隧道施工不良地質(zhì)三維地震波超前探測方法及其工程應(yīng)用.pdf

1、隧道工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，在帶來眾多機(jī)遇的同時(shí)，也給施工帶來了諸多挑戰(zhàn)。隧道施工中經(jīng)常會(huì)遇到多種復(fù)雜的地質(zhì)條件和不良地質(zhì)，極易誘發(fā)突水突泥、塌方、TBM(Tunnel Boring Machine)卡機(jī)等嚴(yán)重災(zāi)害和事故，常常會(huì)導(dǎo)致施工工期延誤、TBM損毀、嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失乃至重大人員傷亡。因此，提前探明工作面前方存在的斷層破碎帶、含水溶洞等不良地質(zhì)，對于保證隧道工程建設(shè)安全和災(zāi)害預(yù)防與控制極為重要。
　　地震波超前探測方法以其較遠(yuǎn)的探

2、測距離與較好的界面識(shí)別效果，成為隧道超前探測中最常用的地球物理方法，但由于隧道環(huán)境十分復(fù)雜，現(xiàn)有隧道地震波超前探測方法仍存在許多問題:①對隧道環(huán)境下地震波傳播特性的認(rèn)識(shí)不夠清楚，缺少針對典型不良地質(zhì)三維地震波場響應(yīng)特征的系統(tǒng)研究;②現(xiàn)有地震波超前探測方法多采用直線類觀測方式，無法準(zhǔn)確獲得前方巖體地震波波速分布，導(dǎo)致前方不良地質(zhì)體的定位效果和識(shí)別效果難以保證;③三維空間類觀測方式有利于獲得更加準(zhǔn)確的波速估計(jì)，但是隧道環(huán)境下空間類觀測方式的

3、布置形式研究不夠深入，尚缺乏適用于三維空間類觀測方式的合理的數(shù)據(jù)處理與成像方法。針對上述問題，本文以三維空間觀測模式、有效的成像方法、三維地震波場響應(yīng)特征等為切入點(diǎn)開展了系統(tǒng)的研究，研究并提出了隧道環(huán)境下地震波超前探測的三維空間觀測方式及其數(shù)據(jù)處理與成像方法，通過系統(tǒng)的正演模擬與成像試驗(yàn)，揭示了典型不良地質(zhì)體的地震波探測響應(yīng)規(guī)律與成像特征。同時(shí)針對單一超前探測方法多解性的問題，提出了基于三維地震先驗(yàn)約束信息的隧道不良地質(zhì)綜合超前探測方法

4、。最終形成了基于三維空間觀測方式的隧道地震波超前探測的成套方法及綜合預(yù)報(bào)與聯(lián)合解釋方法，在三維波場分離、三維速度分析及成像、多解性壓制等方面有顯著改進(jìn)，并將其技術(shù)成果在現(xiàn)場探測工作中進(jìn)行了應(yīng)用并取得了成功。
　　本文的主要研究工作及成果如下:
　　(1)針對常用的直線類觀測方式無法獲得前方圍巖較準(zhǔn)確地震波波速的問題，提出了一種具有三向偏移距的隧道地震波超前探測三維空間觀測方式。同時(shí)考慮波場分離的要求，設(shè)計(jì)了三維地震空間觀測方

5、式的道間距、偏移距、最大炮檢距等參數(shù)。該觀測方式具有隧道軸向、垂向以及水平三個(gè)方向上的偏移距。通過理論分析和數(shù)值正演發(fā)現(xiàn)，該觀測方式最大限度的利用了隧道空腔有限的觀測空間，有利于獲得可靠的速度分布結(jié)果，提高異常體的定位精度，在一定程度上改善了與隧道軸向小角度相交異常體探測效果。
　　(2)針對具有三向偏移距的三維空間新型觀測模式，研究并提出了隧道三維地震波超前探測的數(shù)據(jù)處理與成像方法，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成像處理程序。針對地震

6、記錄的時(shí)變頻率分布特性，采用時(shí)變?yōu)V波的方法有效的濾除雜波，提高探測的分辨率。針對部分干擾波與有效波頻譜成分接近，采用F-K與τ-p聯(lián)合濾波的方法，實(shí)現(xiàn)了隧道復(fù)雜波場反射波提取與干擾波的濾除。采用了基于繞射疊加的速度掃描分析方法實(shí)現(xiàn)了具有三向偏移距的三維空間新型觀測模式下隧道地震波超前探測三維速度分析，在此基礎(chǔ)上，基于惠更斯原理利用幾何地震學(xué)原理及波運(yùn)動(dòng)學(xué)特性實(shí)現(xiàn)了基于等旅行時(shí)的隧道地震波偏移成像方法。
　　(3)通過系統(tǒng)的正演模擬

7、與成像試驗(yàn)，揭示了巖性分界面、斷層、溶洞等典型不良地質(zhì)的三維地震波場響應(yīng)規(guī)律與成像特征。研究了不同角度巖性分界面、不同厚度斷層以及不同直徑溶洞的三維地震波場傳播及響應(yīng)特征，并采用本文提出的隧道三維地震波超前探測成像方法與程序進(jìn)行處理，得到典型不良地質(zhì)體的成像特征，從而為隧道三維地震波探測現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理以及解釋提供理論基礎(chǔ)。
　　(4)針對傳統(tǒng)綜合超前預(yù)報(bào)中每種方法本身多解性和可靠性未有改善的問題，以約束反演和聯(lián)合解釋為核心，提出了基

8、于三維地震先驗(yàn)約束信息的隧道不良地質(zhì)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。將地震波探測方法獲得的巖體構(gòu)造邊界和形態(tài)作為空間結(jié)構(gòu)約束，并將其施加到三維電阻率反演中，在結(jié)合不等式約束的基礎(chǔ)上，提出了基于不等式與結(jié)構(gòu)約束的三維電阻率約束反演方法。同時(shí)從彈性差異、導(dǎo)電性差異、介電差異等方面總結(jié)了不同探測方法對不良地質(zhì)構(gòu)造的響應(yīng)特征，進(jìn)而提出了含水體的聯(lián)合解釋準(zhǔn)則。在約束反演和聯(lián)合解釋的基礎(chǔ)上，建立了基于三維地震先驗(yàn)約束信息的隧道不良地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)探測方法和體系。