TST超前地质预报技术在贵州岩溶地区的应用

张 卿，罗宗帆

(中铁二十局沪昆客专，贵州安顺 561000)

0 引言

新建沪昆铁路是我国交通网中“五纵五横”运输大通道的重要组成部分，是长三角和珠三角等沿海经济发达地区向西南内陆地区进行经济辐射的主要轴线，在区域综合交通运输体系中作用很大。沪昆线西段主要位于云贵高原及其边缘过渡地带，区域范围内地质构造复杂，构造线密集，断层发育，有岩溶、煤层瓦斯和采空区、液化砂石、软质岩风化剥落等不良地质。

在隧道施工过程中，超前地质预报技术对于查清隧道不利地质条件、预报掌子面前方的地质构造及含水性、保障施工安全具有重要作用，已成为隧道施工必要的技术环节［1-2］。基于地震反射理论的隧道超前地质预报技术，其预报长度大、工作效率高，得到了较广泛的应用［3-4］，但也存在一定的技术缺陷。对于大型断裂带和岩性分界面等地质，因其物性差异大，反射信号强，使用基于反射理论的地质超前预报技术开展工作，难度相对较小［5］。对于岩溶和围岩裂隙等小型地质构造的预报，基于反射理论的地质超前预报技术则难以发挥作用，误报率较高。在我国西南的岩溶区，大部分岩溶是以构造裂隙岩溶为主，断裂与构造裂隙发育［6］。由于溶蚀、崩塌和冲蚀作用，岩溶形态复杂，多有部分填充。管道岩溶较发育，埋深大，形成地下暗河［7］。这些岩溶形态复杂，体积小，表面极不规则，展布规模小于地震波长，对地震波难于形成有效的反射，地震波主要以散射形式传播。针对岩溶区地震场波的特征，利用散射波进行地质超前预报势在必行。散射波的传播规律、波场特征与反射波不同［8-9］，不能应用地震反射资料处理技术处理，需要应用针对散射波的专有的处理技术。TST 地质超前预报系统就是基于散射地震成像技术的地质超前预报系统［10-11］。本文利用基于散射理论的TST超前预报系统并综合地质雷达等其他预报方法，成功解决了岩溶地区地质超前预报的难题。

1 TST隧道地质超前预报技术

1．1 散射扫描成像技术

超前预报时，在隧道围岩中使用人工震源激发地震波，地震波向四面八方传播，遇到岩性变化界面、地质构造、岩溶和地表面等波阻抗变化界面时发生反射、散射与折射。

当地质界面尺度远大于地震波波长时，地震波的传播遵从层状介质中的反射理论，反射波能量大，并沿着反射角等于入射角的方向传播;当地质界面尺度小于地震波波长时，地震回波的传播遵从散射理论，散射波不再具有单一的方向，而是以散射点为中心向四面八方传播。与反射波相比，散射波的能量较弱，频率偏高。

在实际地质条件下，既有如岩性界面、断层和地表面等大尺度的反射界面，也有如岩溶、采空区和孤石等小尺度离散地质体(见图1)。

图1 隧道地质超前预报观测模型Fig．1 Advance geology prediction model of tunnel

采用反射与散射的混合模型(见图2)，根据反射波及散射波的传播规律，分别将反射波和散射波进行偏移归位，得到隧道掌子面前方的真实地质情况，这是TST散射扫描技术的基本思想。关于TST地质超前预报系统数据处理的具体技术措施，如方向滤波、围岩速度分析、扫描成像等以及在数据采集时的观测系统已有相关文献［9］进行了论述，此处不再介绍。

1．2 TST数据处理结果的解释原理

TST的波速图像与偏移图像的地质解释遵从如下原理:

1)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;波速低表示岩体破碎，裂隙含水。

2)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。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，在波速图像中对应位置为高波速带。

3)对岩体含水性的预报要结合水文地质资料。如果隧道标高在地下水位之下，则可判定断裂带和破碎岩体富含地下水;如果隧道标高在地下水位之上，则断裂带和破碎岩体可能含少量水或季节性含水。

4)偏移图用蓝红表示软硬岩体界面。红色线条代表正的波速异常，表示波速由低变高、岩体由软变硬的界面;蓝色线条代表负的波速异常，表示波速由高变低、岩体由硬变软的界面;先蓝后红线条的组合代表存在一个断裂带;红蓝条纹密集出现区域代表地质现象中的断裂带或溶洞。断裂的展布范围大，在偏移图像上显示为较大范围的红蓝条纹延伸(见图3(a));溶洞的反射面不规则，在偏移图像上显示为红蓝条纹的延伸长度短(见图3(b))。

2 应用实例

2．1 斗磨隧道进口平导

斗磨隧道位于贵州省关岭自治县境内，地处云贵高原构造剥蚀中低山区，区内地形起伏，隧址区内最高点位于隧道轴线南侧的山顶，海拔2 454．3 m;最低点位于隧道出口南侧的河谷中，海拔1 142 m，相对高差为1 312．3 m。隧道穿越区域以碳酸盐、含煤地层分布为主要特征，具有剥蚀-溶蚀槽谷地貌特点。

隧址区基岩大多裸露，隧道进出口及缓坡地带分布有少量覆土，隧道区地表水以山间沟水为主，水量较小，雨季时沟内水量明显增加。地下水主要为第四系松散土层空隙水、基岩裂隙水和岩溶水。不良地质现象主要为岩溶及岩溶水、煤层瓦斯及采空区、危岩落石等，特殊岩土为石膏。斗磨隧道是铁道部重点工程，瓦斯含量高，被列为沪昆全线的Ⅰ级风险隧道。本次重点对斗磨隧道进口平导D1K841+495掌子面前方150 m的地质情况进行预报。

图3 偏移图像特点Fig．3 Typical migration image for karst cavity

2．1．1 TST数据处理结果及地质解释

通过TST数据处理中地震数据导入、坏道剔出、带通滤波、干扰信号消除、观测坐标编辑和二维方向滤波等步骤，经全局扫描和分段扫描，得到预报地段围岩的速度分布(见图4)。

使用前方回波地震数据和分析得到的速度分布，进行深度偏移成像，得到如图5所示的TST构造深度偏移成像。

利用图4和图5并结合地质资料分析，斗磨隧道进口平导D1K841+495掌子面前方150m地质情况可划分为3段，具体预报结果见表1。

表1 斗磨隧道进口平导TST地质超前预报结果Table 1 TST advance geology prediction results of parallel adit of entrance section of Doumo tunnel

根据表1预报结果，建议在施工过程中:1)对围岩稳定性和完整性较差-差的地段加强支护;2)在D1K841+495～+526和D1K841+603～+645段采用地质雷达、红外探水仪或加深炮眼方法对掌子面前方地质灾害体分布和地下水情况进行探测;3)有必要时，采用多功能钻机进行超前钻探。

2．1．2 超前水平钻探测结果与TST结果对比验证

根据超前地质预报结果，在掌子面进行了超前水平钻探测，探测结果为:里程D1K841+506～+517处存在较大溶洞，且有黏土和淤泥等填充物;里程D1K841+517～+538处钻杆推进速度忽快忽慢，钻孔处水为黑色，且带煤气味，初步判断此区段可能存在煤层。

通过相互对比应证TST预报结果与超前水平钻探测结果，可以说明:1)根据表1预报结果所作的施工建议是合理的;2)在D1K841+495～+526段附近围岩稳定性和完整性较差，裂隙较发育，岩体较破碎，分析存在溶洞或破碎带，与超前水平钻探测结果基本符合。

2．2 大独山隧道1#横洞

大独山隧道全长11 882 m(单洞双线隧道)，进口里程为DK852+772，出口里程为DK864+654，隧道可能存在的岩溶长为9 063 m(占全隧长度的76%)。大独山隧道位于地处黔西高原向黔中丘陵过渡地带，属构造剥蚀和溶蚀中低山地貌，总体来看，地势北西高南东低，具构造剥蚀-溶蚀地貌特点。

大独山隧道洞身断层破碎带发育，区域断层有7处，物探解译断层有11处，下穿1处暗河(位于隧道拱顶上约43 m)，部分隧道处于水平循环带内，部分处于季节交替带，洞内为人字坡。该隧道地质复杂，为Ⅰ级风险隧道。

2．2．1 TST数据处理结果及地质解释

通过TST数据处理流程处理后，得到大独山隧道1#横洞H1D1K0+808掌子面前方150 m的地质体围岩波速曲线图(见图6)。

使用前方回波地震数据和分析得到的速度分布，进行深度偏移成像，得到如图7所示的TST构造深度偏移成像。

对比图6和图7，结合掌子面开挖情况和地质资料综合分析，得到大独山隧道1#横洞TST地质超前预报结果(见表2)。

根据表2预报结果，建议在H1D1K0+808～+760段加强支护并采用地质雷达、红外探水仪或加深炮眼方法对掌子面前方地质灾害体分布和地下水情况进行探测。

2．2．2 地质雷达探测结果与TST结果对比验证

根据超前地质预报结果，采用短进尺向前开挖，发现向前开挖的岩体逐渐破碎并伴随有裂隙水出现。开挖到H1D1K0+784，在掌子面进行了地质雷达探测，探测结果主要有2点。

图6 大独山隧道1#横洞速度曲线Fig．6 Velocity of seismic wave at No．1 horizontal adit of Dadushan tunnel

图7 大独山隧道1#横洞地质构造偏移成像Fig．7 Migration imaging of geological structures of No．1 horizontal adit of Dadushan tunnel

表2 大独山隧道1#横洞TST地质超前预报结果Table 2 TST advance geology prediction results of No．1 horizontal adit of Dadushan tunnel

1)在掌子面前方0～10 m内电磁波反射信号较强，频率中等，同相轴较为连续，有断续。判断此区段内岩层较破碎，含水，可能有夹层。

2)在掌子面前方10～30 m内电磁波反射信号较强，频率中等，同相轴较为连续，有断续。判断此区段内岩层裂隙发育，局部为破碎带或填充物，含水，可能有夹层。

通过TST预报结果与实际开挖情况、地质雷达探测结果的相互对比应证，可以看出预报结果与地质雷达结果基本符合，说明TST预报结果是准确的，根据表2预报结果所作的建议是合理的。

3 结论与经验

在岩溶发育等地质构造复杂地区进行的超前预报工作一直是超前预报领域的难题。利用TST超前地质预报技术能够对掌子面前方地质情况进行有效、准确地预报，克服了仅基于反射理论的超前预报技术(如TSP造成的误报和漏报问题)。

在沪昆客专贵州段的多次超前预报工作中，TST隧道超前地质预报查明了掌子面前方150 m预报范围内的地质情况，对岩溶裂隙、溶洞的分布范围、规模以及发育情况的预报与实际情况基本一致，为提前采取支护措施提供了准确的地质依据，避免了工程事故的发生。

TST方法在岩溶地区的数据处理比较灵活，需要掌握好偏移图像和速度扫描曲线的对应关系。在实践中不断积累经验，就能得到比较理想的预报结果。在TST操作中有如下经验:

1)速度扫描过程分整体扫描和分段扫描2个步骤。整体扫描可以快捷地把握预报地段围岩波速的分布特点，包括最优波速、次优波速和速度大致分段特点。

2)整体扫描的第1个目的是寻找最优和次优波速。速度扫描中会出现几个能量高的极值点，其中能量最高的点对应的波速为最优波速，它表示有较长地段的围岩适合该速度;能量次高的点对应的波速为次优波速，它代表有较短地段的围岩适合该波速(一般选择1～2个次优波速)。整体速度扫描中速度步长一般选为200m/s。

3)整体扫描的第2个目的是确定围岩波速分段，这是整体扫描最主要的任务。波速分段的原则是依据扫描中能量极值点的多少来决定;最优波速对应的分段长，次优波速对应的分段短。

4)判断扫描中最优和次优波速适合的地段是依据偏移图像叠加的效果。偏移图像中速度适合的地段反射界面连续性好，叠加能量大，红蓝线条相间分布。如果速度选择偏低，将出现过多的蓝色条纹，反之将出现过多的红色条纹。

5)按照上述原则，首先寻找最优波速适合的较长地段，然后再逐次寻找次优波速适合的地段。整体扫描中分段的主要目的是确定最优、次优1和次优2等各波速分布的前后次序，分段的具体位置需要在分段扫描阶段来确定。

建议逐渐建立典型地质条件的偏移图像样本库，方便初学者利用前人的经验进行地质状况判读。

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