TST技术在洞头上隧道超前地质预报中的应用

　　摘 要：隧道施工中经常会遇到各种地质灾害，超前地质预报在隧道施工中非常必要，而众多手段中，TST技术有着明显的技术优点。本文在介绍TST超前预报技术基本原理及技术特点的基础上，应用TST技术对顶效II号隧道的地质情况进行了预报，结果表明该方法可以准确解决断层破碎带的预报问题。

　　关键词：超前地质预报;TST技术;滤波;偏移成像;溶蚀;节理破碎带;

　　1 前言

　　地质超前预报的主要目的是预报灾害性地质对象，其次是基本地质要素。灾害性地质对象包括断裂构造、含水体、溶洞、含瓦斯构造、岩爆地段等;基本地质要素包括地层岩性、工程类别和力学性状变化等。隧道施工地质超前预报就是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料，并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析、研究，从而对施工掌子面前方岩体情况或成灾可能性做出预报[1]。超前地质预报方法有很多种，如导坑、钻探、无损探测方法(如地震和地质雷达)。目前应用的超前预报技术有负视速度法、水平剖面 HSP(Horizontal Section Profile)、TSP203(Tunnel Seismic Predic-tion) [2]、TRT (True Reflection Tomo-graphy)和TST (Tunnel Seismic Tomo-graphy) 等，这些技术都属反射波地震预报技术 [3]。其中，TST较其它方法具有能获得不同横向偏移距资料的特点，更能可靠地确定前方围岩的速度分布，提高地质体的定位精度，保证偏移图像位置的真实性。在数据处理技术上，TST采用的偏移成像技术充分地运用了反射地震波的走时、幅值、极性等运动学和动力学信息，图像直观，便于构造组合分析，技术更为先进。应用偏移成像技术的前提是必须有掌子面前方围岩波速的可靠分析，以保证地震资料由时间域到空间域转换的可靠性。在地震资料的采集上，TST技术从观测方式和资料处理两个方面入手，采用了二维方向滤波技术及按其二维方向滤波技术设计的数据采集观测系统，很好的实现了从复杂的三维波场中有效地识别不同方向的回波，剔除侧向回波和面波，解决了三维波场的识别、分离和滤波问题，从而保证了速度分析和掌子面前方偏移成像结果的真实可靠。

　　2 TST技术的原理及预报方法

　　TST技术是隧道散射地震CT成像技术的简称，其观测系统是采用空间布置，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，并由地震检波器接收[4] 。当地震波传播中遇到岩石强度变化大(如物理特性和岩石类型的变化、断层带、破裂区的出现)的波阻抗界面时，部分地震波的能量被散射回来。散射信号的传播时间与散射界面的距离成正比，因此在准确获得围岩波速的情况下，能作为地质体位置的直接测量方法。TST可有效地判别和滤除侧面和上下地层的回波，保留掌子面前方回波，并能同时获得前方围岩准确的围岩速度和地质体的位置图像 [5]。

　　TST系统硬件主要由信号采集处理系统、信号接收及联结系统、爆炸装置等几部分组成。

　　TST隧道超前预报技术的观测布置是根据波速分析和二维视速度滤波的要求设计的，它是一个空间观测系统。根据围岩波速分析的需要，应尽量扩大横向展布，横向展布应大于规定预报长度的十分之一。实际应用中预报长度为100—200m，横线展布取为10-20m。为保证有效识别和滤除侧面波和面波，纵向排列长度取2-3个波长，检波器间距为1/4波长。超前预报中地震波长为20-40m，检波器间距应设计为4-6m，排列长度设计为40-60m，现场容易实现。实际观测中使用12-24道地震仪，在隧道两侧对称布置，检波器埋入深度1.5-2.0m，4-6个爆炸震源，药量500g-1kg。下图为典型的观测布置图。

　　TST资料的后处理过程主要包括：地震记录数据格式转换、地震记录选取、地震数据预处理、观测系统几何位置编辑、波场方向滤波、围岩波速分析、地质体偏移成像、综合地质解释等工作。

　　3 TST技术的工程应用实例及结果分析

　　3.1 预报段工程地质简况

　　洞头上隧道位于赫章县城北东侧，距离县城约4公里，隧道区处于云贵高原乌蒙山脉北段。属构造剥蚀、溶蚀型低中山沟谷地貌类型。隧道穿越一山岭，进口段为陡岩，出口段坡度较陡，地表覆盖差，隧道区植被不发育，基岩出露，为上下行分离式短隧道，左幅全长303m、右幅全长335m。该隧道为下坡隧道，纵坡为-2.5%。隧道最大埋深约104m。本文工程实例为TST在YK95+282～YK95+132段150m范围地质预报的应用情况。

　　工程地质调查结果表明本次预报段隧道埋深32～104m。地表植被不发育，地形坡度较缓，隧道洞身围岩为中风化灰岩，岩体较完整，岩石较硬，呈镶嵌结构，溶蚀现象较严重，隧道开挖后局部易掉块和崩塌，若遇岩溶洞穴需及时封闭，以免发生垮塌及冒顶，Kv=0.65，Rc=40MPa，[BQ]=370，为Ⅲ级围岩。

　　3.2 TST地质超前预报系统的布置

　　按照满足波速分析、方向滤波和减少面波干扰的要求，TST信息观测采集系统的布置如下：①检波器12个，布置在两侧壁内，每侧6个，间距4.0m，埋深1.8～2.0m;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米，其余2个间距24.0 m，埋深1.8～2.0m，炸药量450g。③成孔采用φ60风钻成孔，单发毫秒雷管，采用启爆器控制启爆。④采用炮泥耦合和封堵。详见下图2。

　　3.3 预报结果及地质解释

　　本次预报范围为YK95+282～YK95+132段150m范围的地质构造情况。TST的预报结果包含构造偏移图像和围岩波速分布图像两部分内容。资料处理流程包括以下步骤：地震数据导人、带通滤波、干扰信号消除、坏道剔出、观测坐标编辑、二维方向滤波、围岩波速扫描、地质构造深度偏移成像等。最后的预报结果包括围岩波速分布和深度偏移图像两部分，相互印证，便于综合地质解释。

　　围岩波速的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;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。从偏移图像中可以较为清晰地看到断裂破碎带的构造、岩性界面的组合关系和地质结构图像。

　　对预报结果偏移图像及围岩波速分布进行综合分析，洞头上隧道出口右线本次预报段(YK95+282～YK82+132)岩体，总体上为中风化灰岩类，岩体完整性较好。局部因存在溶蚀、节理裂隙等发育的情况，岩体破碎。本段建议围岩级别为III级。其中：YK95+282～YK95+206段范围内，其中YK95+269～YK95+254段掌子面中部及YK95+220附近掌子面左侧发育溶蚀或节理破碎带的可能性较大，施工中应重点关注; YK95+206～YK95+164段范围内，岩体完整性较好，无明显不良地质体特征; YK95+164～YK95+132段范围内，岩体整体完整性较好，重点关注YK95+150附近不良地质体发育的可能性。

　　4 结语

　　TST隧道地震预报技术在国内外率先采用方向滤波技术、波速扫描技术和逆散射偏移成像技术，弥补了以往超前预报技术的缺陷，保证了超前预报的可靠性与准确性，具有预测距离远，操作简单，成果丰富等特点。通过本次TST超前地质预报，基本查明了预报区域的地质情况，探明了前方发育溶蚀或节理破碎带的位置，开挖结果与预报结果基本一致，使施工方能够及时地预知了解掌子面前方的地质情况，为隧道施工和及时地调整支护参数提供依据，有效地控制了地质事故的发生，提高了施工安全性和施工进度。

　　参考文献：

　　[1] 刘志刚，赵勇.隧道隧洞施工地质技术[M].北京：中国铁道出版社，2001.

　　[2] 冯 永，李永鸿等.TSP在隧道超前地质预报的应用研究[J].西北地震学报，2006，12(4)：348～351

　　[3] 赵永贵，刘浩等.隧道超前预报研究进展[J].地球物理学进展，2003，18(3)：46O～464.

　　[4] 赵永贵，蒋辉.TSP203超前预报技术的缺陷与TST技术的应用[J].工程地球物理学报，2008，5(3)：266～273

　　[5] 谯勉江，莫裕科等.TST技术在石棉隧道超前地质预报中的应用[J].工程地球物理学报，2008，4(6)：196～202

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文章名称： TST技术在洞头上隧道超前地质预报中的应用

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