摘 要：隧道施工中經常會遇到各種地質災害，超前地質預報在隧道施工中非常必要，而眾多手段中，TST技術有著明顯的技術優點。本文在介紹TST超前預報技術基本原理及技術特點的基礎上，應用TST技術對頂效II號隧道的地質情況進行了預報，結果表明該方法可以準確解決斷層破碎帶的預報問題。
關鍵詞：超前地質預報;TST技術;濾波;偏移成像;溶蝕;節理破碎帶;
1 前言
地質超前預報的主要目的是預報災害性地質對象，其次是基本地質要素。災害性地質對象包括斷裂構造、含水體、溶洞、含瓦斯構造、巖爆地段等;基本地質要素包括地層巖性、工程類別和力學性狀變化等。隧道施工地質超前預報就是利用一定的技術和手段收集隧道所在巖體的有關資料，并運用相應的理論和規律對這些資料進行分析、研究，從而對施工掌子面前方巖體情況或成災可能性做出預報[1]。超前地質預報方法有很多種，如導坑、鉆探、無損探測方法(如地震和地質雷達)。目前應用的超前預報技術有負視速度法、水平剖面 HSP(Horizontal Section Profile)、TSP203(Tunnel Seismic Predic-tion) [2]、TRT (True Reflection Tomo-graphy)和TST (Tunnel Seismic Tomo-graphy) 等，這些技術都屬反射波地震預報技術 [3]。其中，TST較其它方法具有能獲得不同橫向偏移距資料的特點，更能可靠地確定前方圍巖的速度分布，提高地質體的定位精度，保證偏移圖像位置的真實性。在數據處理技術上，TST采用的偏移成像技術充分地運用了反射地震波的走時、幅值、極性等運動學和動力學信息，圖像直觀，便于構造組合分析，技術更為先進。應用偏移成像技術的前提是必須有掌子面前方圍巖波速的可靠分析，以保證地震資料由時間域到空間域轉換的可靠性。在地震資料的采集上，TST技術從觀測方式和資料處理兩個方面入手，采用了二維方向濾波技術及按其二維方向濾波技術設計的數據采集觀測系統，很好的實現了從復雜的三維波場中有效地識別不同方向的回波，剔除側向回波和面波，解決了三維波場的識別、分離和濾波問題，從而保證了速度分析和掌子面前方偏移成像結果的真實可靠。
2 TST技術的原理及預報方法
TST技術是隧道散射地震CT成像技術的簡稱，其觀測系統是采用空間布置，接收與激發系統布置在隧道兩側圍巖中。地震波由小規模爆破產生，并由地震檢波器接收[4] 。當地震波傳播中遇到巖石強度變化大(如物理特性和巖石類型的變化、斷層帶、破裂區的出現)的波阻抗界面時，部分地震波的能量被散射回來。散射信號的傳播時間與散射界面的距離成正比，因此在準確獲得圍巖波速的情況下，能作為地質體位置的直接測量方法。TST可有效地判別和濾除側面和上下地層的回波，保留掌子面前方回波，并能同時獲得前方圍巖準確的圍巖速度和地質體的位置圖像 [5]。
TST系統硬件主要由信號采集處理系統、信號接收及聯結系統、爆炸裝置等幾部分組成。
TST隧道超前預報技術的觀測布置是根據波速分析和二維視速度濾波的要求設計的，它是一個空間觀測系統。根據圍巖波速分析的需要，應盡量擴大橫向展布，橫向展布應大于規定預報長度的十分之一。實際應用中預報長度為100—200m，橫線展布取為10-20m。為保證有效識別和濾除側面波和面波，縱向排列長度取2-3個波長，檢波器間距為1/4波長。超前預報中地震波長為20-40m，檢波器間距應設計為4-6m，排列長度設計為40-60m，現場容易實現。實際觀測中使用12-24道地震儀，在隧道兩側對稱布置，檢波器埋入深度1.5-2.0m，4-6個爆炸震源，藥量500g-1kg。下圖為典型的觀測布置圖。
TST資料的后處理過程主要包括：地震記錄數據格式轉換、地震記錄選取、地震數據預處理、觀測系統幾何位置編輯、波場方向濾波、圍巖波速分析、地質體偏移成像、綜合地質解釋等工作。
3 TST技術的工程應用實例及結果分析
3.1 預報段工程地質簡況
洞頭上隧道位于赫章縣城北東側，距離縣城約4公里，隧道區處于云貴高原烏蒙山脈北段。屬構造剝蝕、溶蝕型低中山溝谷地貌類型。隧道穿越一山嶺，進口段為陡巖，出口段坡度較陡，地表覆蓋差，隧道區植被不發育，基巖出露，為上下行分離式短隧道，左幅全長303m、右幅全長335m。該隧道為下坡隧道，縱坡為-2.5%。隧道最大埋深約104m。本文工程實例為TST在YK95+282～YK95+132段150m范圍地質預報的應用情況。
工程地質調查結果表明本次預報段隧道埋深32～104m。地表植被不發育，地形坡度較緩，隧道洞身圍巖為中風化灰巖，巖體較完整，巖石較硬，呈鑲嵌結構，溶蝕現象較嚴重，隧道開挖后局部易掉塊和崩塌，若遇巖溶洞穴需及時封閉，以免發生垮塌及冒頂，Kv=0.65，Rc=40MPa，[BQ]=370，為Ⅲ級圍巖。
3.2 TST地質超前預報系統的布置
按照滿足波速分析、方向濾波和減少面波干擾的要求，TST信息觀測采集系統的布置如下：①檢波器12個，布置在兩側壁內，每側6個，間距4.0m，埋深1.8～2.0m;②爆炸震源6個，布置在兩側壁內，每側3個，每側第1個炮孔距最近檢波器4米，其余2個間距24.0 m，埋深1.8～2.0m，炸藥量450g。③成孔采用φ60風鉆成孔，單發毫秒雷管，采用啟爆器控制啟爆。④采用炮泥耦合和封堵。詳見下圖2。
3.3 預報結果及地質解釋
本次預報范圍為YK95+282～YK95+132段150m范圍的地質構造情況。TST的預報結果包含構造偏移圖像和圍巖波速分布圖像兩部分內容。資料處理流程包括以下步驟：地震數據導人、帶通濾波、干擾信號消除、壞道剔出、觀測坐標編輯、二維方向濾波、圍巖波速掃描、地質構造深度偏移成像等。最后的預報結果包括圍巖波速分布和深度偏移圖像兩部分，相互印證，便于綜合地質解釋。
圍巖波速的分布可用于掌子面前方巖體的力學性狀的推斷，巖體波速高表示巖體結構完整致密，彈性模量高;波速低代表巖體破碎;構造偏移圖像表示地質結構的組合圖像和地層性質的變化。從偏移圖像中可以較為清晰地看到斷裂破碎帶的構造、巖性界面的組合關系和地質結構圖像。
對預報結果偏移圖像及圍巖波速分布進行綜合分析，洞頭上隧道出口右線本次預報段(YK95+282～YK82+132)巖體，總體上為中風化灰巖類，巖體完整性較好。局部因存在溶蝕、節理裂隙等發育的情況，巖體破碎。本段建議圍巖級別為III級。其中：YK95+282～YK95+206段范圍內，其中YK95+269～YK95+254段掌子面中部及YK95+220附近掌子面左側發育溶蝕或節理破碎帶的可能性較大，施工中應重點關注; YK95+206～YK95+164段范圍內，巖體完整性較好，無明顯不良地質體特征; YK95+164～YK95+132段范圍內，巖體整體完整性較好，重點關注YK95+150附近不良地質體發育的可能性。
4 結語
TST隧道地震預報技術在國內外率先采用方向濾波技術、波速掃描技術和逆散射偏移成像技術，彌補了以往超前預報技術的缺陷，保證了超前預報的可靠性與準確性，具有預測距離遠，操作簡單，成果豐富等特點。通過本次TST超前地質預報，基本查明了預報區域的地質情況，探明了前方發育溶蝕或節理破碎帶的位置，開挖結果與預報結果基本一致，使施工方能夠及時地預知了解掌子面前方的地質情況，為隧道施工和及時地調整支護參數提供依據，有效地控制了地質事故的發生，提高了施工安全性和施工進度。
參考文獻：
[1] 劉志剛，趙勇.隧道隧洞施工地質技術[M].北京：中國鐵道出版社，2001.
[2] 馮 永，李永鴻等.TSP在隧道超前地質預報的應用研究[J].西北地震學報，2006，12(4)：348～351
[3] 趙永貴，劉浩等.隧道超前預報研究進展[J].地球物理學進展，2003，18(3)：46O～464.
[4] 趙永貴，蔣輝.TSP203超前預報技術的缺陷與TST技術的應用[J].工程地球物理學報，2008，5(3)：266～273
[5] 譙勉江，莫裕科等.TST技術在石棉隧道超前地質預報中的應用[J].工程地球物理學報，2008，4(6)：196～202
