但由于岩体的复杂性，设计勘测结果有时会和实际情况有些差异，像遇到岩层断裂破碎、富水淤泥、岩溶溶洞等灾害地质时如果不能够准确预报，便会给工程造成较大损失。预报掌子面前方的地质构造和含水性，对保障施工安全具有重要作用，已成为隧道施工有效的技术环节。

目前隧道地质超前预报分为地质方法和地球物理方法两类。其中地质方法包括地质素描、超前钻孔等，预报距离大概在15 m以内，适合短程预报。物探方法包括地震反射法、瞬变电磁法等，电磁法更适合中程距离预报，当前超前地质预报以地震反射波法为主。地震反射波法主要有 TSP，TGP，TRT，TST等各种方法，其中前三个主要基于反射理论，20世纪90年代初我国开始从瑞士引进使用TSP法，该法与国内近年来使用的TGP法相似都存在一些问题，如不能准确分析前方围岩波速，采用零偏移距不能有效滤除侧向回波，不能区分不同方向的回波和消除侧向干扰波，不能准确确定掌子面前方围岩波速分布和反射体的准确位置，在没有滤除干扰波的前提下进行纵横波分离和偏移成像，得到的结果往往不真实，使偏移图像包含虚假信息。这些技术缺陷最终导致预报位置不准确，构造图像不真实，给超前预报工作带来更大的风险，造成预报不准确现象。而基于逆散射理论的CT成像技术(又叫TST技术)则对以上问题能够更好地解决，逆散射理论之所以好是因为散射理论具有普遍性，反射理论仅是散射面无穷大时的一种特殊情况，散射理论具有更高的分辨率。基于地震散射场理论，观测系统采用空间布置方式，接收与激发系统布置在隧道两侧围岩中。地震波由小规模爆破产生，并由地震检波器同步接收。该方法可有效地判别和滤除侧面和上下地层的地震回波，仅保留掌子面前方回波，运用偏移叠加能量最大化原理确定最优偏移速度，并能同时显示地质体的位置图像。

2 散射地震波成像技术原理及观测系统

2.1 技术原理

根据惠更斯—菲涅尔原理，当振动从某点激发向下传播的过程中，地下任意一点都可以被当作二次振源，也可以被当作散射点。由该点发出的散射波在地表干涉、叠加最终被检波器记录。因此地震采集中记录的信号并非单纯的反射波，而是全波场，可以根据这一原理获得散射模拟记录。对于前方某个散射点，地震波从震源传播到散射点，被散射点散射后，逆向散射部分从散射点传播到地面，因此地面的每个接收点均能接收到来自散射点的信息。根据Bancroft和Geiger提出的等效偏移距偏移(EOM)的方法抽取共散射点道集，再应用克希霍夫积分公式可对散射波进行成像。通过对大量理论模型和实际资料的处理验证，应用的散射信息越多，散射成像的效果越好，而且要好于反射波的成像结果。该预报系统是通过可视化地震反射成像技术预报隧洞掌子面前方150 m范围内的地质情况，可推断前方断裂带、破碎带、岩溶发育带以及岩体工程类别变化等地质对象的位置、规模和性质。该法充分运用地震反射波的运动学和动力学特征，具有岩体波速扫描、地质构造方向扫描、速度偏移成像、吸收系数成像、走时反演成像等多种功能，从岩体的力学性质、岩体完整性等多方面对地质情况进行综合预报。其技术的核心包含5部分:①观测系统的设计，为减小面波干扰，应将检波器和震源埋入围岩中深2 m以上;②地下三维波场分析识别、方向滤波与横波分离，其检波器布置在隧道两侧，满足不同偏移距方向滤波要求，检波器间距4～6 m，＜1/4地震波长，保证方向滤波精度，图1为三维波场回波与方向滤波;③围岩波速分析与地质构造位置的准确确定;④地震资料运动学和动力学信息的全面运用;⑤地质构造偏移成像与速度分布表述与解释。

图1 三维波场回波与方向滤波

2.2 观测系统

系统硬件主要由地震信号采集器、地震信号记录器、检波器及联结系统、爆炸装置等几部分组成，详见图2所示。

图2 系统硬件组成

观测系统的布置如下:①检波器12个，布置在两侧壁内，每侧6个，间距4.0 m，埋深1.5 m;②爆炸震源6个，布置在两侧壁内，每侧3个，每侧第1个炮孔距最近检波器4 m，其余2个间距24.0 m，埋深1.8～2.0 m，炸药量400 g。③采用直径50 mm风钻成孔，单发毫秒电雷管，采用起爆器控制起爆。④采用炮泥耦合封堵。详见图3。

图3 CT成像技术激发与接收方式(单位:m)

具体方法如下:根据地质构造的走向情况，在隧道的左、右两侧边墙激发地震波，同时在隧道的两侧边墙布置12个检波器(地震加速度传感器)接收，采集数据时，检波器只接收来自掌子面前方纵波分量和横向的剪切波分量的混合波，采用方向滤波算法滤除横向剪切波，只保留来自掌子面前方纵波分量，采样间隔可设置为 62.5 μs，记录长度设置为 451.125 ms(7 218个采样数)，以保证采集到更高频率的地震信号，确保探测的分辨率，最大预报距离为150 m。

隧道现场外业工作结束后随即转入室内资料整理及解释工作，通过对现场采集的数据资料进行分析、整理并检查和复核，即可对所采集的数据进行综合分析、评价。TST室内资料整理及解释主要经过地震记录选取、地震数据预处理、观测系统几何位置编辑、地震波场方向滤波和分离、围岩波速分析、地质体偏移成像、综合地质解释等过程，具体实现过程通过数据处理软件系统TSTWIN完成。

3 某隧道地质概况

某隧道为上、下行分离的四车道高速公路隧道，隧道沿线地貌单元为构造剥蚀丘陵地貌，海拔高度一般为90.2～290.1 m(区内最高高程在 ZK50+860.0左130 m左右，高290.1 m，最低高程在隧道进口处，约90.2 m)，相对高差为199.9 m。隧道走向与区内山脊走向近于垂直。隧道进、出口斜坡坡度较缓，一般为5°～55°，进口 20°为主，出口 15°为主。区内植被较发育，水土保持较好。下伏基岩主要为泥盆系帽峰山组砂岩、粉砂岩，进出口溪流水位均低于隧道底高程。隧道所经过地区在区域构造上属于粤中地块，燕山期时期属于加里东地槽褶皱带，中、新生代属于陆缘活化造山带的一部分，出现了大面积的岩浆侵入。受多期构造运动的影响，断裂构造较发育，褶皱构造欠发育，仅上古生界—中生界出现开阔型及部分闭合型褶皱，构造线多为北东—南西向，部分为北西—南东和近东西方向。未发现新断裂构造和活动断裂;近代无中强震记录，属于相对稳定地块。适宜于高速公路的建设。

4 散射地震波CT技术在某隧道地质预报结果及解释

CT成像技术的波速图像与偏移图像的地质解释遵从如下规则。速度分布可用于掌子面前方岩体的力学性状的推断，岩体波速高表示岩体结构完整致密，弹性模量高;波速低代表岩体破碎，裂隙含水;构造偏移图像表示地质结构的组合图像和地层性质的变化。深灰色条纹表示岩体由硬变软的界面，浅灰色条纹表示由软变硬的界面，深灰—浅灰—深灰组合表明存在断裂或不良地质构造带。从偏移图像中可以清楚地看到断裂构造、岩性界面的组合关系和地质结构图像。根据岩体波速的分布可对隧道围岩的工程类别作出更详细的推断，结合区内工程地质、水文地质特征，对含水性、围岩物理力学参数、处治方案提出建议，供施工中参考使用。

某隧道右线 YK50+996—YK51+146地质体偏移图像如图4所示。围岩波速分布见图5。

利用上述地质预报成果图并结合地质资料分析，可得出如下预报结果:

图4 隧道地质构造偏移成像

图5 围岩波速曲线分布

某隧道右线YK50+996—YK51+017区段的地质情况分为2段，第1段从 YK50+996—YK51+047，围岩波速相对较低，其中YK51+010—YK51+027区段稳定性和完整性较差;第2段从YK51+047—YK51+146，围岩波速较高，岩体裂隙较少发育，稳定性和完整性稍好，其中YK51+067—YK51+117区段围岩完整性较差，详细情况如表1所示。

推测该隧道右线YK50+996—YK51+146区段长度150 m范围内为IV级围岩。

表1 某隧道右线地质超前预报结果

5 结论

基于散射理论地震波CT成像技术是目前较为先进的一种地质预报方法，解决了地震反射波法不能有效滤除侧向回波和前方不良地质体的准确定位问题，通过散射地震波CT成像技术的运用，提高偏移成像与速度分析分辨率，对某隧道岩石破碎地带、节理裂隙发育及岩石风化状况进行了判定，预报结果和开挖后结果对比，基本一致。为隧道安全施工提供了依据，避免不必要的工程损失和事故。

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