USP地质预报技术在长大隧道施工中的应用

赵莉蒙

(中铁十八局集团第一工程有限公司，天津 300000)

目前我国仍处在经济的快速发展过程中，对于交通和其他基础设施的建设需求很大，尤其是在中西部山区，在建和拟建隧道数量众多。很多隧道不仅很长，埋深也很大，岩爆、断层等地质灾害时有发生，严重威胁施工和人员安全。因此，不良地质隧道施工必须开展超前地质预报。目前，常用的隧道超前地质预报方法有：掌子面地质描述、超前钻探法、地质调查法、TEM法探测、TSP法探测等[1-3]。其中隧道地震预报法TSP技术在国内岩体隧道工程中应用较多，但现有技术手段预报精度不够，无法更有效的指导隧道现场施工、规避施工风险[4-5]。本文采用USP21地质预报系统，通过“角度、位置偏移+多震源多接收”的联合叠加方法进行长距离地震波反射法预报，可提高长距离隧道施工超前地质预报精度，为隧道施工提供可靠的地质信息资料。

1.1 系统组成

USP21是一种新型的隧道及地下工程开挖综合超前地质预报系统。采用三维空间排布、256个通道的数据采集和多个震源点位置偏移，在隧道前方形成高密度的三维数据结构体。通过对三维结构数据的一系列处理和分析，形成各种三维空间地震波的图形图像，最终计算出岩土的各种力学参数，从而实现对隧道及各种地下工程前方地质条件的判译和预测。USP21系统包括：地震接收器、起爆器、锤击震源、电磁扫描、数据采集系统和电磁发送机，如图1所示。

图1 USP21系统设备

1.2 长距离地震反射技术

1.2.1 “角度+位置”偏移联合体系

该体系采用多眼定位法原理，以角度偏移为主，辅助位置偏移。提供256个通道，配置数量不等的单分量、三分量、平板式及半球多分量地震接收器，接收器中的每个传感器作为一个基本单元，描述位置和方向，并使用位置、角度偏移对接收到的透射波和反射波进行射线追踪及归位成像[6]，并实现多震源、多接收器以及叠加次数不限的方法组合，解决复杂地质条件下的隧道施工超前地质预报问题。多分量空间接收器结构见图2，位置与角度的互换见图3。

1.2.2 绕射叠加

绕射叠加是从绕射波归位到其顶点的几何地震

图2 多分量空间接收器结构

图3 位置偏移与角度偏移的互换

学偏移方法。首先，将地下空间划分为网络，认为每个网络点都是绕射点。根据网络点的坐标计算出它所发出绕射波的时距曲线，然后按照此绕射双曲线给定的时距曲线与实际记录的各绕射点的振幅值一一对应，将它们相加后作为偏移后绕射点的输出振幅。

对角度偏移的绕射叠加，设接收器到绕射点的距离S1，绕射点到震源点距离S2，那么，所有空间检波器在绕射点处的反射波幅的贡献等于(S1+S2)/V时刻的值乘以与绕射点与接收器连线的夹角余弦之和，工作原理见图4、图5。

图4 绕射叠加原理 图5 USP21的绕射叠加

1.2.3 深度偏移

地下介质结构是用地震波形同相轴表示的，偏移(归位)处理在叠加剖面上是使地震波更能接近或准确地反映地质结构。当地下地层为水平状态，反射波形正好反映记录隧道正下方的地层。如果反射地层为倾斜界面，地震反射同相轴就要向下倾方向移动。此时，叠加剖面上反射同相轴的视倾角φ*与地层的真实倾角φ不等。USP21系统采用的是速度谱分析法和绕射叠加进行深度偏移处理地震剖面，如图6所示。

1.3 多震源多接收器的联合叠加方法

在隧道掌子面前方布置多个接收器与震源激励点，通过不断有规律地改变震源点，来查看地震反射波形的变化，根据其差异来确定隧道掌子面前方围岩的地质构造细节，实现隧道施工高精度超前地质预报。选取了S1～S6不同震源的反射波型进行叠加，抽取S1震源反射波效果见图7。

图7 S1震源反射波叠加结果

1.3.1 多震源的偏移

多震源的偏移说明不同的震源与接收器的空间位置与围岩地质结构之间的关系变化。就像不同方向的光源下，会看到不同的地下结构，由于路径不同，看到的情况相近但不同。

1.3.2 地震波偏移、叠加与联合

将S1～S6多震源偏移的空间展示进行绕射联合叠加，再对叠加的联合文件的波形进行抽取，提取较大的正负反射点如图8所示。图8中颜色的亮暗差异表示地震波对前方围岩的反射程度不同，反映了该区域或该断面地质的完整性，颜色鲜红表示地震波波速高，代表该区域岩体较密实；
颜色暗红表示地震波波速低，代表该区域岩体空隙率高，软弱较破碎或富含地下水。颜色有明显变化的地方表示该处围岩不均匀，完整性差，地质复杂多变。进一步提取见图9，可实现对前方软弱带等不良地质体的准确探测。

图8 较大反射的 图9 最大的几处反射界面

反射界面 (波速明显增加)

2.1 工程概况

八片山隧道为汕(头)湛(江)高速公路惠州至清远段的一部分，位于惠州市境内。隧道全长1 001.0 m，净宽10.25 m，净高5 m，最大埋深140.6 m，最小埋深20.3 m。隧道全线地形复杂、地势陡峭，不良地质多。隧道出露地层围岩主要为风化花岗岩，断层、破碎带均有分布，开挖时易发生坍塌。

隧道穿越区域地质情况复杂，有可能出现未探测到的断层和破碎带等不良地质结构。

2.2 测线布置

USP21预报系统采用5个炮点的激发数据，2个半球接收器置于隧道掌子面下方，6个三分量接收器置于隧道侧壁及底部，震源点在掌子面上方，现场测试情况如图10、图11所示。

2.3 超前预报结果分析

通过USPwin21软件对采集到的USP数据进行处理，获得了P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面、反射层提取以及岩石物理参数等。在成果解释中，主要通过球面扩散→平均均衡→频谱分析→带通滤波→绕射叠加的三维空间资料P波对岩体进行划分，并结合S波数据对地质现象进行解释。解释遵循以下准则：

(1)正反射(红色)界面表示进入硬岩层，负反射(蓝色)界面表示进入软岩层。

(2)如果S波反射比P波强，则表明岩层饱含水。

(3)Vp/Vs的增加或泊松比的突然增加通常是由流体的存在引起的。

2.3.1 右线2K41+728-2K41+668预报情况

(1)开挖后掌子面地质描述：中风化花岗岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，拱部无支护情况下易发生掉块等现象，围岩整体性、稳定性一般。现场情况如图12所示。

图10 USP布置 图11 USP现场测试 图12 掌子面围岩裸露情况

(2)超前地质预报情况。根据图13分析可知：

图13 右线2K41+728-2K41+668 TSP地质预报

2K41+728-2K41+698区域以正反射界面居多，颜色暗红且颜色变化明显，表示地震波穿越区域内岩体波速低，代表本段硬岩岩体强度均质度低，空隙或裂隙较多，整体性较差、岩体较破碎、裂隙发育。

2K41+698-2K41+668区域颜色鲜红且颜色无明显变化，表示地震波穿越区域内岩体波速高，代表本段岩体强度有逐渐变强趋势，围岩相对稳定。建议按开挖面的实际情况，可合理考虑围岩支护类型。

(3)实际开挖情况：如图14所示，2K41+698处围岩有明显变化，整体性有所加强，岩性变好。

2.3.2 左线 F1K41+766-F1K41+666预报情况

图14 2K41+698处掌子面围岩裸露

(1)开挖后掌子面地质描述：中风化花岗岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，拱部无支护情况下易发生掉块等现象。围岩整体性、稳定性一般，开挖时受层理、节理、裂隙影响，掌子面岩体软硬不均。另外，特别注意夹层处的施工，开挖时极易掉块，崩塌，施工时应引起注意。

(2)超前地质预报情况。根据图15分析可知：

F1K41+766-F1K41+746，本段围岩为中风化花岗岩，红蓝反射界面都存在说明本段围岩处于软岩硬岩交互地段，且正反射界面红色变化明显，表明该区域节理裂隙发育，施工时需加强支护。

图15 左线F1K41+766-F1K41+666 TSP地质预报

F1K41+746-F1K41+666，本区域只有正反射界面且颜色无明显变化，表示地震波穿越区域内岩体波速高，岩体强度有逐渐变强趋势，围岩相对稳定，爆破震动后易产生坍塌。

(3)实际开挖情况：如图16所示，F1K41+746处围岩变好，整体性有所加强，围岩相对稳定；
F1K41+726处围岩强度有所加强，整体性较好，围岩相对稳定。

图16 掌子面围岩裸露情况

USP地质预报技术在八片山隧道进行了现场应用，在试验里程段内实现了隧道掌子面前方60 m范围内岩体完整体特征的精准预测，精准度可达85%。

(1)通过不同分量地震接收器的组合布置，利用位置、角度偏移进行地震波的射线追踪和归位成像，实现了不同场地条件下长大隧道施工的地质预测。

(2)通过多频采集数据的叠加和多个单震源文件的组合，提高了预测精度和准确性，为隧道施工提供了具体的灾害体形状和准确的空间位置。

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