随爆地震超前探测在公路隧道地质预报中的应用.pdf

第 51 卷 2023 年 第 2 期广州建筑 GUANGZHOU ARCHITECTUREVol.51 No.2，2023基金项目基金项目：安徽交通控股集团交通科技攻关项目安徽交通控股集团交通科技攻关项目（JKKJ-2018-31）随爆地震超前探测在公路隧道地质预报中的应用随爆地震超前探测在公路隧道地质预报中的应用袁助（安徽省交通控股集团有限公司，合肥 230088）摘摘要要：随着我国特长公路隧道建设工程不断增多，地质条件趋于复杂，对于隧道掌子面前方地质情况的探测精度提出了更高的要求。本文提出一种随爆地震超前探测方法，正演模拟了隧道开挖过程中常见的不良地质体断层，研究其在随爆条件下波场传播特征。将该方法在芜黄高速公路雾岭头隧道进行工程应用，探测结果与现场情况高度一致，说明该方法的有效性与可行性，可为隧道施工建设提供指导。关键词关键词：随爆；超前探测；公路隧道；地质预报中图分类号中图分类号：TU195文献标识码文献标识码：A文章编号文章编号：1671-2439(2023)01-005-04作者简介作者简介：袁助（1983），男，硕士研究生，高级工程师，主要从事桥隧工程等研究，E-mail:。ApplicationofAdvancedDetectionofBlastingEarthquakeinGeologicalPredictionofHighwayTunnelYUAN Zhu（Anhui Transportation Holding Group Co.,Ltd.,Hefei 230088）Abstract：WiththeincreasingconstructionoflonghighwaytunnelsinChina,thegeologicalconditionstendtobecomplex,andthedetectionaccuracyofthegeologicalconditionsinfrontofthetunnelfaceisrequiredtobehigher.Inthispaper,anadvancedmethodisproposedtosimulatethecommonbad geological faults in the process of tunnel excavation,and to study the wave propagation law under the condition of explosion.The method isapplied in wuling tou tunnel of Wu Huang expressway,and the detection results are highly consistent with the field situation,indicating the validityandfeasibilityofthemethod,whichcanprovideguidancefortunnelconstruction.Keywords:with the explosive;advanced detection;highway tunnel;geological forecast0 引言引言随着我国交通运输基础建设迅速发展，深埋山岭公路隧道施工建设越来越多，复杂的地质条件给特长公路隧道建设带来了巨大挑战1-2。鉴于施工前期地表地质调查具有一定的局限性，无法精细探明断层、破碎带和溶洞等不良地质体的空间位置3-6，威胁施工人员的人身安全并影响施工进度，因而在施工过程中需要不断对隧道前方进行实时探测。当前，针对隧道施工地质预报超前探测，国内外的主要方法有：隧道地震预报（TSP）7-8、隧道地质预测法（TGP）9、隧道反演成像法（TRT）10、隧道地震层析成像（TST）11等等。这些探测方法都可以对掌子面前方 100-200m 范围内具有一定规模的地质构造分布情况进行探查，在隧道超前探测预报中占有重要地位12。近年来，许振浩等利用组合爆破法改进原 TSP 超前地质预报信号触发方式，有效减少地震波信号走时误差13；吴丰收等开展多源地震干涉法在隧道超前探测中数值模拟研究14，汪旭等研究影响多源地震干涉法成像结果因素15。如何获取高能量、高频率地震信号并对其进行处理是亟待解决的问题。本文提出一种随爆地震超前探测方法，即在隧道掌子面掘进过程中，用后方安置的检波器实时接收炸药震源在掌子面前方岩土体中爆炸所产生的高频率、高能量的地震信号。无需再重新设置炸药震源孔，不妨碍进度，且可实时探测。本文使用数据模拟和现场实验的方式验证新方法的有效性。1 随爆地震超前探测原理随爆地震超前探测原理在隧道掌子面爆破过程中，实时接收炸药震源在掌子面前方岩土体中产生的地震波场。隧道掘进中岩土体爆破产生的地震波场有别于常规TSP所采用的小药量震动，体现在药量大、能量高且多次叠加震动。爆破震源的这些震源会对前方反射信号的-29-29-广州建筑GUANGZHOU ARCHITECTURE2023 年 第 2 期提取与地震波场分析造成较大的影响。因此，需改进接收系统，创造提取前方有效反射波的条件。拟采用多道检波器线性排列，爆破震源单次激发，检波器实时接收的采集方式。通过实验接收排列与震源的最佳相对位置并分析接收信号中优势反射波的类型和特征，并做反射波的提取与数据处理。2 隧道超前探测正演模拟隧道超前探测正演模拟2.1 构建模型构建模型基于各向同性介质下的二维一阶速度-应力弹性波波动方程，本文使用交错网格有限差分模拟代码 sofi2D 进行隧道模型弹性波数值模拟。在弹性波波动方程和其所遵循的线性叠加原理的基础上，本文利用模拟的各单炮记录进行线性叠加，获得多震源同时激发条件下的随爆地震记录。并分别设计层状模型和巷道模型来验证正演数值模拟的可行性。首先建立一个三层的倾斜界面的隧道模型，其中第一层和第三层是岩性较为完整，密度较高的高速层，第二层为岩性较差的低速层，参数见表 1。隧道模型如图 1 所示。表表 1 层状隧道模型参层状隧道模型参数数层数左边范围/m右边范围/m纵波速度/ms-1横波速度/ms-1密度(gcm-3)10?1501?130350020202.72150?200130?200240013852.03200?300200?300350020202.7隧道501001502002503000020406080100图图 1 隧道模型一示意图隧道模型一示意图图 1 中正演区域长（x 方向）300 m、宽（z 方向）100 m；左侧隧道长约 45 m、宽 10 m；右侧隧道长 40 m；宽 10 m；红色三角形为震源点，黑色点为检波器点，震源使用主频为 160 Hz 的雷克子波，检波器个数为 8 个，最小偏移距 15 m;道间距2 m。模型一的波场快照如图 2 所示。由图 2 可知，t=20 ms 时，地震波沿着均匀介质球面扩散；t=50 ms 时，地震波波前已过第一个倾斜岩性界面，产生了反射横波和透射横波；t=90 ms时，地震波经过第二个岩性界面，t=140 ms 时，地震横波到达模型边界面。隧道501001502002503000020406080100501001502002503000020406080100501002002503000020406080100501001502002503000020406080100(a)Z分量波场快照(=)t 20ms(c)Z分量波场快照(=)t 90ms(d)Z分量波场快照(=)t 140ms透射纵波反射横波反射横波透射横波隧道界面反射反射纵波透射横波透射纵波隧道界面反射150020 40 60 80 100020 40 60 80 100501001502002503000501001502002503000(b)Z分量波场快照(=)t 50ms020 40 60 80 100020 40 60 80 100501001502002503000501001502002503000图图 2 隧道模型一波场快照隧道模型一波场快照（a）模型一随爆地震记录模型一随爆地震记录(b)模型一单炮地震记录模型一单炮地震记录图图 3 数据记录数据记录与图 3（b）对比，图 3（a）随爆地震记录的直达波能量较强，可以明显识别，界面反射纵波与反射横波可以清晰看到，此外由于各炮能量叠加，图3（a）中的反射横波更加清晰，地震波携带的信息更加丰富。2.2 隧道模型隧道模型建立的隧道模型如图 4 所示，当隧道双向掘进时，常常遇到探测前方存在掘进巷道，已掘隧道形成空腔，我们根据这一特征设计了巷道模型。巷道位于迎头正前方 215 m 处，形状为一个长 45 m，宽10 m 的长方形，内部无填充，速度和密度均为零，其余参数和模型一相同，巷道模型波场快照如图 5所示。隧道501001502002503000020406080100图图 4 隧道层状模型二示意图隧道层状模型二示意图隧道模型波场快照如图 5 所示。t=70 ms 时，地震波前与长方形巷道相交。在 t=140 ms 时，波场快-30-30-袁助：随爆地震超前探测在公路隧道地质预报中的应用照中可以明显看到反射的纵波与横波。图图 5 隧道层状模型二波场快照隧道层状模型二波场快照（a）模型二随爆地震记录模型二随爆地震记录(b)模型二单炮地震记录模型二单炮地震记录图图 6 数据记录数据记录与图 6（b）对比，图 6（a）中反射纵波与反射横波更加清晰，地震波携带的信息更加丰富，较常规探测方法更加直观地凸显隧道前方的地质情况，证明本文所提出的随爆地震超前探测方法适用于巷道模型的探测。3 工程实例工程实例3.1 工程概况工程概况雾岭头特长隧道位于安徽省宣城市境内，为高速公路隧道。隧道地处沿江丘陵平原区、皖南中低山区，地层岩性主要为灰岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、花岗闪长岩等。岩层总体风化强烈，节理裂隙发育，岩体较破碎破碎，围岩级别为级（IV、V级围岩占比 92.6%），地下水为基岩裂隙水，受降水补给，季节性变化较大，地质条件较差。3.2 随爆地震超前探测工作布置随爆地震超前探测工作布置随爆地震超前探测工作布置在公路隧道右线，离掌子面退后 100 m 的隧道左或右帮的位置，按道间距 5 m，均匀布置检波器 8 个，整个地震检波器排列长度为 35 m，钻孔直径 40 mm、深度 1.5 m 水平孔，其工作布置见图 7。（a）（b）图图 7 示意图和现场安装示意图和现场安装（a）随爆地震探测观测系统示意图随爆地震探测观测系统示意图；（b）现场工作照片现场工作照片3.3 数据处理与分析数据处理与分析基于现场采集的原始地震记录如图 8 所示，对原始数据进行了互相关、滤波、速度分析、反射波提取、偏移成像等数据处理工作。图图 8 原始地震剖面原始地震剖面（1）互相关：互相关处理是随爆震源地震信号预处理的核心。基于信号的相似性，利用相关函数可以从几类信号的“混合物”中识别提取出需要的信号，经过互相关处理后的三个分量地震剖面如图 9所示。图图 9 互相关处理地震剖面互相关处理地震剖面（2）数据处理与分析：基于互相关处理的地震数据，进行滤波、速度分析、反射波提取和偏移成像。对于拾取的 X 分量地震数据的直达纵波到时如图 10 中的红线所示，基于坐标和传播路径求取直达波的平均速度并求取均值。同理，可求得其它分量的直达波速度。经过计算，三个分量的直达纵波速度平均值在 3000 m/s 左右。考虑到围岩松动圈的影-31-31-广州建筑GUANGZHOU ARCHITECTURE2023 年 第 2 期响，直达波的平均速度在 3500 m/s-4000 m/s 之间。依据 GB/T 50218-2014 工程岩体分级标准，在里程ZK43+347-ZK43+218 之间围岩等级为 III 级，符合其他工程勘察结果。我们基于反射波时距曲线和速度分析，进行基于速度分析的偏移处理，通过速度分析和偏移处理间的交叉迭代，实现速度分析和偏移处理的最优值求取。图图 10 X 分量直达波速度求取分量直达波速度求取图图 11 X 分量速度分析结果图分量速度分析结果图图图 12 X 分量偏移结果图分量偏移结果图图 11 与图 12 对比结果表明，速度模型和偏移结果均在 X=150 m 处出现变化，该位置为探测时的隧道掘进位置；在 X=250 m 位置出现速度异常和强反射界面，为围岩等级变化；同时，在 X=150-250 m 范围内，速度有变小和微弱反射，可能和围岩风化有关。4 结论结论（1）现场实测实验结果表明，利用随爆地震进行地质预报超前探测具有可行性。实测数据信噪比高，反射波清晰；现场施工方便，不影响正常的爆破作业。（2）数据处理结果表明，随爆地震可以有效探测前方的围岩等级和地质构造变化，能够为隧道安全高效掘进提供地质保障。同时，基于反射波的偏移速度分析，可有效定量预测前方岩体的传播速度，为围岩等级划分提供数据支撑。参考文献参考文献1 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(06):1090-1113.2 刘庭金.下穿隧道施工对高速公路影响的三维数值分析J.广州建筑,2009,37(05):15-17.3 徐磊,张建清,陈爽爽,等.洞内极小偏移距地震法在断层探测中的应用研究J.地球物理学进展,2020(05):2009-2015.4 羿士龙,王小龙,王耀,等.隧道地震超前探测正演与应用研究J.地下空间与工程学报,2017,13(S1):327-331+364.5 钱七虎.地下工程建设安全面临的挑战与对策J.岩石力学与工程学报,2012,31(10):1945-1956.6 赵世文.超前地质预报技术及其在隧道中的应用J.广州建筑,2008(01):32-35.7 张杨,杨君,周黎明,等.TSP 在隧道工程施工中的常见干扰和对岩体裂隙水及软弱夹层等的预报研究J.地球物理学进展,2018,33(02):892-899.8 吕乔森,徐颖,胡志强.提高隧道地震波地质预报(TSP)精度方法研究J.长江科学院院报,2012,29(12):41-45+52.9 刘云祯,梅汝吾.TGP 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