（中铁隧道股份有限公司 河南 郑州 450000）
【摘 要】引水隧洞施工过程中，破碎岩体、断层、含水溶洞、地下暗河等是常见的赋存灾害源的不良地质体，在开挖揭露或施工扰动的作用下，容易导致塌方、突水涌泥等地质灾害，传统的地球物理探测技术与仪器根本无法适用。采用三维地震波法探测方法在引水隧洞工程施工隧道中开展了实际的探测工作，通过实例验证其预报良好效果，三维地震波法探测是一种可以用在引水隧洞施工隧道中超前地质预报方法，具有广泛的应用前景。
【关键词】引水隧洞；三维地震；隧道超前地质预报
Application of advanced geological detection with 3D seismic method in diversion tunnel
Xue Jing-pei
【Abstract】In diversion tunneling, geo-hazards like fractured rock, faults, water-bearing caves, underground rivers are the common disaster sources and they may, under the effect of excavation exposure and construction disturbance, lead to geological disaster, such as collapse, water/mud inrush. However, traditional geophysical prospecting techniques and instruments are not applicable in diversion tunnels. The writer conducted a practical detection in water supply project using 3D seismic method. Through the analysis of its prospecting results, 3D seismic method is suitable for the advanced geological detection in diversion tunnel, and can be used more widely.
【Keywords】Diversion tunnel; 3D seismic; Tunnel advanced geological prediction
【中图分类号】U455 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）12-0082-04
1.引言
随着十三五计划的实施，中国重大基础工程中铁路公路交通工程、水利水电工程的投建，极大的促进了我国隧道工程的建设。随着经济政治发展的需要，20多个世界级的交通隧道工程正在或即将在西南地区和西北地区投入建设。据统计我国已经成为世界上隧道修建规模最大、建设难度最大的国家。由于西南地区和西北地区多山区，岩溶构造又十分复杂，使隧道长度与埋深都相应增加，隧道施工的地质条件及地理环境复杂多变，施工安全风险增高，隧道建设面临新的困难与挑战。
水利水电工程中引水隧洞的施工由于水利水电工程中引水隧洞的施工由于里程较大，工期较长等原因，隧道掘进机(TBM)施工方法成为我国隧道工程建设的重要趋势和发展方向，极有可能占据主导地位。由掘进机施工隧道的数量和里程将快速增加，掘进机施工面临的防灾减灾和安全建设问题越加受到人们的重视，成为隧道工程领域的重大技术挑战和前沿热点问题之一。
超前地质预报是保障隧道施工的必不可少的重要技术手段。破碎岩体、断层、含水溶洞、地下暗河等是常见的赋存灾害源的不良地质体，在开挖揭露或施工扰动的作用下，容易导致塌方、突水涌泥等地质灾害[1]，往往造成重大经济损失，甚至人员伤亡。因此，开展针对隧道施工不良地质超前预报是地下工程防灾减灾的学科发展的需要，具有科学价值和工程意义。
超前地质预报在引水隧洞施工中作用尤其重要，可指导TBM或钻爆施工有效避免破碎岩体坍塌、突水涌泥等灾害[2]。但超前地质预报手段在应用到TBM施工隧道时面临的探测环境非常复杂[3]：由于TBM机身的金属构造导致电磁干扰极为严重，TBM本身又是一个庞然大物，观测空间、探测时间极为有限，传统的地球物理探测技术方法与仪器无法适用于TBM隧道中，导致在隧道掘进机施工中至今还没有十分有效的超前地质预报地球物理探测方法与技术，无法准确测量不良地质的地球物理响应并实施准确定量预报，导致隧道掘进机施工面临着极高的灾害事故风险。
针对在TBM施工隧道进行超前预报这一难题，前人做了诸多有益尝试[4-7]。本文将三维地震震波方法引入到TBM施工隧道超前探测中，介绍三维地震TRT探测方法的基本原理、仪器特点与探测实施过程。以吉林省引松供水工程和陕西省引红济石工程为工程依托，开展三维地震波法探测，对可能存在的断层破碎带进行超前判断，探测结果用于指导施工，并且开挖结果验证了探测结果的准确性。
2.三维地震波法
2.1 三维地震波法原理
以上公式表明，只要岩石分界面存在波阻抗差，就会产生反射。波阻抗差越大，反射振幅越大，反之反射振幅降低。地震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的当掌子面前方岩体内部有破裂带时，回波的极性会反转。反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，回波就越明显，越容易探测到。(TRT6000操作手册，C-Thru Ground,2006)
2.2 三维地震TRT探测
2.2.1 三维地震TRT硬件
本节论述以及后文工程探测中的三维地震波法探测仪器是以TRT6000为例。TRT6000的探测系统主要由两部分组成：传感器及远程无线模块和中心控制系统组成，见图1。
图2 TRT观测方式示意图(TRT6000操作手册,C-Thru Ground,2006)
2.2.3 三维地震TRT现场探测过程
（1）安装传感器。由于三维地震TRT法需要实现地质情况的三维成像，信号接收装置的布置相对较密，在隧道中的不同的位置共安装10个传感器(如图2)。第一个震源点与检波器相距10m，沿着隧道边墙依次布置检波器，左右边墙各四个，沿隧道轴向每个5m依次布置，隧道轴线在拱顶位置布置2个。
（2）布置震源：在施工隧道两侧布置震源，两侧各布置两组，每组三个震源，每个震源点沿竖向相距1m ，两组震源点在隧道轴向相隔2m。击震采用人工锤击的方式，锤击点布置(如图2)在隧道两侧的裸露岩体或已到强度的初期支护上。
（3）接收器与隧道孔壁的需要连接完成耦合，施测时隧道中TBM应停工并保证探测设备附近没有其它振动源。
（4）处理数据。采用TRT6000专用软件对采集的数据进行处理，根据地质情况设定参数，构建地震波速度模型，分析三维成像图。
3.工程应用
为了验证提出的隧道三维地震波超前探测的可靠性，检验于三维地震探测方法的有效性与实用性，开展了隧道现场超前探测应用研究，分别在吉林省引松供水工程四标段TBM施工隧道和钻爆法施工隧道以及陕西省引红济石工程钻爆法施工隧道中应用三维地震波法探测技术进行超前地质探测。通过对比探测结果与开挖揭露情况，检验地震波法超前探测技术的可行性，为隧道实际施工过程提供隧道掌子面前方围岩地质情况，保证隧道施工安全，同时对所提出的方法进行反馈以及提高。
3.1 吉林引松供水工程TBM施工段三维地震法探测实践案例
吉林引松供水工程总干线四标段位于吉林市黄瑜乡，地貌为丘陵及沟谷，山势较陡，山脊岩石裸露，植被不发育，沟谷季节性流水。岩性主要石炭系中下统磨盘山组灰岩，泥盆系中下统碱草甸子-常家街组灰岩。在灰岩中局部分布有砂岩及岩脉。本段有10条断层、2条低阻异常带，除F38-1与洞线交角29°外，其余断层均与线路大角度相交。灰岩岩溶较发育，垂直分带性不明显，溶洞多沿沟谷、断层呈北东或南北向分布，洞径大小不一，多充填。前方围岩可能存在围岩不稳定段，工程地质性质差，易出现围岩塌方造成卡机、突水涌泥造成淹机等灾害，因此需要在隧道施工期进行超前地质预报，查明可能存在的灾害源，保证TBM安全顺利施工。
TBM施工掘进至64+724，在TBM停机维修保养期间实施三维地震TRT探测。现场采集用时大约90min，未对TBM施工工序造成影响。采集完成后进行处理，设定探测距离为100m，因此得到64+724~64+624范围内三维地震TRT探测结果，见图3。经过滤波、波场分离、速度分析、等旅行时偏移成像等步骤得到偏移成像结果。探测结果如图3所示：
(b)波速分布图
图3 吉林引松供水工程TBM施工段64+724~64+624三维地震法探测探测结果
（1）在掌子面前方0~20m (里程64+724~64+704)，平均波速在4500m/s左右，出现零星的正负反射，推断围岩完整性差，裂隙发育，与现有掌子面情况基本一致；
（2）在掌子面前方20~40m (里程64+704~64+684)，波速稳定在4700m/s左右，未出现明显的正负反射，推断该段落围岩完整性差；
（3）在掌子面前方40~70m (里程64+684~64+654)，波速稳定在4600m/s左右，出现明显的一条正负反射，推断整体围岩较破碎，裂隙较发育；
（4）在掌子面前方70~100m (里程64+654~64+624)，波速稳定在4700m/s左右，未出现明显的正负反射，推断该段落围岩完整性差。后期开挖揭露显示：在隧洞里程64+724~64+704范围内，揭露围岩裂隙发育较多， (图4(a));里程64+684~64+654段 (图4(b))，围岩破碎。由以上预报结果与开挖揭露结果对比可知，预报结果与实际开挖情况符合较好。
(a)裂隙 (b)破碎
图4 TBM施工段64+724~64+624隧洞围岩揭露情况
3.2 引水隧洞钻爆法施工段三维地震法探测实践案例
3.2.1 吉林引松四标段7#支洞三维地震法探测实践
吉林引松供水四标段工程51+626~51+726段落，地貌为丘陵和河谷相间，植被不发育，地面高程243~378m，隧洞埋深20m~156m，过沟谷处埋深20~31.6m。穿越地层岩性为石炭系灰岩，石英含量16%。现四标段7#支洞工区大里程接应段开挖至桩号51+626处，围岩类别为Ⅲ类，根据地质纵断面图显示，现目前处于沟谷位置，实际开挖揭露围岩岩性为燕山早期中粗粒花岗岩，岩石呈弱风化状态，整体围岩完整性较差，地下水发育，局部有滴渗水现象。为了探明施工隧道掌子面前方的不良地质地质情况，进行了本次地震波法超前地质预报。
钻爆施工掘进至51+626实施三维地震TRT探测得到51+626~51+726范围内三维地震TRT探测结果。探测结果如图5所示：
（1）在掌子面前方0~20m (里程51+626~51+646)，平均波速在3800m/s左右，出现零星的正负反射，推断围岩完整性差，裂隙发育，与现有掌子面情况基本一致；
（2）在掌子面前方20~40m (里程51+646~51+666)，波速稳定在3900m/s左右，未出现明显的正负反射，推断该段落围岩较完整；
（3）在掌子面前方40~50m (里程51+666~51+676)，平均波速在3700m/s左右，出现零星的正负反射，推断围岩完整性差，裂隙发育；
（4）在掌子面前方50~100m (里程51+676~51+726)，波速稳定在3000m/s左右，出现两条明显的正负反射，推断该段落围岩较破碎，裂隙发育，开挖易出现掉块或坍塌。
图6 钻爆法施工段51+626~51+726隧洞围岩揭露情况
3.2.2 引红济石工程三维地震法探测实践
引红济石调水工程位于陕西省太白县境内，是陕西省南水北调工程规划的西线调水方案。引水隧洞沿太白盆地南缘布置，进口位于关山坝址红岩河谷左岸，出口位于五里坡东部桃川河左岸，洞线全长19.8km，采用钻爆法和TBM施工法。其中设计桩号K0+000~K8+700m段采用钻爆法施工；桩号K8+700~K19+800m段采用TBM法施工。其中，在开挖TBM正洞的绕洞至10+458处时，发生涌水，并在掌子面进行了超前地质钻探，结果揭露在掌子面前方存在异常，为进一步了解异常体的特征及分布情况，进行了本次三维地震法超期地质预报。
(b)波速分布图
图7 引红济石工程钻爆法施工段10+458~10+358地震波法
探测结果
（1）在掌子面前方0~20m (里程10+458~10+438)，该段围岩平均波速相对较高，且该范围内存在较少强反射，推断该段落围岩较破碎，开挖可能出现线状或股状涌水；
（2）在掌子面前方20~80m (里程10+438~10+378)，该范围内平均波速相对较低，且该段落内存在大量连续强反射，推断围岩较上段差，围岩破碎，；
（3）在掌子面前方80~100m (里程10+378~10+358)，该范围内平均波速略有上升，且存在少量强反射，推断围岩较破碎。
后期开挖揭露显示：在隧洞里程10+458~10+438内，隧道出现涌水(图8)，因根据超前地质预报的结果施工方加强了隧道支护与抽排水能力，预防了突水突泥、塌方灾害的发生。由以上预报结果与开挖揭露结果对比可知，预报结果与实际开挖情况符合较好。
图8 钻爆法施工段10+458~10+358隧洞围岩揭露情况
在吉林省引松供水工程现场和引红济石的应用表明，三维地震法探测结果精确，能够较好的识别断层破碎带，可指导对不良地质体超前处理，为引水隧洞的TBM安全顺利掘进和钻爆法的安全施工提供了保障。
4.结论
三维地震法探测方法作为一种隧道超前地质预报手段，应用于引水隧洞具有明显优势，本文在介绍其技术特点的基础上，在多个施工现场开展了工程应用，得到的结论如下：
（1）三维地震法探测是以地震波法为理论基础，可以在引水隧洞施工环境下进行超前地质预报尤其在TBM施工环境中极其有效避免TBM施工机械设备的电磁干扰，探测系统采用的人工锤击震源、无线传输模块、三维观测模式等，都在复杂的TBM施工环境中大大提高了探测的简易程度，并且进一步改善了探测结果的准确性。
（2）在吉林引松供水工程四标段和引红济石工程现场，通过三维地震法探测准确预报了目标段落内围岩质量变化情况，并且在探测后进行开挖验证，实现了该段落内断层破碎带的较准确定位，并将三维地震法探测推广于整个施工标段，保证了引水隧洞的安全有效施工。
（3）现场实践表明三维地震超前探测方法是一种适用于引水隧洞的并具有较高可靠性的超前预报手段，值得在今后的引水隧道尤其是TBM施工隧道中推广应用。
参考文献
[1]李术才,李树忱,张庆松,等.岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(2):217-225.
[2]张莹,王朋,杜宇本,等.影响TBM施工的地质因素研究及施工对策探讨[J].地下空间与工程学报,2015,11(S2):651-656.
[3]李术才,刘斌,孙怀凤,等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报,2014,33(6):1090-1113.
[4]宁刚,沙镇海,韩永琦.地震地质超前预报技术对后山坪隧道富水性的成功预报[J].工程地球物理学报,2011,8(5):600-604.
[5]肖启航,谢朝娟.TST 技术在岩溶地区隧道超前预报中的应用[J].岩土力学,2012,33(5):1416-1420.
[6]王齐仁,杨天春.隧道地质灾害超前预报的地震反射法[J]. 地球物理学进展,2006,21(2):643-649.
[7]邱道宏,钟世航,李术才,等.陆地声纳法在隧道不良地质超前预报中的应用[J].山东大学学报:工学版,2009, 39(4):17-20.
作者简介：薛景沛（1977-），男，汉族，河南唐河人，1999年毕业于西南交通大学隧道工程专业，高级工程师，现从事隧道与地下工程技术与管理工作。
论文作者:薛景沛
论文发表刊物:《建筑知识》2017年12期
论文发表时间:2017/7/13
标签：隧道论文; 围岩论文; 隧洞论文; 超前论文; 地质论文; 里程论文; 地震波论文; 《建筑知识》2017年12期论文;