TST超前地质预报技术在岩溶地区的应用.docx

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1、TST超前地质预报技术在岩溶地区隧道施工中的应用与探索新建沪昆铁路是我国交通网中“五纵五横”运输大通道的重要组成部分，是长三角、珠三角等沿海经济发达地区向西南内陆地区进行经济辐射的主要轴线，在区域综合交通运输体系中作用巨大。沪昆线西段主要位于云贵高原及其边缘过渡地带，区域范围内地质构造复杂，构造线密集，断层发育，有岩溶、煤层瓦斯和采空区、液化砂石、软质岩风化剥落等不良地质条件。在隧道施工过程中超前地质预报技术对于查清隧道不利地质条件、预报掌子面前方的地质构造和含水性、保障施工安全具有重要作用，已成为隧道施工必要的技术环节。基于地震反射理论的隧道超前地质预报技术预报长度大，工作效率高，得到了较广

2、泛的应用，但也存在一定的技术缺陷。对于大型断裂带和岩性分界面等地质对象，因其物性差异大故反射信号强，使用基于反射理论的地质超前预报技术开展工作，难度相对较小。对于岩溶、围岩裂隙等小型地质构造的预报基于反射理论的地质超前预报技术则难以发挥作用，误报率高。在我国西南的岩溶区，大部分岩溶是以构造裂隙岩溶为主，沿断裂与构造裂隙发育。由于溶蚀、崩塌、冲蚀作用，岩溶形态复杂，多有部分填充。管道岩溶也较发育，其埋深大，形成地下暗河。这些岩溶形态复杂，体积小，表面极不规则，展布规模小于地震波长,对地震波难于形成有效的反射,地震波主要以散射形式传播。针对岩溶区地震场波的特征,利用散射波进行地质超前预报势在必行。

3、散射波的传播规律、波场特征与反射波不同，不能应用地震反射资料处理技术处理，需要应用针对散射波的专有的处理技术。TST地质超前预报系统就是基于散射地震成像技术的地质超前预报系统。本文利用基于散射理论的s超前预报系统并综合地质雷达等其他预报方法成功解决了岩溶地区地质超前预报的难题。二、TST隧道地质超前预报技术2.1散射扫描成像技术超前预报时在隧道围岩中使用人工源激发地震波，地震波向四面八方传播，遇到岩性变化界面、地质构造、岩溶、地表面等波阻抗变化界面时发生反射、散射与折射。当地质界面尺度远大于地震波波长时，地震波传播遵从层状介质中的反射理论，反射波能量大，并沿着反射角等于入射角的方向传播。纵波的

4、波动方程为：92U(1)V2U一一=O当地质界面的尺度小于地震波长时，地震回波的传播遵从散射理论，散射波不再具有单一的方向，而是以散射点为中心向四面八方传播。在BORN近似下，散射纵波的传播方程为:22Usa(x)2Ufs%2亚一祗(幻一环1(X)一W)-r其中Q代表波阻抗异常分布。散射波方程是一个被动源方程，在外界激励的振动加速度和介质的波阻抗异常的联合作用下向周围发散地震波。与反射波相比，散射波的能量较弱，频率偏高。在实际地质条件下，既有像岩性界面、断层、地表面等这样的大尺度的反射界面，也有像岩溶、采空区、孤石等这样的小尺度离散地质体(图1)。地质介质中反射波和散射波同时存在。共炮点记录中

5、反射波与散射波的走时I分别遵从如下方程：反射波走时方程：心)2=4+Wsyek=也(4)VVV散射波走时方程”/)2=；+回二件匚，Z0=-,t,其中h分别为界面及散射点埋深，V为波速，Ii为日射波走时，IO为最小走时。图1隧道地质超前预报观测模型XO反射界面图2反射与散射混合理论模型采用反射与散射的混合模型(图2),根据反射波以及散射波的传播规律，分别将散射波和反射波进行偏移归位，得到隧道学子面前方的真实地质情况，这就是TST散射扫描技术的基本思想。关于TST地质超前预报系统数据处理的具体技术措施，如方向滤波、围岩速度分析、扫描成像等以及在数据采集时的观测系统要求赵永贵、蒋辉等(2008)已

6、经多次论述，此处不再介绍。2.2TST数据处理结果的解释原理TST的波速图像与偏移图像的地质解释遵从如下原理：波速的分布可用于学子面前方岩体的力学性状的推断,岩体波速高表示岩体结构完整致密,弹性模量高;波速低代表岩体破碎,裂隙含水;构造偏移图像表示地质结构的组合图像和地层性质的变化。构造偏移图像中反射条纹密集的地段，结构复杂、构造发育，在波速图像中对应位置为低波速带：构造条纹少的地段，围岩均匀致密，波速图像中对应高波速带。对岩体含水性的预报要结合水文地质资料，如果隧道标高在地下水位之下，则可判定断裂带和破碎岩体富含地下水，如果隧道标高在地下水位之上，则断裂带和破碎岩体仅可能含少量水或季节性含水

7、。偏移图用色彩分明的蓝红分别表示软硬岩体界面，红色线条代表正的波速异常,表示波速由低变高、岩体由软变硬的界面；蓝色线条代表负的波速异常,表示波速由高变低、岩体由硬变软的界面;先蓝后红线条的组合代表存在一个断裂带。三、应用实例3.1 斗磨隧道进口平导斗磨隧道位于贵州省关岭自治县境内，地处云贵高原构造剥蚀中低山区，区内地形波状起伏，隧址区内最高点位于隧道轴线南侧的山顶，海拔高程2454.3m；最低点位于隧道出口南侧的河谷中，海拔高程1142,相对高差1312.4m。隧道穿越区域以碳酸盐、含煤地层分布为主要特征，具有剥蚀溶蚀槽谷地貌特点。地表分布有大多裸露，溶槽、溶蚀地貌景观。隧址区基岩大多裸露，隧

8、道进出口及缓坡地带分布有少量覆土，隧道区地表水以山间沟水为主，水量较小，雨季时沟内水量明显增加。地下水类型主要为第四系松散土层空隙水、基岩裂隙水、岩溶水。不良地质现象主要为岩溶及岩溶水、煤层瓦斯及采空区、危岩落石等，特殊岩土为石膏，斗磨隧道因高含量的瓦斯层，被列为沪昆全线的一级风险隧道,是铁道部重点工程。本次预报斗磨隧道进口平导D1K841+495掌子面前方15On1的地质情况。3.1.1 TST数据处理结果及地质解释通过TST数据处理中地震数据导入、坏道剔出、带通滤波、干扰信号消除、观测坐标编辑、二维方向滤波等步骤，经全局扫描和分段扫描，得到预报地段围岩的速度分布，见图3所示。斗磨进口平导D

9、1K841*49533OO-j:r.:rr,r-:r-3200-4-J-31OO-T-J.-J-.U.3000-4HJ.J.JJ.3.2900-:：-Jr；.:2800-4J-1-1-11-2700I1111111111111111111111DIK841/423.0D1K841*463.0DIK841*503.0DIK841*543.0D1K841*583.0DIK841/623.0图3斗磨隧道进口平导速度曲线使用前方回波地震数据和分析得到的速度分布，进行深度偏移成像，得到如图4所常解D啼湍黑3.0D1K8415030D1K841*543.0D1K841583.0D1K841623.0示的T

10、ST构造深度偏移成像，它反映了掌子面前方的地质构造特征。E-2.59525481790.304056H4.736799.51414斗磨进口平导D1K8412951.93513196701096922注：图中黑色小框为检波器孔和爆破孔布置点图4斗磨隧道进口平导地质构造偏移成像利用图3、图4并结合地质资料分析得出斗磨隧道进口平导D1K841+495掌子面前方150m内地质情况，可划分为3段(如表1)：在D1K841+495-D1K841+526段附近围岩稳定性和完整性较差，裂隙较发育，岩体较破碎，分析存在溶洞或破碎带；在D1K841+526D1K841+603段围岩稳定性和完整性较好，裂隙稍发育；

11、在D1K841+603D1K841+645段附近围岩稳定性和完整性较差，裂隙较发育，岩体较破碎，分析存在断层或软弱夹层。表1斗磨隧道进口平导TST地质超前预报结果里程长度(m)波速(VP)km/s探测结果推断D1K841+495D1K841+526312.9该段围岩在构造偏移图上呈现红蓝组合，围岩稳定性和完整性较差，裂隙较发育，岩体较破碎，分析存在溶洞或破碎带。围岩为IV级。D1K841+526D1K841+603773.1围岩稳定性和完整性较好，裂隙梢发育。围岩为HI级。D1K841+603D1K841+645422.9该段围岩在构造偏移图上呈现红蓝组合，围岩稳定性和完整性较差，裂隙较发育，

12、岩体较破碎，分析存在断层或软弱夹层。围岩为IV级。根据以上预报结果，建议在施工的过程中，对围岩稳定性和完整性较差差的地段，应加强支护。建议在D1K841+495D1K841+526D1K841+603D1K841+645段采用地质雷达、红外探水仪或加深炮眼方法对掌子面前方地质灾害体分布和地下水情况进行探测。有必要时，采用多功能钻机进行超前钻探。3.1.2超前水平钻探测结果与TST结果对比验证根据超前地质预报结果，施工方在掌子面进行了超前水平钻探测，探测结果为：里程D1K841+506-D1K841+517,此处存在较大溶洞，且有粘土、淤泥等填充物；里程D1K841+517-D1K841+538

13、,此处钻杆推进速度忽快忽慢，钻孔处水为黑色，且带煤气味，初步判断此区段可能存在煤层8o通过TST预报结果与超前水平钻探测结果相互对比应证，说明我们所作的建议是合理的,而在DIK841+495D1K841+526段附近围岩稳定性和完整性较差，裂隙较发育，岩体较破碎，分析存在溶洞或破碎带,与超前水平钻探测结果基本符合。3.2大独山隧道1#横洞大独山隧道全长11882m,进口里程DK852+772,出口里程DK864+654,为单洞双线隧道，隧道可能溶岩长度为9063m,占全隧长度的76虬大独山隧道位于地处黔西高原向黔中丘陵过渡地带，属构造剥蚀、溶蚀中低山地貌，总体来看，地势北西高南东低，具构造剥蚀

14、溶蚀地貌特点。大独山隧道洞身断层破碎带发育，区域断层7处，物探解译断层11处，下穿1处暗河（位于隧道拱顶上约43m）,部分段落隧道处于水平循环带内，部分段落处于季节交替带，洞内为人字坡。该隧道地质复杂，为I级风险隧道。3.2.1 TST数据处理结果及地质解释按TST数据处理流程处理后得到大独山隧道1#横洞H1D1K0+808掌子面前方150m内的地质体围岩波速曲线图、偏移图像如图5：大独山隧道1据同H1DIKO+80S图5大独山隧道1#横洞速度曲线使用前方回波地震数据和分析得到的速度分布，进行深度偏移成像，得到如图6所示的TST构造深度偏移成像，它反映了掌子面前方的地质构造特征。E-18511

15、9656571193491.63536346421注：图中黑色小框为检波器孔和爆破孔布置点E-18511965657163536346421图6大独山隧道1#横洞地质构造偏移成像对比图5、图6,结合掌子面开挖情况和地质资料综合分析，得到如下结论：在HIDIKo+8O8H1D1KO+76O附近围岩稳定性和完整性较差，岩溶裂隙较发育，岩体较破碎,有水，在隧道中轴线右侧，疑存在充填型岩溶裂隙；在HID1Ko+760H1D1K0+658段围岩稳定性和完整性好，裂隙稍发育。详见表2表2大独山隧道1#横洞TST地质超前预报结果里程长度(m)波速(VP)km/s探测结果推断H1D1Ko+808H1D1K0+760483.0该段围岩在构造偏移图上呈现红蓝组合，围岩稳定性和完整性较差，岩溶裂隙较发育，岩体较破碎，有水，在隧道中轴线右侧，疑存在充填型岩溶裂隙。围岩为IV级。HIDIKo+760H1