論文關鍵詞：工程物探地震方法反射波隧道管波隧道圍巖探測TGP隧道地質超前預報系統

論文摘要：隧道工程是鐵路、公路和水利水電等大型項目中的重要工程，因地質條件不明造成隧道施工事故的危害是巨大的，加強隧道施工地質超前預報工作是非常必要的。國內外對隧道地震波超前預報技術已研究多年，筆者就這方面的現狀及進行了討論，指出了TSP儀器技術存在的不足，闡述了克服盲目性、提高科學預報的重要性，介紹了新開發的TGP隧道地震波預報系統與技術及應用效果。

隨著我國基本建設規模的擴大，隧道工程已經成為鐵路、公路和水利水電等大型項目中的重要工程。隧道工程的重要性越來越顯著，隧道工程的數量和長度明顯增加，規模不斷擴大。因此隧道工程的安全施工和貫通，是不可回避重要任務和技術難題。危及隧道工程施工的地質病害大致分為三類：1不良工程地質條件，諸如巖體的裂隙發育密集帶、構造破碎帶、巖溶發育帶、以及人工采礦造成的不良地質條件和高地應力造成的危害等；2不良水文地質條件，諸如巖溶水、構造和裂隙水等；3不良環境條件，諸如有毒有害氣體和強放射性的環境。對于以上地質問題，在隧道工程的勘察設計階段，已經投入大量的地質勘察工作，但是由于地質、地形條件的復雜性和相應勘察技術的現狀水平，以及時間、經費等條件的限制，勘察階段的地質資料一般難于達到施工階段的精度要求。國內外因地質條件不明造成隧道施工事故的教訓是不少的，例如：日本越新干線中山隧道涌水淹沒事件；前蘇聯貝加爾—阿穆爾干線上某隧道的突水事件；我國成昆線、大秦線、衡廣復線建設中，因地質問題的停工時間約占到1/3；以及不久前發生的四川某隧道瓦斯爆炸，造成重大事故和人員傷亡。以上隧道施工事故的危害是巨大的，因此強調加強隧道施工地質超前預報工作是非常必要的。

我國隧道地震波超前預報技術的研究起始于上個世紀的90年代，鐵道部第一勘測設計院物探隊提出“負視速度方法”。鐵道部第一勘測設計院是較早研究隧道地震超前預報的單位。他們在1992年7月，利用地震反射波方法對云臺山隧道進行隧道超前預報，預報成果與開挖后的隧道左壁“破碎帶”和“斷層”的位置基本一致。從上個世紀90年代初開始，我國物探技術人員一直沒有停止對隧道地震超前預報技術的研究。曾昭璜（1994）研究利用多波進行反演的“負視速度法”，這種方法利用來自掌子面前方的縱波、橫波、轉換波的反射震相在隧道垂直地震剖面上所產生的負視速度同相軸來反演反射界面的空間位置與產狀。北方交通大學的陳立成等人（1994）從全波震相分析理論和技術的角度研究隧道前方界面多波層析成像問題，進行隧道超前預報。他們的研究成果在頡河隧道、老爺嶺隧道地質預報中應用，取得預期的效果。該方法的工作原理是以地震反射波方法為基礎。工作中他們根據嫻熟的地震反射波技術進行數據采集和數據解釋，當時沒有開發出針對隧道地震預報的處理系統，同時受當時條件所限制，該項技術未能得到進一步深入研究和發展。

1995年左右鐵道部下屬單位引進瑞士“TSP202” 隧道地震波超前預報的儀器，當時曾組織系統內有關地質和物探專家在隧道工點進行了試驗，未見明顯的效果，認為其技術與“負視速度方法”基本一致，對其處理解釋系統爭議較大、認識褒貶不一，試驗工作無果而終，該設備技術的消化工作也就擱置了。時隔7年后，隧道安全施工要求進行地質預報，該儀器設備由鐵路系統的工程局又開始第二次引進，并直接用于隧道施工的預報工作。可以說由于第一次引進消化工作不深入，造成第二次引進后出現：應用工作中的盲目性和簡單化，以及其他一些不正常現象。在宜萬鐵路隧道施工中不斷出現的問題，使人們開始反思，不少論文也提出了存在的問題，鐵道部也下發文件要求科學地進行超前預報。可以說短短幾年的應用實踐，人們仍然在探索著地質預報技術的進步。

隧道地震波超前預報屬于物探技術，但比地面的地震波物探技術復雜，我國的地質物探工作者一直沒有放松該技術的研究工作。北京市水電物探研究所研究地震波勘察檢測技術已經有近20年的歷史，并且是多道瞬態面波勘察技術的發明單位，生產的SWS型工程勘察與工程檢測儀器系統，已經為400多家勘察設計、高等院所廣泛應用，并且出口日本等國家。2003年該所投入人力物力研究隧道地震波預報技術，研究TGP12型隧道地質超前預報儀器，以及孔中高靈敏度三分量檢波設備，方便的孔中耦合技術，和Windows編程的數據處理軟件系統。在經過大量的預報實踐驗證后，于2005年通過了由國家隧道中心王夢恕院士組織的國內著名隧道專家的評審鑒定。該儀器系統推向市場不到2年的時間，已經有近20臺套投入到隧道超前地質預報工作中應用，反饋信息普遍受到用戶的好評。

鐵道部工程設計鑒定中心趙勇主編的《高速鐵路隧道》一書，提出隧道地質超前預報的方法有以下部分組成：①地質分析、②超前平行導坑預報法、③超前水平鉆孔法、④ 物理探測法。并闡述物理探測法與地質分析法、超前平行導坑預報法、超前水平鉆孔法相結合，解決不同地質災害的應用原則。書中介紹了國產TGP隧道地震波預報系統，聲波反射方法，地質雷達方法，紅外探水方法等。

本文就隧道地震波預報技術中的若干關鍵問題，并結合應用中的實際問題闡述如下，目的在于引起同行們討論，促進地震波預報技術理論水平的提高，促進采集數據質量的提高，促進資料的解釋推斷工作向合理化方向發展。

一、隧道地震波方法的預報原理

隧道地震預報工作利用地震反射波原理，在隧道內以排列方式激發的地震波，向三維空間傳播的過程中，遇到聲阻抗界面會產生反射波。聲阻抗是介質傳播彈性波的速度與介質密度的函數，介質的聲阻抗數值為速度與密度的乘積。因此地層中的巖性變化界面、構造破碎帶、巖溶和巖溶發育帶等界面會產生地震反射波，這種反射波被布置在隧道內的檢波器接收，輸入到儀器中進行信號的放大、數字采集和處理，實現地質預報的目的。 由此可以看出，隧道地震波預報技術是通過直接探查聲阻抗變化的界面，經過人工分析實現間接推斷地質病害的方法。

圖（2）不同夾角構造界面的地震波路徑與反射波記錄形態

圖（1）示意與隧道斜交的構造面，其地震波傳播的路徑圖，構造面上的地震波反射點在白色園內。圖（2）示意不同夾角構造面的地震波路徑與反射波記錄形態，與隧道夾角不同的構造面其反射點位置不同，地震波傳播路徑偏離隧道軸線也不同。構造面與隧道正交時地震波傳播路徑與隧道軸線平行，右圖為與隧道正交構造面產生的地震反射波記錄，根據反射波同相軸計算得到界面與檢波點之間巖體的地震波速度，該速度代表隧道圍巖的性質。由非正交條件下地震反射波記錄獲得的速度為地震波傳播路徑巖體的“視速度”，“視速度”值的大小不僅與路徑上巖體的性質有關，而且與界面和隧道的夾角有關。應用地震波預報構造面位置的計算是利用地震波在炮孔段的傳播速度，各構造面之間巖體的速度是綜合界面反射獲得的“估算速度”，不是隧道圍巖的真速度，應用中結合反射點偏離隧道軸線距離的遠近和巖體的各項異性分布綜合考慮使用。

圖（2）是理想模式的三份量地震波時距曲線形態。實際工作中采集的地震波是錯綜復雜的，理想模式的地震波是不常存在的，記錄上普遍存在有來自三維空間中多個方向的反射波，和各種形式的干擾波，這是應用技術中首先考慮的問題。

針對隧道地震波傳播的復雜性，TGP地震預報系統不僅利用地震反射波走時關系，同時采集空間地震波三分量記錄，進行地震波的極化分析與計算，該技術的突破有利于地質構造面產狀、規模和地質體性質的預報。

二、TGP隧道地質超前預報系統

隧道地震波預報的早期研究，是由研究和利用地震波在時間空間域中的運動學特征開始的，工作中認識到僅僅利用地震波運動學和動力學特征是不夠的。隧道工程的地震波在全三維環境條件下傳播，這種條件比地面上的平面半無限空間條件復雜得多，而且隧道內地震波的接收與激發測線與探測目的是近于垂直或者大角度相交的條件，因此影響在地質構造面上獲得大長度大面積的地震波信息量。針對這種狀況，預報工作僅僅利用單一模態的地震波難以勝任。因此，TGP系統強化采集地震波的多波列信息，綜合利用地震波的多波列震相信息，因此TGP系統的功能得到明顯的增強。

TGP隧道地質超前預報系統包括儀器設備和處理軟件兩大部分。其中儀器設備有TGP型儀器主機、接收傳感器、孔中定位安裝工具和電纜等。圖（3）是TGP隧道地質超前預報系統的主機。其處理軟件由地震波數據輸入與編排、空間坐標建立、能量均衡、干擾波分析與去除、觸發時差校正、譜分析、縱橫波分離、巖體速度參數計算、回波提取與偏移圖、有效波分析與衰減參數計算、極化波處理與構造產狀圖、綜合分析與繪制成果圖等模塊組成。

1、TGP12是集信號放大，模數轉換，數據采集、存儲和控制為一體的密封防水防震的物探設備；優于利用微機裝配式結構的儀器，TGP12適合在惡劣的隧道環境中使用。

2、TGP12的三分量速度型檢波器具有高靈敏度，指向性強和較寬的頻帶響應等特點，因而拾取的地震波信號具有高的質量品質。TGP12孔中接收檢波器采用黃油耦合，方便、經濟、快捷。優于在鉆孔中需要錨固異型鋼導管的方式。2米長的鋼導管難于攜帶、運輸，價格昂貴，一次性使用，費事費工費財。

3、TGP12的地震波采集觸發是開路觸發方式，即信號線在雷管引爆炸藥的同時被炸斷，信號線同時開路觸發儀器采集，儀器采集無延時差，保證定位的準確性。超前預報儀器若采用起爆器電脈沖同時觸發電雷管和觸發主機采集的方案，由于電雷管起爆的延時時間難于做到一致，因此會造成儀器采集的走時誤差，這種觸發方式在我國的地震波勘探規程中明確規定不宜使用，更何況隧道巖體的速度比覆蓋層介質的速度高出幾倍以上，以巖體波速4500m/s～ 5500m/s為例計算，每一毫秒誤差會造成2～3m的預報距離誤差，一般瞬發電雷管的延時誤差不止一毫秒，因此由20多次激發的平均線計算隧道巖體速度，和利用存在誤差的時間計算距離，兩次誤差的乘積造成的誤差不容忽視。

4、TGPWIN隧道地震波處理分析軟件借鑒了已有相關軟件的長處，并充分考慮彈性波在三維空間的傳播特點，以及根據TGP儀器采集的數據格式編寫。功能特點如下：

（1）全中文界面，通俗易懂，對地震波信號的處理過程，直觀、方便，具有友好的人機操作界面。

（2）對P波、SH波、和SV波的分離完善合理，這是超前地質預報數據處理的關鍵工作之一。

（3）處理軟件具有相關部分互相檢查的功能，例如點擊偏移歸位成果圖上的反射界面位置，程序會轉到該位置界面的反射波組位置，通過分析反射波組的連續性、反射波的極性和能量，確定偏移成果的可靠性和性質。有助于去偽存真，由此及彼，由表及里，深化認識，使預報結論科學可靠。

（4）TGPWIN處理中有自動處理方式，也有手動處理方式，有深入分析異常可靠程度的追蹤功能，這樣設計既適應非物探專業的普通工程技術人員使用，又適應物探專業人員分析地震波傳播特性，對復雜地質條件進行深入研究工作的需要。

5、TGP12系統只要增加不多的配套附件和軟件模塊，就可以增加儀器用于隧道檢測的其它功能，例如：對已襯砌的隧道進行襯砌脫空檢測，檢查隧道圍巖中隱蔽的病害（巖溶）。也可以在掌子面上用錘擊的激發方式做到短距離更為精確的地質預報，因而它是一機多能的設備。

TGP12的性價比與國外同類儀器相比具有明顯的優勢。而且研發、生產在國內，用戶可以獲得及時周到的技術服務和技術支持，以及儀器維修等方面的方便性。

三、工程應用實例

宜萬鐵路涼風亞隧道的巖性為灰巖， TGP12型儀器與進口TSP203儀器進行了同點試驗，預報成果如下，見圖（4）、圖（5）。

由以上成果圖可以看出：在DK53+322—DK53+346；DK53+370—DK53+380；DK53+390—DK53+420三處存在構造異常，其中DK53+322—DK53+346、DK53+370—DK53+380兩處的Vsh波比Vp波反射幅度大，推斷以上兩處構造帶存在有充水或巖溶發育的可能性、。此結論經過日后的隧道開挖證明完全正確。在隧道施工的《變更設計建議書》中結論：“在隧道左壁的DK53+322段發現巖溶，溶蝕帶寬度為2.5米，溶蝕帶穿過隧道拱頂至右壁的DK53+340米段，并向邊墻外延伸，雨后DK53+322處溶洞有較大水量流出，DK53+339處溶洞有少量滲水。該段圍巖較破碎，節理發育，受溶洞影響，拱頂巖層出現楔體破壞、掉塊”。

TGP12型隧道地質預報系統在云南水富高速公路冷水溪隧道，宜萬鐵路王家嶺隧道、涼風埡隧道，青島海濱高速仰口隧道，重慶地區數條公路隧道，以及武廣客運專線大瑤山隧道等工程使用，獲得滿意的預報效果。