千枚岩隧道破碎带TSP超前预报解译标志

贾金晓, 李天斌, 孟陆波, 刘阳飞, 曹海洋

(地质灾害防治与地质坏境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)



千枚岩隧道破碎带TSP超前预报解译标志

贾金晓, 李天斌, 孟陆波, 刘阳飞, 曹海洋

(地质灾害防治与地质坏境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

千枚岩等软岩隧道施工中易出现垮塌等地质灾害。以典型千枚岩隧道——汶马高速公路鹧鸪山隧道为例，以地震波传播理论为依据，结合工程地质分析及地震波正演模拟，探讨TSP预报中针对千枚岩构造破碎带在不同含水率状况下的地震波反射特性及解译标志，结果表明：纵波及横波遇千枚岩构造破碎带反射现象明显，横波较纵波反射更强烈；破碎带富水时，千枚岩泥化变软，纵波反射加强；从深度偏移角度分析，破碎带内正负反射频繁变化，单个反射层延伸性差。研究结果可以提高TSP在软岩隧道中的预报准确性。

千枚岩；TSP；破碎带；正演模拟；解译标志

以千枚岩地层为代表的典型软岩，因其强度低、易变形、遇水易软化的工程特性，在隧道施工过程中易出现大变形、垮塌等灾害。软岩隧道中的构造破碎带、泥化带等软弱地质体更是引发隧道垮塌、大变形的危险地带。目前，超前地质预报作为隧道信息化动态设计和施工的重要组成部分，及时预测掌子面前方不良地质情况，采取有效预防措施，确保隧道安全施工，已在工程界得到广泛认可。

TSP超前预报技术被认为是国内外最先进的隧道长距离预报方法之一。不少专家学者针对隧道不良地质体的TSP超前地质预报进行了研究，取得了一定的研究成果。其中，李术才等[1]、李利平等[2]、周宗青等[3]研究了特长深埋隧道基岩裂隙水的综合预测方法。许振浩等[4]分析了岩溶隧道断层破碎带、地下水充填型、泥加石充填型、软弱夹泥充填型溶洞及富水岩层的地震波反射特性。王延寿等[5]运用TSP超前预报法对秦安高风险隧道断层(碎裂带)、岩性接触带和富水区等不良地质现象进行预报研究。张剑等[6]将超前预报技术用于软岩隧道进行综合判别围岩状况。自TSP超前地质预报方法在国内推广以来，在很多工程项目中有所运用。在理论方面，许多专家学者也做了研究，而多数专家学者关于TSP地震波反射特性及解译标志的研究多基于硬质岩体。而对于软岩隧道，TSP超前地质预报的解译标志研究甚少。

鹧鸪山隧道位于四川省阿坝州理县境内，起讫地面海拔高度为3 050～4 623.8 m，全长约8.8 km，属典型高原特长隧道。本文研究区域主要为隧道进口段千枚岩地层，该地层受米亚罗断裂影响，局部岩体软弱破碎，多呈薄层状构造，节理、裂隙极为发育，整体性差，强度低，遇水泥化变软，在开挖过程中，多次发生掌子面坍塌，严重影响施工安全。本文在运用TSP法对鹧鸪山隧道进行超前预报过程中，结合地震波正演模拟，分析千枚岩破碎带在干燥和富水情况下TSP方法的解译标志，为后期隧道超前地质预报及类似工程提供借鉴。

1 TSP超前地质预报解译准则

TSP系统的数据处理由其自带的TSPwin数据处理软件完成，输入相关处理参数可得到掌子面前方预报段范围内的深度偏移图，各里程段围岩的纵波速度(vP)、横波速度(vS)、泊松比(μ)、密度(ρ)、弹性模量(E)等参数，以及波阻抗反射界面位置。通过相应的分析预报掌子面前方的围岩地质情况。

根据 Dickmann及国内学者对TSP解译方法研究，总结了TSP解译准则[7-14]：(1)深度偏移图中，弧线表示波阻抗反射界面，反射能量的强弱根据偏移大小确定，正反射振幅即红色区域，表示岩质较硬，负反射振幅即蓝色区域，表示岩质较软；(2)纵波速度与岩体硬度呈一定正相关性，若vP下降，则表明裂隙密度或孔隙度增加；(3)若横波反射较强，则表明岩层含水或流体；(4)vP/vS或泊松比有较大的增加，常常因流体的存在而引起。

2 典型例子

例一隧道K181+265～K181+376里程段TSP预报成果参数曲线(图1)，根据岩体物性参数曲线和P波深度偏移图分析，A区岩体物性参数曲线(图1)中，纵横波速度均有明显降低，横波速度降低10.91%，纵波速度降低2.3%，纵横波速比升高，同时动态弹性模量明显降低；同时P波深度偏移(图2)中，在区域前端界面，以强烈的负反射开始，在区域后端界面，以强烈的正反射结束，区域内岩质较均一，正负反射层少，表现为前端界面负反射的延续，单个反射条带宽。预测该段围岩为软弱夹层，岩质较均一，力学强度低，地下水较发育。

开挖揭露情况显示A区域(K181+306～K181+334)为千枚岩富水破碎带，镶嵌结构，岩体湿润，局部线状出水，千枚岩崩解为细颗粒，局部夹块状千枚岩，泥化染手现象严重，有明显流体特性，在K181+322掌子面发生坍塌(图3)。预报结果与开挖情况对比见表1。

图1 预报结果2D视图Fig.1 2D view of prediction results位置：K181+265～K181+376

图2 P波深度偏移图Fig.2 Diagram showing P-wave depth shift位置：K181+265～K181+376

例二

ZK181+038～ZK181+150里程段TSP预报成果参数曲线(图4)，从岩体物性参数曲线分析，B区域(ZK181+038～ZK181+060)纵横波速均起伏变化，横波速度降低10.95%，纵波速度降幅1.8%，纵横波速比升高，动态弹性模量降低；从P波深度偏移角度分析(图5)，在区域前端界面，以强烈的负反射开始，在区域后端界面，以强烈的正反射结束，局部段正负反射层频繁变化。预测该段围岩软硬岩交替出现，预报段内除中间局部岩体外，前后两段岩体极破碎，力学强度较低，地下水较发育，可表现为渗滴水-线状出水。

图3 K181+322掌子面坍塌Fig.3 Photograph showing tunnel face collapse in K181+322

图4 预报结果2D视图Fig.4 2D view prediction results位置：ZK181+038～ZK181+150

开挖揭露情况显示，B区域为千枚岩破碎带，岩体松散破碎，呈薄片状，地下水弱发育，局部渗滴水，在ZK181+054掌子面发生坍塌，坍塌段长4 m，坍塌现场情况见图6。预报结果与开挖情况对比见表1。

图5 P波深度偏移图Fig.5 Diagram showing P-wave depth shift位置：ZK181+038～ZK181+150

Table 1 Comparison of prediction results with excavation situation for K181+306～K181+334 and ZK181+038～ZK181+060

位置预报结果开挖情况(A)K181+306～K181+334围岩强度低，局部含软弱夹层，注意防止局部坍塌。渗滴水⁃线状出水K181+322～K181+332段，千枚岩破碎带，镶嵌结构，局部为千枚岩细颗粒，无层理，岩体泥化染手现象严重，地下水局部线状渗出(B)ZK181+038～ZK181+060预报段内除中间局部岩体外，前后两段岩体极破碎，力学强度较低，地下水发育，可表现为渗滴水⁃线状出水ZK181+042～ZK181+046和ZK181+052～ZK181+058里程段，岩体松散破碎，受构造应力影响，岩体呈薄片状，地下水弱发育，渗滴状出水

图6 ZK181+054掌子面坍塌Fig.6 Photograph showing tunnel face collapse in ZK181+054

对比分析例一和例二，实际开挖情况显示：2个特殊段揭露的岩体均为千枚岩破碎带。不同的是，例一中千枚岩破碎带地下水较为发育，表现为线状出水，局部岩体泥化变软，围岩松散呈颗粒状；例二中千枚岩破碎带地下水发育较弱，千枚岩呈薄片状。

TSP预测结果显示：地震波遇2种千枚岩破碎带时，横波降幅较为一致，约为10.9%；例一中，破碎带富水时，纵波降幅更大。

3 不良地质体地震波响应正演模拟

通过地震正演模拟技术，查明地震波在复杂地质体中的传播特征，是研究地震波传播规律的有效途径。地震波场正演方法主要有2种：几何射线法和波动方程法。几何射线法可以精确地映射出地震波的射线路径和旅行时间等运动学特征，但对于一些复杂的岩性信息和地质构造容易产生盲区；而波动方程法以地震波动力学性质为依据，能够更好地模拟复杂地层的地震波场特征。

Tesseral-2D是一个基于波动方程的地震波场数值模拟软件包。通过Tesseral-2D高阶差分网格，来模拟地震波在介质中的传播，可以考虑速度和密度的任意变化，模拟复杂地质剖面的数字模型，快速而精确地计算在介质中传播的P波和SV波，帮助研究者较好地了解地下介质中的地震波动过程。

结合上述典型例子，采用Tesseral-2D正演模拟方法，分析千枚岩破碎带在地下水弱发育和富水2种情况时的地震波传播规律，可以为隧道超前预报提供解释依据，对TSP解译成果进行验证，提高解释精度。

3.1 模型设置

本文采用Tesseral-2D软件进行正演分析，设定2种地质预报模型如图7所示，分别为千枚岩破碎带(干燥)及富水破碎带(含水率10%)。考虑到地震波反射干扰，设置模型大小为400 m×600 m，破碎带宽度均为10 m，设定20炮逐点放炮激发地震波，炮孔间隔1.5 m，最前炮孔距离破碎带20 m；在距离最后一个炮孔15 m位置，每间隔1 m设置1道检波器，共4道接收并记录地震波；震源峰值频率设为1 000 Hz，子波类型为对称单峰(Symmetrical)，地质体物性参数见表2。

3.2 正演模拟结果分析

千枚岩干燥破碎带及富水破碎带(t=20 ms)波场如图8所示，模拟结果显示地震波在破碎带前后界面均发生强烈的反射现象；观测不同时刻波场快照可发现：纵波速度较横波速度快，纵波提前于横波到达；根据反射振幅分析，横波反射振幅更大，反射能量更强。对比2种地质模型可以看出，破碎带富水时的纵波反射能量强于地下水不发育的破碎带。

图7 两种地质模型Fig.7 Two geological models

Table 2 Physical and mechanical parameters

vP/m·s-1vS/m·s-1ρ/g·cm-3千枚岩390020002．67水140001．00

图8 波场快照(t=20 ms)Fig.8 The snapshot of the wave field

通过千枚岩破碎带的TSP测试成果及正演模拟结论，千枚岩因其特有的质软、遇水泥化崩解的特性，使其对横波的反射效果增强；而硬质岩体破碎带内“纵波遇断层破碎带反射较强，若岩层富水横波也反射较强”[4]，破碎带对纵波的响应更加明显。

4 结 论

综合分析TSP现场测试成果及Tesseral-2D软件对千枚岩破碎带2种含水条件下的地质模型正演模拟结果，可以得出不同含水条件下千枚岩破碎带的TSP解译准则。共同点：(1)纵波和横波均对千枚岩破碎带有较明显反射现象，横波降幅约为10.9%，纵波降幅约为2%；(2)横波反射较纵波强；(3)vP/vS增大，动态弹性模量降低。不同点：当千枚岩破碎带富水时，纵波反射现象增强。

千枚岩破碎带与硬质岩体破碎带相比，千枚岩对横波的反射效果增强。

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Study of seismic wave reflection characteristics of unfavorable geological bodies in phyllite tunnel

JIA Jin-xiao, LI Tian-bin, MENG Lu-bo, LIU Yang-fei, CAO Hai-yang

StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China

Collapse and other geological disasters often occur in the process of tunnel construction in soft rock like phyllite. Accurate prediction of geologic bodies in front of tunnel face is particularly important. Taking the typical phyllite tunnel, the Zegu mountain tunnel in Wenchuan-Maerkang Highway of Sichuan as example, on the basis of seismic wave propagation theory, combined with engineering geological analysis and forward modeling, the reflectivity and interpretation signs of seismic waves under different water conditions for phyllite fracture zone in the TSP prediction are discussed. It shows that reflection phenomenon is obvious when longitudinal wave and transverse wave meet fracture zone and transverse wave reflection phenomenon is more intense than the longitudinal wave. When fracture zone is rich in water, phyllite becomes softer and transverse wave reflection intensified. Analysis of the perspective of depth migration reveals that normal reflection and negative reflection shift frequently and the extensibility of single reflecting layer are poor. The result of this research improves the accuracy of TSP prediction in the construction of soft rock tunnel.

phyllite; TSP; structural crushing zone; forward modelling; interpretation signs

10.3969/j.issn.1671-9727.2016.06.13

1671-9727(2016)06-0751-06

2015-11-04。 [基金项目] 国家自然科学基金项目(41102189); 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室团队重点项目(SKLGP2009Z002); 成都理工大学优秀创新团队培育计划项目(HY0084) 。

贾金晓(1990-),男,硕士研究生,研究方向：地质灾害研究与防治, E-mail:754206159@qq.com。

U456.33; P642

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