三维地震波超前探测方法在不良地质隧道工程施工中的应用

蔡一超，张 倩，罗 瑛

(1.云南省公路科学技术研究院，昆明 650011； 2.曹县苏集镇中学，山东 菏泽 274400； 3.保山公路局，云南 宝山 678000)

1 隧道工程施工中的不良地质问题

隧道工程施工难度大，工程复杂，容易出现复杂的地质问题，如断层碎裂、裂隙发育、软弱地层、溶洞等，不良地质条件会影响隧道工程的施工安全，增加施工难度。针对隧道工程施工中存在的问题，可运用三维空间观测、有效成像方法、三维地震波场响应技术等。本研究重点利用三维地震超前波技术，解决隧道工程施工问题，提出切实可行的质量保障措施。

1.1 不良地质特征

隧道工程施工现场的地质环境复杂，因此三维地震波场也十分复杂。三维地震波超前探测通过分析不良地质类型及地震波场的特性，对周边的地质环境建立岩性分界面与不良地质模型，并进行地震波正演模拟，得出不良地质三维地震波的响应规律，利用正演数据对三维地震波成像方法进行评价，为隧道工程建设提供有效的施工建议[1]。隧道工程中的岩性界面是不同岩性的岩石交界处，经常发生不良地质灾害，随着隧道工程开挖，岩石的岩性发生变化，需注意支护方式。对岩性界面进行分析时，要利用技术对分界面裂隙、断层走向与倾向及倾角进行分析。

1.2 断层与溶洞问题

断层需围绕岩石破碎问题建设不良地质体，根据岩石破裂的情况采用合理的技术分析方式，预判围岩破碎、稳定性等问题，避免施工塌方。

溶洞是指隧道工程的地质条件存在溶隙，即长度较长的岩溶腔体[2]，在对溶洞进行分析时，需利用地震波场检测技术。溶洞内的填充物一般波速低、密度低，当溶洞尺寸较小时，地震波检测会出现明显的绕射现象，需利用技术分析的方式对溶洞的情况进行检测。施工前，判断干溶洞、填充溶洞的情况，基于地震波分析，干溶洞的反射效果较强，而填充溶洞含有的水分较为丰富，横波反射强度比纵波强度更强。地震波超前检验的方式有助于做好施工控制方案[3]。

2 三维地震波超前探测技术方法

隧道工程施工中，隧道超前探测的结果具有多样性，需要进行深入分析。利用隧道综合超前预报的方式进行考察，加强地质考察结果的准确性；利用三维地震波超前探测方式进行地质条件的检验，对结果进行反复演练及结果推演；利用三维地震超前检验的方式，对地质预告方法进行约束检验；利用地震反射法、瞬变电磁法、增加红外探水法、超前钻探法、三维电阻率法及地质雷达法等对不良地质体的响应特征，进行探测结果的综合分析[4]，在约束反演及联合解释过程中构建超前的综合地质预报技术体系，提升隧道工程地质周边环境预报的准确性，提升对隧道工程施工辅助的效果。

2.1 探测过程

对隧道工程地质条件进行分析，采用不良地质探测方法，针对地质结构的常见特点进行总结，分析传递反馈的结果，得出相应的结论。一是利用宏观地质预报的方式，对隧道工程施工中可能遇到的不良地质类型、规模、大致位置等信息进行探究检测，常用地质素描、推断隧道前方地质情况等方式进行综合的地质施工情况全方位调查。基于宏观地质预报，可了解地质施工情况。二是利用超前钻探法，对钻探设备的前方钻探情况进行调查，直观了解施工中的岩体情况，准确判断岩体的钻孔情况，避免因钻孔时间过长而干扰施工。三是利用地震波法超前进行地质预报，利用介质弹性和密度差异，观测并分析岩层对于施工操作的反馈情况，推断地下岩层的性质及形态。为掌握地层界面、断层、大规模溶洞等不良地质体位置及规模，使用地震波法超前探究技术，达成100～150 m的探测距离。四是利用地质雷达法，使用高频电磁波测评地质条件的含水性，分析介电常数的变化情况与含水性能，使施工人员清晰了解断层、裂隙带、碎岩体、岩性界面等地质情况。此雷达技术的探测距离较短，为15～25 m。

探测过程中，考虑到前端获取地震资料数据有限，使用此部分数据作为隧道工程施工中的决策数据，无法直接反映隧道前方异常结构的空间分布与位置形态，因此，探测后需采取对应的措施，进行多渠道探测结果的成像，通过此方式，实现对探测结果的解释。此过程中，明确探测结果反馈图像具有三相偏移特点，成像过程中，需辅助计算机程序与软件对不良地质环境探测数据的处理。处理过程如图1所示。

图1 不良地质探测数据成像处理过程Fig.1 Processing of poor geological detection data imaging

从图1所示的处理过程中可以看出，探测数据处理与成像过程由两部分构成，分别为数据的前期处理与处理后数据的成像。处理过程中，可根据信号携带的滤波，使用频率滤波法，对杂波进行去除，以提高探测数据的分辨率。由于部分滤波的分辨率与有效波频率较为接近，采用直接处理的方式，极易导致去除处理的过程出现偏差，因此可引进F-K联合滤波处理方式，深度分析滤波的构成，并根据隧道复杂波场反射原理，进行地震波的高精度处理。本研究选用的处理方法为余弦边带通滤波处理法，处理中，结合频谱随时间的变化规律，使用函数进行滤波表达，采用对滤波进行时窗分段的处理方式进行分带处理，此时地震波信号将被划分成若干个区段，通过对段落的频谱分析，掌握记录区段的频谱分布特征。将提取的特征规律导入滤波器中，通过此种方式，在去除滤波中杂波的基础上，保留频谱信号中的高频率波部分，以提高浅层结构分辨率，从而确保滤波处理的准确性。获取不良地质条件下的隧道地震探测成像结果，如图2所示。

图2 不良地质探测成像Fig.2 Poor geological detection imaging

为避免处理的滤波数据的进一步成像，可选择一个相对固定的时窗，在时窗范围内进行信号的傅里叶转换，得到不同时窗下的精准频谱。

2.2 不良地质隧道工程施工方案

以某地区隧道工程为例，结合三维地震波探测方法，进行不良地质隧道工程施工方案设计。此工程项目相关地质信息如表1所示。

表1 不良地质隧道工程概况信息Tab.1 General information of poor geological tunneling

相比其他类型的工程项目，隧道工程项目在施工中极易受到外界环境因素的影响，涉及的工程因素较多，需要在项目施工前，使用隧道地震波超前探测的方式识别岩体构造、界面、岩性等地质条件，掌握隧道断面结构形态、断面面积、隧道深度与开挖跨度，通过对探测数据的分析，掌握围岩的等级、稳定性等物理参数，以此为依据，制定对应的工程施工方案。结合探测的结果数据，进行工程信息整理，分析隧道结构层中异常地质条件的分布，从而加强隧道工程定位，清晰识别水体赋存构造。在对探测结果进行分析时，一旦发现赋存构造存在问题，应结合实际情况，调整隧道工程的探测方向与角度，进行进一步探测，分析施工中可能对工程项目进度、安全性产生影响的因素，从而制定风险控制方案。探测不良构造的过程中，瞬变电磁和电阻率法可提升对于导电水体反应的敏感度，拓展空间环境构造，降低复杂电磁干扰，形成对整个地质结构的可靠性及准确性认知。瞬变电磁的探测距离为60 m左右，电阻率法的探测距离是30 m左右，二者可以互补升级，清晰反映地质结构，以帮助制定合理的施工方案[5]。

根据工程项目实际情况，设计了针对隧道工程的三导洞施工方案，施工作业流程为：隧道中间导洞施工→隧道中隔墙结构施工→隧道深埋位置导洞施工→浅埋侧施工→隧道工程主洞施工。为确保工程施工达到预期要求，参照《公路隧道工程设计规范》文件，进行隧道围岩结构参数指标的设计。基于地震波超前探测方法的检验结果，对检验结果反复推演，对探测结果中可能出现的数据影响结果进行研究，反复推演电阻率的病态程度，对其中地质解释及地质错误进行验证，压制反演多解性，进一步提升施工质量。在反复推演结果的过程中，利用钻孔取芯、已知岩性推断及其他物探方法，进行区域介质电阻率的分析，基于信息反馈结果进行电阻率变化范围的限定，缩小电阻率搜索及推演范围，提升数据分析结果的精准度，压制多解性，确保隧道施工方案得以顺利推广。按照上述方式，对复杂地质条件下的隧道工程进行规范化施工，确保工程项目可以排除外界干扰条件顺利实施，在提高工程施工质量的同时，加速隧道工程施工进度。

3 结语

为提高对隧道不良地质体探测的准确性，需综合探测方法，有效识别界面和探测定位的精度，优化数据处理过程。采用地震波超前探测、瞬变电磁、电阻率法、地质雷达等多种检测方法，对比分析结果，提升数据的准确性和可靠性，确保隧道施工人员获得最基础、最准确的地质资料。扩充电阻率的变化范围，分析异常体的位置及形态信息，完善空间结构，确保多种地质检测手段实现信息的甄别及整合，令地质环境的检测效果达到最佳。三维地震波超前检测技术的运用，可有效探究地质环境对隧道工程施工的影响因素，基于数据分析，可了解不良地质条件及结构，但不同的检测方法存在一定的局限性，本研究反复演绎探测的结果，总结得出影响隧道工程施工的原因，构建了科学合理的施工体系，提高了数据的准确性，提供了有效的解决方案，为提升隧道工程质量奠定了良好的基础。