摘要:針對營達高速公路花冠隧道工作面前方地質構造問題，為隧道工程的安全施工提供更為準確的物探資料，采用地震層析成像技術的原理，介紹了該方法在隧道超前地質預報工作的準備事項、工作流程及注意事項。通過在花冠隧道超前地質預報工作的應用研究，表明該方法在隧道超前預報中探測范圍廣，隧道上下、左右探測距離能達到50m，前方探測距離能達到150m;并通過三維成像方法能將隧道工作面前方地質構造異常空間位置直觀地表現出來。提高了隧道超前地質預報成果的解釋準確度及精度。

　　關鍵詞:地震層析成像;隧道工程;超前地質預報;三維成像;巖體破碎帶;地質異常體

　　0引言

　　隧道工程往往存在埋深較深、地勢復雜且里程較長的特點，所以地質條件較為復雜。隧道施工中往往要經過如溶洞、斷層、煤層、瓦斯富集區、富水區、破碎帶等許多不良地質異常體，而在勘察設計階段難以準確的查明這些隱蔽的不良地質體具體情況，這造成勘察設計階段的地質勘察資料與實際地質情況不符。查明這些隱伏不良地質異常體，為隧道施工提供可靠的地質物探資料，進行隧道超前地質預報工作是非常必要的，它在隧道施工中具有重要的作用，它是隧道掘進開挖之前必須進行的一個重要步驟[1-5]。

　　隧道超前地質預報常用的工作方法有鉆探法、地質調查法、物探方法，常使用的物探方法有電法、電磁法、地震波法。現階段隧道長距離超前地質預報方法使用的主要是地震波法，它包括TSP、TGP、TRT、TST、HSP等各種方法。隧道地震波反射層析成像技術(簡稱TRT)具有操作簡單、探測距離較長、不需要放炮、費用低、成果三維顯示、結果解釋較準確等諸多技術優勢，近年來在各個隧道都有良好的應用[6-12]。

　　1原理與技術方法

　　1.1基本原理

　　地震波反射層析成像技術簡稱TRT，屬于地震波超前預報法。該技術是在隧道工作面布置三維觀測的無線檢波器，在震源點用大錘激發地震波，地震波在向隧道工作面掘進前方傳播過程中遇到波阻抗界面，即地層巖石分界面或巖體變化界面，如巖性分界面、斷層構造、破碎構造帶、巖溶、采空區、富水區等，一部分透射進入前方繼續傳播，一部分彈性波信號被反射回來的高靈敏度傳感器接收，并通過無線傳感器基站把信號傳輸到計算機中。通過處理得到隧道工作面掘進前方三維地震波反射層析圖，分析隧道工作面掘進前方不良地質異常體的性質的位置及規模。當地震波從低阻抗巖層介質傳播到高阻抗巖層介質時，反射系數R為正;反之，反射系數R為負。

　　所以，當地震波從較軟巖傳播到較硬的圍巖時，反射回波的偏轉極性和波源是相同的。當地震波傳播到圍巖破裂帶時，反射回波的極性會發生反轉。地質異常反射體的范圍越大，聲學阻抗差異性就越大，反射回波能量就越強，越容易探測到[13-17]。該技術采用層析掃描成像技術，形成直觀、立體的三維圖，立體圖中的反射邊界煤一點離散圖像是由空間疊加所有地震波形計算得來。通過分析，得出隧道工作面前方地質異常體的性質、位置、形狀、大小。

　　1.2工作前準備

　　現階段使用地震波反射層析成像技術的儀器主要有美國產TRT6000、TRT7000，以TRT7000為例工作前準備主要有以下4個方面。

　　(1)儀器完整性檢查。1臺系統主機，11個模塊，1個BASE，1根BASE和主機連接線，1個采集密碼狗，1根觸及線纜及1個觸發器，10個傳感器，10個固定塊及10根固定細管。

　　(2)儀器充電。包括主機、模塊、無線風鉆。

　　(3)設備工作狀態檢查。連接基站、打開無線模塊，檢查采集軟件中相應通道綠燈是否亮，若所有燈不亮，需要檢查基站連接線、基站和軟件設置，若某個通道不亮，則檢查相應模塊。觸發正常后連接所有傳感器，每個傳感器按一定順序排開，開始采集數據，看每個通道采集的數據地震波初至是否明顯，如果初至波不明顯，則更換線或傳感器，如果始終無法讓初至波明顯，則維修無線模塊，直至所有通道初至波明顯為止。

　　(4)物品準備。1個12磅左右大錘，1個小錘，1瓶做標記用的噴漆，10個鐵鉤子，1L左右的水，梯子或者裝載機，全站儀，帶��8mm鉆頭的沖擊鉆。

　　1.3工作流程

　　以TRT7000儀器的工作過程為例:選擇震源點及檢波器點，測量人員測量坐標，操作人員安裝傳感器及遠程模塊，建立基站，連接電腦，測試是否正常，進行數據采集。

　　1.4注意事項

　　檢波器應固定牢固，布置前用小錘輕輕敲擊巖石表面，確保不要選取破碎的點;用全站儀準確測量記錄好12個震源點、10個檢波器的三維坐標;遠程模塊掛在隧道壁上，注意保持天線朝下，而基站的無線模塊天線注意保持朝上;設備采用的是進口高靈敏度、高精度的檢波器，對環境震動及噪聲比較敏感，在作業時必須完全排除隧道施工和環境產生的震動及噪音等干擾因素。

　　1.5成果分析

　　使用RV3D軟件處理數據得到隧道工作面掘進方向空間的物探異常體的三維立體圖像成果，運用用相對異常解釋原理，先確定地震波在正常連續均勻的巖性體傳播為正常的背景場，形成物探異常體區域偏離背景場值的大小、范圍、距離，然后結合地質勘察資料、已揭露的地質資料、施工現場環境及類似工程的施工經驗綜合考慮解釋隧道工作面前方不良地質體的位置、性質、形狀、規模[17-20]。

　　2工程實例

　　2.1工程概況

　　花冠隧道位于營山至達州在建高速公路。隧道地貌單元屬構造剝蝕丘陵區，地貌單位由中等強度的構造及長期的剝蝕堆積形成，形成山丘渾圓、斜坡較緩、溝谷寬闊的地面形態，微地貌主要表現為丘陵、緩坡、陡坎、沖溝、寬谷等。

　　在長期的剝蝕作用下，地勢無明顯脈絡，迂回起伏較為破碎，地形為爪狀起伏垅崗與寬闊槽谷相間雜呈，垅崗由小山丘與不規則狀殘丘組成，地形地貌較復雜。洞體主要圍巖主要由侏羅系上統蓬萊組下段砂巖、粉砂質泥巖組成。巖層產狀為357°∠6°，傾向與坡向夾角為70°，為層狀斜向結構，呈較不利組合，且由于巖體風化強烈，易產生節理裂隙發育，巖體破碎不良地質體。花冠隧道左線的起止里程ZK34+740m—ZK35+345m，長605m;右線的起止里程K34+720m—K35+365m，長645m。

　　2.2現場采集

　　試驗探測位置為花冠隧道進口左線，里程為ZK34+808m。探測使用的儀器為TRT7000設備，儀器組成:檢波器10個，檢波器固定塊10個，無線模塊11個，無線通訊基站1個，觸發器1個，儀器主機。根據隧道工作面具體情況的設計安裝10個傳感器，在工作面左右邊墻分別布置4個，隧道拱頂布置2個，錘擊震源點在隧道左右邊墻分別布置6個共設計12個。

　　2.3超前地質預報探測結果

　　通過軟件處理得到三維地震反射界面的分布圖，結合工區的地質資料、鉆探資料和現場的實際情況綜合分析，預報結論如下:

　　(1)工作面前方14～39m(ZK34+822m—ZK34+847m)，三維成像圖顯示在該區域存在范圍較廣且反射振幅較強的地震波反射界面帶，結合地質資料和已掘進段的地質情況綜合判斷該段地質異常體是由于圍巖層理、裂隙發育，巖體破碎帶引起。

　　(2)工作面前方110～130m(ZK34+918m—ZK34+938m)，三維成像圖顯示存在較弱的地震波反射界面，結合地質資料和已掘進段的地質情況推測該段圍巖存在裂隙或含有裂隙水，也有可能是干擾造成的假異常。

　　(3)工作面前方0～10m、40～110m、130～150m(ZK34+808m—ZK34+818m、ZK34+848m—ZK34+918m、ZK34+938m—ZK34+958m)，三維成像圖顯示該區域范圍內無明顯地震反射波，推測該段圍巖完整性較好無明顯異常。

　　2.4驗證結果

　　隧道掘進后的地質資料顯示:工作面前方18～38m(ZK34+826m～ZK34+846m)巖性為粉砂質泥巖，層理、裂隙發育，巖體較破碎。工作面前方115～125m(ZK34+923m～ZK34+933m)工作面附近圍巖無明顯異常現象。超前地質預報結果和實際掘進驗證情況基本一致。

　　3結論

　　(1)地震反射層析成像技術操作簡便、三維成像、直觀準確地顯示地質異常體，探測距離能達到150m，探測范圍廣，隧道上下、左右50m，隧道前方、側方和上下方向異常都能探測到。

　　(2)地震反射層析成像技術能準確的預測預報花冠隧道內的不良地質異常體，為本隧道的安全施工提供了可靠的地質物探資料，有利于在此工程項目其他隧道工程推廣及應用。

　　(3)結果解釋需要結合地質勘察資料、已揭露的地質資料、施工現場環境及類似工程的施工經驗綜合考慮解釋，提高超前預報工作的準確性。

　　參考文獻(References):

　　[1]趙永貴，劉浩，孫宇，等.隧道地質超前預報研究進展[J].地球物理學進展，2003，18(3):460-464.ZhaoYonggui，LiuHao，SunYu，etal.Researchprogressintunnelgeologicalprediction[J].ProgressinGeophysics，2003，18(3):460-464.

　　[2]劉國，李焯均，沈衛東.綜合超前地質預報在長樂山隧道施工中的應用[J].現代隧道技術，2011，48(1):123-127.LiuGuo，LiZhuojun，ShenWeidong.IntegratedadvancegeologicpredictionappliedinChangleshantunnel[J].ModernTunnelling

　　相關刊物推薦：《現代隧道技術》(雙月刊)創刊于1964年，由中鐵西南科學研究院有限公司 和中國土木工程學會隧道及地下工程分會共同主辦。