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地震层析成像技术在隧道施工地质预报中的应用

时间：2019年06月17日 分类：科学技术论文 次数：

摘要:针对营达高速公路花冠隧道工作面前方地质构造问题，为隧道工程的安全施工提供更为准确的物探资料，采用地震层析成像技术的原理，介绍了该方法在隧道超前地质预报工作的准备事项、工作流程及注意事项。通过在花冠隧道超前地质预报工作的应用研究，表明该

　　摘要:针对营达高速公路花冠隧道工作面前方地质构造问题，为隧道工程的安全施工提供更为准确的物探资料，采用地震层析成像技术的原理，介绍了该方法在隧道超前地质预报工作的准备事项、工作流程及注意事项。通过在花冠隧道超前地质预报工作的应用研究，表明该方法在隧道超前预报中探测范围广，隧道上下、左右探测距离能达到50m，前方探测距离能达到150m;并通过三维成像方法能将隧道工作面前方地质构造异常空间位置直观地表现出来。提高了隧道超前地质预报成果的解释准确度及精度。

　　关键词:地震层析成像;隧道工程;超前地质预报;三维成像;岩体破碎带;地质异常体

现代隧道技术

　　0引言

　　隧道工程往往存在埋深较深、地势复杂且里程较长的特点，所以地质条件较为复杂。隧道施工中往往要经过如溶洞、断层、煤层、瓦斯富集区、富水区、破碎带等许多不良地质异常体，而在勘察设计阶段难以准确的查明这些隐蔽的不良地质体具体情况，这造成勘察设计阶段的地质勘察资料与实际地质情况不符。查明这些隐伏不良地质异常体，为隧道施工提供可靠的地质物探资料，进行隧道超前地质预报工作是非常必要的，它在隧道施工中具有重要的作用，它是隧道掘进开挖之前必须进行的一个重要步骤[1-5]。

　　隧道超前地质预报常用的工作方法有钻探法、地质调查法、物探方法，常使用的物探方法有电法、电磁法、地震波法。现阶段隧道长距离超前地质预报方法使用的主要是地震波法，它包括TSP、TGP、TRT、TST、HSP等各种方法。隧道地震波反射层析成像技术(简称TRT)具有操作简单、探测距离较长、不需要放炮、费用低、成果三维显示、结果解释较准确等诸多技术优势，近年来在各个隧道都有良好的应用[6-12]。

　　1原理与技术方法

　　1.1基本原理

　　地震波反射层析成像技术简称TRT，属于地震波超前预报法。该技术是在隧道工作面布置三维观测的无线检波器，在震源点用大锤激发地震波，地震波在向隧道工作面掘进前方传播过程中遇到波阻抗界面，即地层岩石分界面或岩体变化界面，如岩性分界面、断层构造、破碎构造带、岩溶、采空区、富水区等，一部分透射进入前方继续传播，一部分弹性波信号被反射回来的高灵敏度传感器接收，并通过无线传感器基站把信号传输到计算机中。通过处理得到隧道工作面掘进前方三维地震波反射层析图，分析隧道工作面掘进前方不良地质异常体的性质的位置及规模。当地震波从低阻抗岩层介质传播到高阻抗岩层介质时，反射系数R为正;反之，反射系数R为负。

　　所以，当地震波从较软岩传播到较硬的围岩时，反射回波的偏转极性和波源是相同的。当地震波传播到围岩破裂带时，反射回波的极性会发生反转。地质异常反射体的范围越大，声学阻抗差异性就越大，反射回波能量就越强，越容易探测到[13-17]。该技术采用层析扫描成像技术，形成直观、立体的三维图，立体图中的反射边界煤一点离散图像是由空间叠加所有地震波形计算得来。通过分析，得出隧道工作面前方地质异常体的性质、位置、形状、大小。

　　1.2工作前准备

　　现阶段使用地震波反射层析成像技术的仪器主要有美国产TRT6000、TRT7000，以TRT7000为例工作前准备主要有以下4个方面。

　　(1)仪器完整性检查。1台系统主机，11个模块，1个BASE，1根BASE和主机连接线，1个采集密码狗，1根触及线缆及1个触发器，10个传感器，10个固定块及10根固定细管。

　　(2)仪器充电。包括主机、模块、无线风钻。

　　(3)设备工作状态检查。连接基站、打开无线模块，检查采集软件中相应通道绿灯是否亮，若所有灯不亮，需要检查基站连接线、基站和软件设置，若某个通道不亮，则检查相应模块。触发正常后连接所有传感器，每个传感器按一定顺序排开，开始采集数据，看每个通道采集的数据地震波初至是否明显，如果初至波不明显，则更换线或传感器，如果始终无法让初至波明显，则维修无线模块，直至所有通道初至波明显为止。

　　(4)物品准备。1个12磅左右大锤，1个小锤，1瓶做标记用的喷漆，10个铁钩子，1L左右的水，梯子或者装载机，全站仪，带8mm钻头的冲击钻。

　　1.3工作流程

　　以TRT7000仪器的工作过程为例:选择震源点及检波器点，测量人员测量坐标，操作人员安装传感器及远程模块，建立基站，连接电脑，测试是否正常，进行数据采集。

　　1.4注意事项

　　检波器应固定牢固，布置前用小锤轻轻敲击岩石表面，确保不要选取破碎的点;用全站仪准确测量记录好12个震源点、10个检波器的三维坐标;远程模块挂在隧道壁上，注意保持天线朝下，而基站的无线模块天线注意保持朝上;设备采用的是进口高灵敏度、高精度的检波器，对环境震动及噪声比较敏感，在作业时必须完全排除隧道施工和环境产生的震动及噪音等干扰因素。

　　1.5成果分析

　　使用RV3D软件处理数据得到隧道工作面掘进方向空间的物探异常体的三维立体图像成果，运用用相对异常解释原理，先确定地震波在正常连续均匀的岩性体传播为正常的背景场，形成物探异常体区域偏离背景场值的大小、范围、距离，然后结合地质勘察资料、已揭露的地质资料、施工现场环境及类似工程的施工经验综合考虑解释隧道工作面前方不良地质体的位置、性质、形状、规模[17-20]。

　　2工程实例

　　2.1工程概况

　　花冠隧道位于营山至达州在建高速公路。隧道地貌单元属构造剥蚀丘陵区，地貌单位由中等强度的构造及长期的剥蚀堆积形成，形成山丘浑圆、斜坡较缓、沟谷宽阔的地面形态，微地貌主要表现为丘陵、缓坡、陡坎、冲沟、宽谷等。

　　在长期的剥蚀作用下，地势无明显脉络，迂回起伏较为破碎，地形为爪状起伏垅岗与宽阔槽谷相间杂呈，垅岗由小山丘与不规则状残丘组成，地形地貌较复杂。洞体主要围岩主要由侏罗系上统蓬莱组下段砂岩、粉砂质泥岩组成。岩层产状为357°∠6°，倾向与坡向夹角为70°，为层状斜向结构，呈较不利组合，且由于岩体风化强烈，易产生节理裂隙发育，岩体破碎不良地质体。花冠隧道左线的起止里程ZK34+740m—ZK35+345m，长605m;右线的起止里程K34+720m—K35+365m，长645m。

　　2.2现场采集

　　试验探测位置为花冠隧道进口左线，里程为ZK34+808m。探测使用的仪器为TRT7000设备，仪器组成:检波器10个，检波器固定块10个，无线模块11个，无线通讯基站1个，触发器1个，仪器主机。根据隧道工作面具体情况的设计安装10个传感器，在工作面左右边墙分别布置4个，隧道拱顶布置2个，锤击震源点在隧道左右边墙分别布置6个共设计12个。

　　2.3超前地质预报探测结果

　　通过软件处理得到三维地震反射界面的分布图，结合工区的地质资料、钻探资料和现场的实际情况综合分析，预报结论如下:

　　(1)工作面前方14～39m(ZK34+822m—ZK34+847m)，三维成像图显示在该区域存在范围较广且反射振幅较强的地震波反射界面带，结合地质资料和已掘进段的地质情况综合判断该段地质异常体是由于围岩层理、裂隙发育，岩体破碎带引起。

　　(2)工作面前方110～130m(ZK34+918m—ZK34+938m)，三维成像图显示存在较弱的地震波反射界面，结合地质资料和已掘进段的地质情况推测该段围岩存在裂隙或含有裂隙水，也有可能是干扰造成的假异常。

　　(3)工作面前方0～10m、40～110m、130～150m(ZK34+808m—ZK34+818m、ZK34+848m—ZK34+918m、ZK34+938m—ZK34+958m)，三维成像图显示该区域范围内无明显地震反射波，推测该段围岩完整性较好无明显异常。

　　2.4验证结果

　　隧道掘进后的地质资料显示:工作面前方18～38m(ZK34+826m～ZK34+846m)岩性为粉砂质泥岩，层理、裂隙发育，岩体较破碎。工作面前方115～125m(ZK34+923m～ZK34+933m)工作面附近围岩无明显异常现象。超前地质预报结果和实际掘进验证情况基本一致。

　　3结论

　　(1)地震反射层析成像技术操作简便、三维成像、直观准确地显示地质异常体，探测距离能达到150m，探测范围广，隧道上下、左右50m，隧道前方、侧方和上下方向异常都能探测到。

　　(2)地震反射层析成像技术能准确的预测预报花冠隧道内的不良地质异常体，为本隧道的安全施工提供了可靠的地质物探资料，有利于在此工程项目其他隧道工程推广及应用。

　　(3)结果解释需要结合地质勘察资料、已揭露的地质资料、施工现场环境及类似工程的施工经验综合考虑解释，提高超前预报工作的准确性。

　　参考文献(References):

　　[1]赵永贵，刘浩，孙宇，等.隧道地质超前预报研究进展[J].地球物理学进展，2003，18(3):460-464.ZhaoYonggui，LiuHao，SunYu，etal.Researchprogressintunnelgeologicalprediction[J].ProgressinGeophysics，2003，18(3):460-464.

　　[2]刘国，李焯均，沈卫东.综合超前地质预报在长乐山隧道施工中的应用[J].现代隧道技术，2011，48(1):123-127.LiuGuo，LiZhuojun，ShenWeidong.IntegratedadvancegeologicpredictionappliedinChangleshantunnel[J].ModernTunnelling

　　相关刊物推荐：《现代隧道技术》(双月刊)创刊于1964年，由中铁西南科学研究院有限公司 和中国土木工程学会隧道及地下工程分会共同主办。

　　

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