HSP法在引汉济渭TBM隧道地质预报中的应用

HSP法在引汉济渭TBM隧道地质预报中的应用

卢 松， 李苍松， 吴丰收， 周运金

(中铁西南科学研究院有限公司， 四川 成都 611731)

摘要： 为了解决超前地质预报与TBM快速施工之间的干扰，结合TBM的施工特点，分析地质预报的难点，介绍适用于TBM施工的HSP声波反射法原理和探测方案。该方法创造性地利用刀盘剪切岩石产生的振动信号为震源信号，采取阵列式布极，获取前方地层特征参数，来预报TBM施工前方的地质条件，来达到TBM快速施工的目标。通过HSP在陕西省引汉济渭工程TBM施工段应用案例的解析和实际情况的对比分析，表明HSP声波反射法对不良地质结构面的存在具有较好的正相关响应，是适用于TBM施工时地质预报的高效方法之一。

关键词： 引汉济渭工程； TBM施工； 地质预报； HSP声波反射法

0 引言

隧道掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)至今已有60多年的历史了，其施工技术工作效率高，但也显示出了TBM系统对不良工程地质条件适应性较差的缺点。为确保隧道TBM施工安全，国内外专家学者借鉴隧道钻爆法施工隧道采用的地质超前预报技术，研究并获得一些TBM施工隧道(洞)地质超前预报方法技术，如平导超前预报方法、TSP/TGP探测法、TRT探测法、超前钻探测法、基于渣料和TBM掘进参数的地质编录的预报方法等，但是这些从传统钻爆法借鉴来改良后应用到TBM施工中的超前地质预报的方法往往很难适应TBM快速施工的要求。

针对这一局限性，国内外学者致力于研发适合于TBM施工的超前地质预报技术。目前，国内外专门针对或适用于TBM施工的超前地质预报系统有ISP(原ISIS系统)、BEAM系统[1-2]、激发极化法(山东大学)[3]、HSP系统[4]等。系统间均有各自的特点，也取得了一定的成效。其中，HSP系统为中铁西南科学研究院自主研发，创造性地提出了利用掘进机刀盘刀具切割岩石产生的振动信号作为激发震源的不良地质体预报方法[5]，并先后应用于多个TBM施工隧道地质预报项目，取得了较好的成果，并于2010年被授予一种适合于TBM施工的地质超前预报方法发明专利。

本文创新性地采用TBM施工过程中刀盘刀具切割岩石产生的震动信号作为激发震源，与传统主动激发震源的地震波探测方法相比，其可在TBM掘进过程中进行探测，不影响施工；且对采集的数据进行时域分析、频谱域分析、相关分析、反演成像等处理，获取掌子面前方地层特征参数，实现不良地质体预报，从而指导施工。

1 TBM施工地质预报难点分析

由于TBM掘进机独特的空间结构，其对地质预报探测适应性要求较高，通常造成一些常规探测方法探测成本高昂、探测复杂、探测具有破坏性等问题，其对信号源、探测空间、布极可行性等均有限制，因此限制了这些预报方法的应用[6]。主要表现在：

1)掌子面无法直接布置测线；

2)空间狭小，需钻探测孔地质预报方法(如TSP、TGP等)，操作不便、且费时；

3)如采用炸药震源激发的预报方法，应采用特殊处理，费时，且存在安全风险；

4)如选择在TBM后方进行探测，探测距离与精度无法保证；

5)预报方法应布极简单、影响施工时间短等;

6)TBM在遭遇不良地质体时常常耗费大量时间进行处理，对较大不良地质体探查精度要求较高；

7)TBM掘进速度较快，短距离预报法无法较好地指导TBM掘进，实现预期效果。

因此，在选择TBM施工超前地质预报探测方法时，应充分考虑其适应性，选择高效且适应的探测方法，必将事半功倍。

2 HSP水平声波探测技术

HSP声波反射法是中铁西南院自主研发的地质超前预报技术。声波反射法探测和地震波探测原理相同，其原理是建立在弹性波理论的基础上，传播过程遵循惠更斯-菲涅尔原理和费马原理。采用声波法探测不良地质(带)的物理前提是： 声波在岩土体中的传播速度及幅度等参数和岩土体的组成成分、密度、弹性模量及岩体的结构状态等有关，不良地质体(带)如断层、风化破碎带、岩溶洞穴、地下水富集带等与周边地质体存在明显的声学特性差异[7-8]。

2.1 适于TBM施工的HSP探测技术

根据TBM施工隧道的特点，提出利用TBM掘进时刀盘刀具切割岩石所产生的声波信号作为HSP声波反射法预报激发信号的设想。TBM掘进时，刀盘及刀具切割或破碎岩石所激发的声波信号，其频带较宽，一般为10～2 000 Hz，利用HSP声波反射法测试系统对声波信号进行接收，采用必要的、合适的滤波及信号提取技术进行处理，识别出TBM刀盘前方不良地质体的反射波信号，从而达到对TBM施工掘进前方不良地质体预报的目的。

采用空间阵列式测试布置方法，即在TBM刀头(或机身)布置一个机械震动信号接收检波器，在两侧壁围岩各布置1排声波接收检波器，见图1。测试时，机械震动信号接收检波器接收TBM掘进过程中机械震动噪声，2排声波接收检波器同时接收TBM掘进产生的震动信号，每次累计接收5～15 min震动信号，用以数据处理。图2为HSP探测流程图。数据处理基础主要采用的是多源地震干涉技术[9-11]，数据处理流程如下。

图1 HSP探测布极示意图

Fig. 1 Sketch diagram of pole arrangement of HSP detection

图2 HSP探测流程图

Fig. 2 Working flowchart of HSP detection

1)时域分析。刀具剪切岩体时，会产生不同震幅、相位的子波，这些子波有固定的排列顺序，被不同空间位置检波器接收，根据子波序列时间差进行计算基准纵波速度(多组数据取平均值)，用作时深转换。

2)频谱分析。同时对机械震动和围岩震动信号进行频谱分析(一维、二维)和滤波处理，提取有效信号，具体处理步骤为： 通过分析傅立叶变换后的机械震动和围岩震动信号频谱特征，如主频范围、相位特征、F-K域分布特征等，进行差异滤波，最大程度上获取有效信号。

3)相关分析。通道间在同一时间接收的信号中子波序列具有相同的排序特征，对其进行相关干涉处理，获取虚拟震源道和反射特征曲线。

4)反演成像。采用能量叠加最大化原理，对特征波形曲线进行反射与散射联合反演成像[12-13]，获取全空间地层反射能量成果图。

5)成果解译。结合基础地质资料、特征数据库和反射特征进行地质解译，指导TBM施工。

2.2 适于TBM施工HSP系统

TBM掘进具有独特的空间结构及环境特点，如空间小及机械振动大、干扰源丰富、湿热变化大、环境恶劣等，给HSP地质预报仪的稳定性、采集信号的真实性等方面造成较大的挑战。HSP地质预报系统的布设、硬软件系统，均应适应于TBM施工环境。在前人研究基础上，目前HSP地质预报系统实现了震动信号多通道无线传输、提升了动态掘进过程中仪器设备抗干扰能力及宽频带弯扭式检波器，并开发了针对TBM环境噪声滤除、有用信号提取、反射成像等技术模块的软件。

图3为HSP主机及无线收发模块，采用一体机设计，仪器集主控装置、A/D转换模块、数显屏幕、滤波电路、供电电路、过电保护电路等于一体； A/D转换精度24 bit；8/16/24通道，可根据实际测量需求配置；仪器操作实现智能化，抗干扰能力强、防震、防潮。采集软件由主控屏显示，为电阻式触摸屏。可通过人机互动模式设置采样速率、通道记录长度、量程等参数，其中采样速率设置范围为1×10-7 ～1 s，记录长度为1～32 K，量程为0.001～10 V；并且采集软件含环境噪声调查、自动道间均衡、自动道内均衡、手动增益、信号叠加及自动保存等功能。HSP地质预报仪采集界面见图4。

图3 无线HSP地质超前预报仪

Fig. 3 Wireless HSP advance geological prediction device

图4 HSP地质预报仪采集界面

Fig. 4 Data collection interface of HSP geological prediction device

经数据反演处理后，获取的地层特征数据为空间三维数据，其中图5为反演成果展示界面-XOY面切片，可获取3个不同角度切片成果图，获取地层全空间特征信息，用以指导施工，具有重要的意义。

图5 反演成果界面-XOY面切片

Fig. 5 Inversion results interface -XOY slice

3 实例应用

3.1 工程地质概况

引汉济渭工程是针对关中地区缺水问题提出的省内南水北调工程的骨干调水线路，采用钻爆法+2台TBM法施工，工期为6.5年。

主洞工程区在大地构造单元上属于秦岭褶皱系。研究区域沉积巨厚，岩浆活动频繁，变质作用复杂，褶皱、断裂发育，具有由边缘向中心对称迁移的特点，北接中朝准地台(Ⅰ)，南邻扬子准地台(Ⅲ)。主洞工程横穿秦岭褶皱系中的南秦岭印支褶皱带(Ⅱ4)和礼县—柞水华力西褶皱带(Ⅱ3)2个二级构造单元。区域大地构造分区见图6。

3.2 数据处理及解释

针对引汉济渭TBM施工段，选2个探测实例。实例1： 探测里程K55+957～+882；实例2： 探测里程K29+570～+660，采用HSP地质预报仪8道接收(其中2道为掘进机自身震动噪声信号监测)。实例1现场具体布设情况如下。

1)右侧布设2个检波器，距TBM盾尾面5.2 m和7.5 m，3点方位；左侧布设4个检波器，距TBM盾尾面 4.1、6.2、8.5、11 m，9点方位；在盾尾面轴承上布设2个噪声检波器。

2)采集参数为: 62.5 μs采样间隔、2 048采集点数、采用弯扭式压电检波器。

3)共采集98次，获取588条地层震动波形信号及196条机械震动信号。单次地层震动波形图如图7所示。

对采集的原始波形数据进行相应的处理及反演，最终获取空间三维地层特征参数，实例1反演分析成果如图8所示，实例2反演分析成果如图9所示。获取探测成果结论见表1。

图6 区域大地构造分区图

Fig. 6 Regional tectonic zoning map

图7 单次地层震动波形图

Fig. 7 Single stratum seismic waveform

图8 K55+957～+882反演分析成果图(XOY面切片Z方向0 m)

Fig. 8 Inversion analytical results of K55+957～+882(XOY slice, Z direction, 0 m)

图9 K29+570～+660反演分析成果图(XOY面切片Z方向0 m)

Fig. 9 Inversion analytical results K29+570～+660(XOY slice, Z direction, 0 m)

表1 HSP分析成果表

Table 1 HSP analytical results

实例测试范围长度/m物探分析地质解释1K55+957～+91938 未见明显反射异常 该段围岩较破碎—较完整,局部节理裂隙较发育,主要呈块状结构及薄层状结构K55+919～+88237 存在较强反射能量团,反射能量团交替出现,且时域波型存在反向相位差,分析认为地层存在波阻抗差异 该段围岩受构造影响,节理裂隙发育,岩体较破碎—破碎,主要呈块状结构及碎裂状结构,结构面结合较差,局部有裂隙破碎带及长大不利结构面发育,岩体易沿结构面掉块、坍塌,围岩完整性和稳定性差,地下水较发育2K29+570～+61040 局部区域存在反射能量团 该段围岩较完整,局部节理裂隙发育K29+610～+66050 未见明显反射异常 该段围岩较完整,未见明显异常

实例1： K55+919～+882段内存在较强反射能量团，反射能量团交替出现，且时域波型存在反向相位差，分析认为地层存在阻抗差异。

实例2： K29+570～+660段内存在局部反射能量团，分析认为地层局部存在阻抗差异。

3.3 开挖验证

实例1： K55+920～+880段围岩较破碎—破碎，节理裂隙发育，受构造影响，有不利结构面和破碎带发育，结构面结合差，局部岩屑、方解石脉充填，围岩完整性和稳定性差，地下水呈线状发育，呈淋水状。

实例2： 围岩较完整，地下水弱发育，K29+591～+612段局部节理裂隙发育，预报结果与实际围岩揭露情况符合性较好。

4 结论与讨论

本文采用HSP探测技术实现了测试与TBM施工的紧密配合，首次提出TBM刀盘刀具掘进剪切岩体产生的震动信号作为震源激发信号，获取TBM前方三维空间内陆层特征参数。该探测方法对不良地质结构面的存在具有较好的正相关响应，进而分析不良地质体分布情况。其在实际应用中，取得了良好的应用效果，与实际围岩揭露情况对应较好，是适合TBM施工地质预报的高效方法之一，且对TBM施工地质预报技术的发展有一定的推助作用，具有重要意义。

目前，因各项地质预报技术均按期次进行预报，探测一定范围内的地质情况，而无法较好地实现与TBM设备融为一体，实现TBM掘进的实时地质探测，这成为TBM施工地质预报技术的迫切需解决的问题之一。

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Application of HSP (Horizontal Sonic Profiling) Sound Wave Reflection Method to Geological Prediction of TBM Tunnel of Hanjiang River-Weihe River Water Diversion Project

LU Song, LI Cangsong, WU Fengshou, ZHOU Yunjin

(China Railway Southwest Research Institute Co., Ltd., Chengdu 611731, Sichuan, China)

Abstract： During the construction of TBM, advanced geological prediction and TBM rapid construction often affects each other. As a result, the difficulties of geological prediction are analyzed; and then the working principle and method of HSP sound wave reflection method applied to TBM construction are introduced based on the characteristics of TBM construction. The vibration of rock induced by TBM cutterhead is regarded as vibration source signal; and then the array typed pole arrangement method is used to collect characteristics of the ground ahead. The comparison between analytical results and actual application of HSP sound wave reflection method applized to geological prediction of TBM tunnel of Hanjiang River-Weihe River Water Diversion Project shows that the HSP sound wave reflection method is feasible and highly-efficient in geological prediction of bad geological conditions.

Keywords： Hanjiang River-Weihe River Water Diversion Project; TBM construction; geological prediction; HSP sound wave reflection method

收稿日期：2016-08-26；

修回日期：2016-10-24

基金项目：科学技术部项目(20142EG123034)； 中国铁路总公司重大课题(2016G004-A)

第一作者简介：卢松(1985—)，男，江西武宁人，2010年毕业于中国地质大学(武汉)，地球物理工程专业，硕士，高级工程师，主要从事工程地球物理及隧道超前地质预报技术工作。E-mail: [e-mail]。

DOI：10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.017

中图分类号： U 45

文献标志码： A

文章编号： 1672-741X(2017)02-0236-06