SSP技术在穿越既有采空区隧道超前地质预报中的应用.docx

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1、SSP地震散射剖面技术在穿越既有采空区隧道超前地质预报中的应用李斌，石大为（贵州省质安交通工程检测中心有限责任公司，贵州贵阳，550001）摘要：隧道施工中经常会遇到各种地质灾害，超前地质预报在隧道施工中非常必要，而众多手段中，TST技术有着明显的技术优点。本文在介绍TST超前预报技术基本原理及技术特点的基础上，应用TST技术对顶效II号隧道的地质情况进行了预报，结果表明该方法可以准确解决断层破碎带的预报问题。关键词：隧道超前地质预报；SSP地震散射剖面技术；采空区；偏移成像；StudyonApp1icationofSeismicScatterProfi1emethodtoIYinne1Geo

2、1ogyPredictionassocaitedwithMined-outregions1iBin,ShiDawei（GuizhouZhianTrafficEngineeringMonitorandTestCenterCo.,1td.GuizhouGuiyang,550001）Abstract：Thegeo1ogica1disastersoftenoccurintheconstructionoftunne1itisnecessarytoadoptgeo1ogypredictionbeforetheconstruction.Amonga11thesemethods,therearemanyobv

3、iousadvantagesofTSTsystem.Inthispaper,techniquecharacteristicandprincip1eOfTSTsystemareintroduced.Theresu1tshowsthatTSTsystemcansuccessfu11ypredictthefau1tsandfracturedzone.Keywords:Tunne1geo1ogica1prediction；SeismicScatterProfi1emethod：Mined-outregions：Seismicmigration0前言隧道施工地质超前预报就是利用一定的技术和手段收集隧道所

4、在岩体的有关资料，并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析、研究，从而对施工掌子面前方岩体情况或成灾可能性做出预报。超前地质预报方法有很多种，如地质调查推断法、超前导坑及钻探法、声波测试法、电（磁）法、弹性波法等，在诸多实际应用中，都取得了较为理想的效果。以上方法从测试场地及测试目的可以分为洞内和地表两大类，然而，在实际应用中，由于受隧道内测试场地条件限制以及对预报范围要求的不同，往往要选择某一种或者多种方法进行综合比对测试。因此，如何选择一种最省时高效的测试手段，是当前隧道超前地质预报中一个值得关注的问题。本文以贵州毕威高速水塘隧道复杂场地环境的超前地质预报为背景，在探讨该工程超前预报技术特

5、点及测试条件的基础上，应用SSP地震散射剖面技术，基本查明场区既有采空区与隧道断面范围的空间区位关系，为该工程施工的安全高效推进提供了有力的技术支持。1工程概况及预报方法的选择贵州省毕威高速水塘隧道为高瓦斯隧道，其中出口端地表边坡坡度大，横向起伏变化剧烈，在隧道施工范围内既有采空区多处，分布错综复杂。施工中多处遇到高瓦斯地层、采空区、洞身断层破碎带及涌突水等现象，区域地质条件复杂，施工难度大。因此，水塘隧道出口端超前地质预报工作的重点就集中在探明采空区与隧道的空间区位关系，进而对潜在的施工中瓦斯聚集突出、涌水、涌泥等问题提出推测结论。由于本隧道施工过程中，隧道内瓦斯浓度较高，在洞内大规模进行电

6、磁法（诸如瞬变电磁法、地质雷达法等）进行超前地质预报存在一定的安全隐患；加之受施工方案控制，二次衬砌至掌子面距离保持在50米以内，没有足够的空间与距离进行相关弹性波法（诸如TSP法、TST法等）的测试。况且，传统地震反射、折射、面波等勘探方法都不能适应该隧道地表地形变化大、地质结构横向不连续的场合。因此，本隧道出口端超前地质预报测试工作，不宜主要在隧道内开展。在地表进行测试的诸多方法中，最常用的有地质雷达法、高密度电法与瞬变电磁法。地质雷达配合低频天线试结果精度较高，往往可以取得较好的效果，然而其有限的探测深度局限了其使用；高密度电法同样受布线长度要求不适合本场区而存在这种局限性；而瞬变电磁法

7、的探测深度完全可以满足本工程的测试要求，在场地勘察等项目中得到了很好的应用，但其测试精度并不能满足指导隧道施工的要求。SSP地震散射剖面技术是近年发展起来新的观测与资料处理方法，其以波动传播的逆散射成像技术为基础，当地震波入射到波阻抗变化的异常体时，异常体作为新的被动震源向周围介质散射能量。根据观测到的散射波的运动学与动力学记录确定异常体的位置、形状与力学性状。该技术是适合山区复杂地质条件的浅层地震剖面技术，它可同时确定岩土介质的波速分布和岩土界面的位置与形态，可展现垂直剖面内岩、土介质波速的分布、岩土界面深度与形态，结果图像直观、分辨率高。实际应用中，该技术曾在汶川地震灾区边坡勘察中已取得了

8、很好的效果。因此，本次水塘隧道出口端超前地质预报主要采用了SSP地震散射剖面(SeiSmiCSCatterProfi1e)技术。2SSP技术的原理及测试方法SSP技术是一种逆散射成像技术。岩土介质中地震波的传播满足波动方程:2-1血-繇=。当地震波遇到岩性变化、地质构造等波阻抗变化界面时发生散射，散射波返PI到接收点时被记录下来，成为散射记录。地震波的散射发生在介质波阻抗发生变化的部位。假定用(r)表示均匀介质中局部平方波速的百分比异常，用百分比异常的分布表征地质结构的主要特征。则介质中的波动方程可表为：V-V；a(r)=；V/Uq=-四也2-2Vo52/诏2t其中U为总的地震波场，它是由入射

9、波场UI和散射波场US之和组成：U=UT+USo将入射场和散射场带入2-2式，并考虑通常条件下散射波场比入射场弱得多，采用波恩BORN近似，可得到入射波和散射波分别满足的方程2-3和2-4：2-3叫第=。23USa()O2U1kF而2.42-3式是入射波满足的方程，与方程2T的形式完全相同。2-4式是散射波满足的方程，其右端项代表入射波产生的惯性力。该方程表明散射波是一个被动有源场，异常体的作用相当于一个被动的场源，在入射波惯性力的激励下产生散射波。当边界很远时，边界散射波的影响可以忽略。根据达郎贝原理，散射方程2-4在频率域内的解为：UIi(HM=-2fU1(r,ik,fy)g(r,1,fi

10、)drJQ喘2-5U,(jr3)为发射点在Ib接收点在s时接收到的C体系内的总散射场。U(r,%M为发射点位于o时在散射点在r处产生的入射场。2-5式表明，散射场US是域内各散射点散射波的叠加，其散射点强度与入射波强度U1和波速异常幅值a(r)成正比。其中g(r,r，,为散射点在一接收点在1;的格林函数：，、C冲Y,时间域中的格林函数包含有延迟式。g（M，）=FTy既然接收到的散射波是域内散射点散射能量的叠加，就可反过来根据观测到的散射记录资料，由克希霍夫偏移方法，重建波速异常体的空间结构图像，得到异常散射体的强度与位置分布（r）：a（r）=EUJS,=（*H+）MS2-6其中g为散射波的格林

11、函数。该式表示由地震记录重建地质结构图像的原理。本次观测采用的是北京同度工程物探技术有限公司生产的SSP地震散射剖面测试系统。硬件包括地震仪、检波器、信号线缆等（见图2-1）,资料处理软件采用TDT1opeCT同度边坡工程CT软件完成。图2TSSP测试系统组成图SSP地震散射剖面技术的观测布置是根据波速分析和二维视速度滤波的要求设计的，是一个空间观测系统。该方法在地表布置地震观测剖面，激发点（炮点）距一般取6-8m,接收点距2-4m0实际观测中使用12-24道地震仪，检波器埋入深度20-50cm（见图2-2）,本次测试采用锤击激震。图2-2SSP地震散射剖面技术测试示意图3SSP技术的工程应用

12、实例及结果分析3.1 测试测线的布置本次观测共布置测线7条，形成3个横剖面，2个纵剖面。各剖面位置见示意图3-1；图3T水塘隧道出口边坡勘测布置示意图各测线的位置与参数如下表3-1o表3-1测线布置位置参数表剖面位置测线编号位置长度接收点数,间距激发点数响距左线中轴线纵PIZKIo8+84OfZK1O8+775纵60m242m164mp2ZK108+775-ZK108+730纵60m242m164m乡道旁边横p3YKIO8+75OfZKIo8+730横60m242m164m散体坡脚处横P4ZKIO8+788-YK1o8+798横60m242m164m右线中轴线纵P5YK108+800YK108

13、+860纵60m242m164m便道旁横p6YK1O8+87OfZK1o8+830横60m242m164mP7ZK1O8+838-ZK1o8+823横16m62m44m3.2 测试结果成像数据后处理采用北京同度工程物探技术有限公司TD-S1oPeeT软件系统。资料的后处理过程主要包括：地震记录数据录入、地震记录选取、地震数据预处理、观测系统高程修正等、波场方向滤波、围岩波速分析、地质体偏移成像、剖面三维拼接、综合地质解释等工作。详见下图3-3。3.3 图3-3SSP测试结果三维拼接成果图3.4 测试地质解释及开挖验证本次测试共完成5个剖面，3个横向剖面，2个纵向剖面。其中P1-P2剖面、P6-

14、P7剖面均是由两个测线组合而成。由于受场地条件限制，右线主轴线P5测线并未能涵盖本次右线探测范围。在5条测线成果偏移图中，连续的红线表示连续性较好的完整、变硬的岩体界面，蓝色表示相对变软的岩体界面，红蓝相间、断续变化的区域为变化较大的松散破碎带、采空区及采空区塌陷等；完整性较好的岩体偏移图中条带的连续较好。具体地质解释及开挖验证结果见下表3-2：表3-1地质解释及开挖验证对比测线地质解释开挖验证结果p1-p2该剖面存在三层低速带，沿纵向呈向斜产出，推测为煤层位置。ZK1O8+728ZK108+748段，隧道掌子面范围穿越煤层，ZK108+748-ZK108+798段，隧道顶板至上方部位穿越煤层

15、或采空破碎区。ZK108+798-ZK108+818隧道掌子面范围穿越煤层且穿越采空区或下伏采空区特征较为明显。ZK108+818-ZK108+828段总体地质情况相对较好，结合P6-P7测线结果，仅在ZK1o8+828附近存在自右线延伸采空区横切左线隧道，推断为采空区塌陷，该不良地质体距左线隧道顶板较近。煤层分布特征与勘察文件中关于场区煤层的构造类似，基本准确;ZK1O8+728ZK108748段，煤层数大于3层，预报基本准确；ZKIo8+758ZK108+788段，拱顶部位开挖揭露为煤渣状，为采空塌陷区，预报基本准确；ZK108+797ZK108+800段隧道范围内穿越采空区，预报准确;ZKIo8+827ZK108+832段，隧道变形大，结构失稳形成冒顶，预报基本准确；P3P3测线未能发现明显地质异常。但地层浅层分布特征明显，表现为高程19801990处存在一结构面，推测为滑坡堆积体交界面。未开挖至该处，未验证；p4YK108+798处隧道右斜上方（高程19401950,与隧道横向距离约6m）处，分布明显低速区，采空区的可能；该断面下方为一软弱破碎带（推测为煤层），与隧道底板距离较近（约5