多波多分量地震探测在隧道超前地质预报中的应用

时间：2022-11-06 百科知识版权反馈

【摘要】：摘　要　结合隧道超前地质预报实践，以几个典型断面的探测为例，介绍了多波多分量地震探测方法在隧道超前地质预报中的应用。本文以几个典型断面的探测为例，介绍多波多分量地震勘探方法在隧道超前地质预报中的应用。可见，在地质雷达探测范围内，多波多分量地震探测结果与地质雷达探测结果基本一致。同时，隧道开挖后的实际情况证明了多波多分量地震探测分析结果的准确性。

靳晓光¹　汪立新²　朱登礼²　孙宗杰³

（1重庆大学土木工程学院　重庆　400044；2中铁十九局集团第二工程有限公司　辽阳　111000；3中铁十五局集团第六工程有限公司　洛阳　471000）

摘　要　结合隧道超前地质预报实践，以几个典型断面的探测为例，介绍了多波多分量地震探测方法在隧道超前地质预报中的应用。并与地质雷达在探测范围内的结果对比分析和隧道开挖揭露的实际情况验证，对隧道掌子面前方的岩性分界面或软弱夹层、断层破碎带、含水地层和岩爆地段等探测结果及准确性进行了分析和总结，以期为隧道超前地质预报提供一种易操作、不影响施工、对环境条件适应性强，且又比较准确的超前地质预报新方法。

关键词　隧道　不良地质　地质雷达　多波工程地震仪　超前预报

1　引　言

我国西南地区多为山区或重丘区，地质条件复杂，在山岭高速公路隧道建设中经常遇到岩溶、高地应力、松散地层、膨胀地层、断层、岩爆、流沙等不良地质和特殊地质问题。为确保施工安全，保证施工进度和质量，必须对不良地质和特殊地质路段进行超前探测预报研究。

目前在隧道施工期间采用的超前地质预报方法从专业技术方面可分为常规地质法和物探法两大类，具体体现在超前导坑、隧道地质素描、水平超前探孔、声波测试（HSP）、红外探水、BEAM法、电磁波法（GPR）和弹性波法（TSP、TST、地震负视速度法、TRT真地震反射成像技术、陆地声纳法、面波法）等，各种方法及仪器设备各有其优势和不足，但必须是以综合地质分析为前提，才能得到比较准确的解译结论。

本文以几个典型断面的探测为例，介绍多波多分量地震勘探方法在隧道超前地质预报中的应用。对隧道掌子面前方的岩性分界面或软弱夹层、断层破碎带、含水地层和岩爆地段的探测结果进行分析和总结，以期为隧道超前地质预报提供一种易操作、不影响施工、对环境条件适应性强，且又比较准确的超前地质预报新方法。

2　多波多分量地震勘探基本原理

2．1　多波多分量工程地震仪工作原理

多波工程地震仪测试方法有自激自收（反射波）法和瑞雷波法两种。自激自收法和地质雷达的探测方法相近，是零（或极小）偏移距状态下的反射波法探测。由震源激发的地震波在向下传播时，当遇到不同的波阻抗界面，如空洞、断层破碎带和岩性界面等，就会在界面上发生反射，其反射系数R_n为：

式中，ρ_n，ρ_n－1表示第n层和n－1层介质的密度；V_n，V_n－1表示两层介质中地震波传播的速度。从式（1）中可以看出，当R_n≠0时，即ρ_n V_n≠ρ_n－1 V_n－1，在该界面就会产生反射，R_n越大，反射信号能量越强。自激自收反射波法探测就是基于这一原理，通过激发和接收地震反射波信号来研究各种地质现象的。

反射波法超前预报是根据在测线的不同位置上提供反射时间的变化来反映隧道掌子面前方地层的变化及构造形态。根据地震波从掌子面开始向前传播的时刻（即震动或爆炸的时刻）和地层分界面反射波到达掌子面的时刻，得出地震波从掌子面向前传播到达不同地层分界面，又反射回掌子面的总时间t，再根据地质勘探资料或用其他方法测定出地震波在岩层中传播的速度V，利用以下计算公式：

就可以得出地层分界面的埋藏深度或距掌子面的距离。

瑞雷波法是一种利用瑞雷波的运动学特征和动力学特征来进行工程质量检测及工程地质勘察的物探方法。在自由界面上进行竖向激振时，均会在其表面附近产生瑞雷波。瑞雷波有3个与工程质量检测有关的主要特征：一是，在分层介质中，瑞雷波具有频散特性；二是，瑞雷波的波长不同，穿透深度也不同；三是，瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。瑞雷波能量主要集中在地表下一个波长的范围内，而传播速度代表着半个波长（λ_R/2）范围内介质震动的平均传播速度。因此一般认为瑞雷波法的测试深度和波长密切相关，而波长与速度及频率有如下关系：

设瑞雷波的传播速度为V _R，频率为f _R，则瑞雷波的波长λ_R为λ_R＝V _R/f _R，当速度不变时，频率越低，测试深度就越大。瑞雷波波速V _R与横波波速V _S具相关性，在岩石中，V _R≈0．90～0．95V _S，故可以利用V _R与反射波波速联合求解岩层的岩土力学参数。

2．2　仪器性能指标

多波工程地震仪主要由两部分组成：DGY-1型主机和智能多分量地震检波器。其性能参数如下：

（1）DGY-1型主机

主机控制的检波器数量可以根据实际情况进行调整，单个串口管理最多可达128个，通道数有1～384道（单个串口）。数据传输速率（KBPS）有4种，即19．2，9．6，4．8，2．4，其对应的最大传输距离为1．2，1．8，2．4，3．0 km。

（2）智能多分量地震检波器

智能多分量地震检波器尺寸小、重量轻（＜2 kg）、功耗低。该设备有3个通道，增益在0～120 dB，采样精度达到16位。仪器采样间隔0．02～20 ms，采样点数为512，1 024，2 048。数字输入采用程控滤波法。

3　多波多分量工程地震探测

3．1　岩性分界面或软弱夹层探测

根据掌子面的实际情况，可水平、竖直布置几条测线，可使用1～3个检波器。

湘渝高速公路洪酉段葡萄山特长隧道右洞YK62＋427断面和左洞ZK56＋702断面岩性分界面或软弱夹层的多波多分量地震探测及地质雷达探测分析结果如图1和图2所示。

图1　YK62＋427探测分析结果

图2　ZK56＋702探测分析结果

在图1和图2中，上面横坐标代表时间，单位为ms，下面横坐标代表深度或长度，单位为m，纵坐标代表工作时地震波的叠加激励。

根据图1分析结果，在掌子面YK62＋427前方16，104m和141m，即YK62＋411、YK62＋323和YK62＋286处有介质变化界面，推测YK62＋286为断层破碎带内部相对弱化带。

根据图2（a）多波多分量地震探测结果，在掌子面ZK56＋702前方11～14，19～24，29～37，55～58 m和75～81 m，即ZK56＋713～＋716，ZK56＋721～＋726，ZK56＋731～＋739，ZK56＋757～＋760和ZK56＋777～＋783等区段节理、裂隙发育，岩体较破碎，围岩稳定性差。根据图2（b）地质雷达探测结果，在隧道掌子面ZK56＋702前方9～14 m有较强的反射面，节理、裂隙较发育；在20 m以远有很强的反射面，岩体较破碎，围岩稳定性差。可见，在地质雷达探测范围内，多波多分量地震探测结果与地质雷达探测结果基本一致。同时，隧道开挖后的实际情况证明了多波多分量地震探测分析结果的准确性。

3．2　断层破碎带的探测

重庆二环高速公路环山坪隧道进口左洞ZK125＋896断面断层破碎带的探测及分析结果如图3和4所示。在图3中，纵坐标代表的地震波激励次数为3次。

图3　ZK125＋896探测结果

图4　ZK125＋896分析结果

根据图4分析结果，在掌子面ZK125＋896前方0～13 m（ZK125＋896～＋909）岩体较破碎，结合工程地质资料综合分析，确定ZK125＋896～＋909为F4断层及其影响带。隧道开挖后的实际揭露情况证明和探测分析结果相一致。

3．3　含水地段探测

在湘渝高速公路洪酉段葡萄山特长隧道左洞掌子面ZK58＋281进行了探测，分析结果（如图5所示）显示，在隧道掌子面前方67～76m（ZK58＋348～＋357），105～108 m（ZK58＋386～＋389），146～152 m（ZK58＋427～＋433），160～169 m（ZK58＋441～＋450），178～183 m（ZK58＋459～＋464）5区段地下水较丰富，施工时易发生渗漏水现象。隧道开挖后的实际揭露情况与探测分析结果相一致。

图5　ZK58＋281探测分析结果

3．4　岩爆地段的探测

在湘渝高速公路洪酉段葡萄山特长隧道左洞掌子面YK58＋391进行了探测，分析结果（如图6所示）显示，在隧道掌子面前方42～93 m（YK58＋433～＋484）共50 m的区段，岩石坚硬，可储存较高的能量，结合隧道的埋深（600 m左右），推断可能发生岩爆现象。隧道开挖后的实际情况证明了探测分析结果的准确性。