摘要：兴义隧道位于汕头至昆明国家高速公路中段贵州境内。

隧址区内岩溶发育，地质构造复杂，岩体破碎。

TST技术由于速度分析精度和构造定位精度高，空间方向滤波技术避免了虚报误报，因而是岩溶预报的首选。

为避免隧道上下、左右孤立岩溶的漏报问题，采用三维成像技术，扩大横向成像宽度，选取拱顶、隧道轴线、拱底三剖面制成筛状图，实现对隧道附近岩溶的全覆盖，这是国内外超前预报技术中的首次尝试。

1 兴义隧道的工程地质条件

兴义隧道位于汕头至昆明国家高速公路中段贵州境内，处于扬子地台与华南地台的接壤部位，隶属扬子地台西南边界地带，为高原中、低山构造侵蚀-溶蚀型峰丛地貌。

隧道位于贵州板坝（桂黔界）至江底（黔滇界）T18合同段内，隧道采用单洞双车道小近距形式。

右洞起止桩号为： YK90+730～YK92+670，全长1940m，隧道纵坡为2.99%；左洞起讫桩号为：ZK90+750～ZK92+710，全长1960m，隧道纵坡为2.99%。

隧址区分布的地层岩性较复杂，出露地层主要为三叠系下统永宁镇组地层，永宁镇组上段（T1yb）为白云质灰岩、泥灰岩、泥岩互层，分布在隧道进口（K90+740、K90+760）至洞身（K90+988、K90+990）。

下段（T1ya）为白云质灰岩、角砾状灰岩互层。

分布在隧道洞身（K90+988、K90+990）至隧道出口（K92+710、K92+670）。

岩石节理裂隙较发育，岩体较破碎。

地表上覆第四系坡积粘土夹少量角砾。

右线隧道进口附近（K90+740）发现一条大的断裂构造F4断层通过，走向为北西向，该断裂为非全新世活动断裂，对隧道影响不大。

隧址区未见大的地表水系，仅在进口北东方向100米左右、出口南面约70米左右分别见有一小溪沟，主要接受大气降水和岩溶裂隙水及沿河两侧坡地地表径流的补给，水流量受雨季节影响。

地下水位埋深变化较大，受构造、岩性的控制，主要赋存于碳酸盐岩岩溶与裂隙中，主要接受大气降水补给，以泉水形式排泄。

含水性、富水性中等，对混凝土和钢结构无腐蚀性。

图1兴义隧道地质剖面

综上所述，兴义隧道地质条件复杂，岩溶发育，地下水丰富，埋深较浅，岩体破碎，施工中容易引发工程与地质灾害。

因而在施工中开展地质超前预报，探明隧道掌子面前方不利地质条件，尤其是是否存在岩溶，对指导施工，保证工程的安全和质量具有重要意义。

2 隧道超前预报技术发展与问题

隧道地质超前预报可以预测隧道施工中的不良地质问题，对预防地质灾害、保证工程安全具有重要的指导意义，因而在隧道施工和地下采矿工程中普遍采用超前预报技术。

国内外的超前预报技术处于一个不断发展的过程。

超前预报技术的研究始于上世纪80年代末，主要方法是地质预测。

90年代初中国与瑞士几乎同时起步开始物探方法超前预报研究。

瑞士研究开发TSP202技术，中国铁道部开立‘隧道开挖工作面前方不良地质预报’科研课题，开启了我国物探超前预报技术的研究。

课题中同时开展了陆地声纳、负视速度法、HSP水平剖面法和地质雷达的超前预报研究。

90年代中期铁道系统开始从瑞士引进和推广TSP202、203。

高速公路系统效仿铁路也先后引进TSP202、203，有些工程招标文件中甚至特别指定必须使用TSP203投标。

在市场的推动下，不到10年的时间中国先后引进TSP202，成为世界上的最大用户。

美洲超前预报的起步较晚，90年代末才开始。

21世纪初美国NSA公司开发出TRT技术，并开始在欧洲作为咨询工具应用，但是没多久2005年NSA公司被并购，TRT技术的一些功能还未开发完成，开发者就另辟新径离开了TRT技术。

2008年TRT技术以TRT6000的名义开始进入中国【6】，并很快就发现TRT存在很多问题需要改进【7】。

在TSP203风靡全国的时候，2006年国内出现了模仿TSP203技术的TGP206超前预报技术[8]。

这一阶段工程界的主要需求是寻找可用于地质超前预报的方法，对方法原理的科学性与准确性还来不及考虑。

随着TSP203技术的应用，其技术缺陷逐渐暴露，围岩速度分析和位置预报不准确，灾害性事件虚报漏报严重，特别是对含水性的误报造成了多起严重事故，引起了对TSP203技术的质疑。

常旭等对TSP203观测方式的超前预报技术进行数值模拟时发现，于隧道斜交的断层的偏移图像是一个以隧道为对称轴的锥面，垂直于隧道轴向的断层的图像是一个包围掌子面的椭球面[9]。

这一事实表明隧道内小孔径观测的数据，使偏移成像技术处于病态，其表现是方位分辨很差，无法确定反射面的确切方位和位置。

赵永贵在对TSP203超前预报技术进行深入研究后指出[10,11,12,13]，TSP203技术在原理上存在着严重的技术问题，这是产生虚报误报的主要原因。

其一，TSP203假定地震回波仅来至于掌子面前方，对地震记录不加区分就进行超前预报，这一假设与客观物理事实不符。

实际上隧道内观测到的地震波是来自四面八方，对这些回波不加取舍，统统当成前方回波用于超前预报，将侧面和上下界面的反射都预报到前方，这是TSP203产生虚报误报的一个主要原因；其二，TSP203采用的是一字排开的观测方式，从数学原理上这样的观测资料是不能同时确定掌子面前方的围岩波速和反射界面距离两个变量的，只能指定一个求另一个。

如果要同时确定围岩波速和反射界面位置，必须使用具有不同横向偏移距的资料，这是TSP203预报位置不准确的主要原因。

其三，隧道内观测的地震记录的每一分量都是顺向传播的纵波和横向传播的横波的叠加，TSP203简单地将轴向分量取为纵波，横向分量取为横波的做法不符合波场原理，依此纵、横波分离资料预报含水性在原理上是不可靠的，TSP203含水性预报发生的事故与此有关；其四，隧道内小孔径的地震观测资料，使偏移成像存在病态问题，不能确定反射界面的方位，预报的界面都是一个个圆或椭圆形，这是虚报误报的重要原因。

这些技术缺陷不仅存在于TSP203中，在TGP206和TRT6000中也同样存在。

现有超前预报技术成像目标主要是过隧道轴线的平面，而且横线展布较窄，隧道附近的孤立岩溶容易漏报。

如下图所示。

图1 拱顶上方溶洞与地质超前预报平面

针对目前超前预报技术存在的上述技术缺陷，赵永贵提出了系统的解决方法[12]，并开发出TST隧道超前预报技术。

TST采用空间观测方式，同时满足方向滤波和速度扫描对资料的要求；使用F-K空间方向滤波技术选取掌子面回波，对地震回波方向进行约束，避免偏移成像的病态问题；使用不同横向偏移距记录进行速度扫描，确定掌子面前方围岩波速分布；在空间滤波的基础上进行纵横波分离和构造偏移成像，确定地质构造和围岩波速分布，使地质超前预报更科学、更准确、更可靠。

本次预报的隧道座落于岩溶发育区，预报区段为浅埋地段，地表的反射比前方的反射强得多。

如果不对地震资料进行方向滤波，很难消除地表影响和发现局部岩溶形态。

因而本次隧道地质超前预报采用TST超前预报技术。

为避免隧道附近岩溶的漏报问题，采用了三维成像技术，扩大横向成像宽度，选取拱顶、隧道轴线、拱底三剖面制成筛状图，实现对隧道附近岩溶的全覆盖，这是国内外超前预报技术中的首次尝试。

3 TST的观测方式与兴义隧道的观测系统

TST隧道超前预报技术的观测方式是根据波速分析和空间方向滤波的要求设计的，它是一个长40-60m，宽10-20m的空间布置的观测系统。

根据围岩波速分析精度要求，预报距离和观测横向展布的比值应小于10:1。

检波器和炮点沿隧道两侧壁布置。

根据空间方向滤波的要求，为保证有效地识别不同方向的回波，观测系统沿隧道侧壁布置的长度要大于1个波长，检波器的间距应小于1/2波长。

典型的观测布置示意图如图2。

图2 TST掌子面附近观测布置

本次超前预报使用的TST硬件系统主要由地震记录器、信号分离器、拉拔式IC加速度检波器、信号电缆组成。

信号分离器承担检波器直流供电和交直流信号分离的作用，IC检波器是具有内置放大器的压电晶体检波器，传输距离可达250m，采用爆炸震源。

各部装置连接如图3。

图3 TST系统硬件组成与连接

现场采集布置如图4。

①检波器12个，布置在两侧壁内，每侧6个，间距4.0m，埋深1.8～2.0m，靠近掌子面；②爆炸震源6个，布置在两侧壁内，每侧3个，每侧第1个炮孔距最近检波器4米，其余2个间距24 m，埋深1.8～2.0m，炸药量450g，远离掌子面。

③成孔采用φ60风钻成孔。

单发毫秒雷管起爆。

④采用炮泥耦合和封堵。

图4 兴义隧道TST观测系统现场布置

4 TST超前预报的资料处理过程及解释原理

TST超前预报技术的资料处理主要经过下列几个环节，首先是对接收点和激发点的座标进行输入和编辑，接下来是采用F-K空间方向滤波技术滤除侧向和后向回波及面波，提取前方回波；第三是使用具有不同横向偏移距的前方回波进行速度扫描，依据叠加能量最大化原理确定各段围岩的最优波速分布；最后，使用前方回波记录和速度分布进行地质构造的偏移成像。

TST的提供的预报结果包括构造偏移图像和围岩波速分布两部图像，相互印证，便于构造分析和围岩类别划分及综合地质解释[4]。

据此，结合地质资料进行解释和预报。

为避免拱顶和拱底溶洞的漏报，完成了三个不同高度的水平截面成像。

每个剖面成像中包括三项关键技术，包括空间方向滤波、围岩波速分析和约束条件下的构造偏移成像三部分[5]。

现结合兴义隧道实际预报资料，对上述三部分内容作简要说明。

F-K空间方向滤波技术由TST率先引入到隧道地质超前预报领域，其功能是滤除侧向波、直达波、后方回波和面波，提取前方回波。

图5是单炮记录及F-K滤波前后的对比。

在F-K图像中，侧向回波能量分布在图像的中部上三角区，直达波和后向回波分布在右侧下三角区，前方回波分布在左侧三角区，易于区分和滤除。

按TST的观测方式，地震记录滤波前两侧记录直达先到，滤波后直达波和上下、左右的侧向回波都被滤除，记录中仅保留了前方回波，中间道先到。

图5二维FK滤波在兴义隧道中的应用

围岩波速的准确确定影响到地震反射信号由时间到空间的转换。

波速分析需要两个条件，一是地震记录是前方的回波，并且具有不同的横向偏移距。

二是要有可靠的数学方法，能够可靠地判定扫描中波速的优劣。

TST技术中采用叠加能量最大化原理，即当围岩速度真实时，叠加能量取最大值。

速度扫描中叠加能量是随速度变化的，使叠加能量取极值时的速度就是真实速度。

图6中显示的速度为2400m/s时叠加能量为最大。

经全局扫描和分段扫描，得到围岩速度分布，见图7。

图6 掌子面前方围岩波速扫描

图7 兴义隧道K90+880～K90+980段围岩速度分布

使用前方回波和速度分布，进行地质构造的深度偏移，得到如图8的TST构造深度偏移成像。

为避免漏报岩溶，将剖面宽度每侧扩展到20m。

它反映了掌子面前方的地质构造与岩性分布的基本特征。

图8兴义隧道K90+880～K90+980段地质构造偏移成像

波速图像中的横坐标表示预报里程，纵坐标为波速大小。

围岩波速的分布表征了掌子面前方岩体的力学性状的变化，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，裂隙发育；构造偏移图像横坐标为里程，纵坐标为距隧道轴线的水平距离[6，7]。

偏移图像展现地质结构的特征和地层性质的变化。

红色条带表示岩体由软变硬的界面，蓝色条带表示由软变硬的界面，先蓝后红的条带组合表示存在断裂带。

波速图像和构造偏移图像有很好的对应关系，红蓝条带密集的部位为构造发育部位；岩体破碎的部位，波速一定低。

红蓝条带稀少的地段岩体均一完整，波速一定高。

从偏移图像中可以清楚地看到断裂构造、岩性界面的组合关系和地质结构图像。

预报中得到不同位置的3个偏移图像，分别为拱顶、中轴、拱底水平截面，构成三筛状图。

从中可以清楚地的反映了掌子面前方三维地质结构图像。

图10兴义隧道K90+880～K90+980段地质构造3维偏移图

5 兴义隧道超前预报结果

兴义隧道本次的预报距离100m，里程K90+880~K90+980。

根据三维构造偏移图像和波速分布图像，结合地质资料分析，预报区范围内围岩节理裂隙较发育，波速偏低，为强风化-中等风化岩。

区内未发现有规模较大的断层和溶洞，没有较大的地下含水构造。

岩体工程地质条件可分为三段，第一段从K90+880~K90+910，波速2500/s，节理裂隙极发育，为强-中等风化岩；第二段K90+910~K90+940，偏移图像中在+910附近有红色反射界面，波速提高到2700m/s，岩质变硬，节理裂隙发育，为中等风化岩；第三段从K90+940~K90+980，偏移图像中有一系列的浅蓝色反射条带，波速逐渐降低到2300m/s，为强风化岩，岩体破碎，稳定性较差。

预报结果见表1。

表 1 兴义隧道TST地质超前预报结果

6 结论

本次隧道超前预报采用TST技术，进行三维地质成像，基本查明了预报范围内的地质情况，探明了隧道掌子面前方围岩的波速分布和岩溶、节理裂隙及风化岩的分布情况。

预报结果表明前方100m内没有规模较大的断层、溶洞和含水构造。

避免了浅埋隧道地表反射造成的误报，预报的结果与隧道施工开挖的结果基本一致。

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