在隧道施（shī）工中，塌方易造成工（gōng）期延誤、人生傷害和財產損失，是隧（suì）道運（yùn）營（yíng）的一個重要安全隱患隧道埋深越小，越容易發生塌方，圍（wéi）岩強度越低，塌方程度（dù）越嚴重,所以隧道V型淺埋段（duàn）的超前預報工作（zuò）顯得尤（yóu）為重要（yào）.然而該工作一直以來是一個難題，因為深埋隧道中主要考慮的是岩性變化、斷層（céng）構造、水、岩溶等危險地質問題，而隧（suì）道淺埋段除上述問題之外，還要考慮覆蓋層邊界、鬆散程度等問題.

在隧道淺埋（mái）段預報中（zhōng），首先需了解隧（suì）道圍岩、地形、地貌等重要（yào）地質信息.在應用過程中，我們往（wǎng）往將（jiāng）縱、橫波速度作為圍岩工程性質判定（dìng）的唯一標（biāo）準（zhǔn），認為預報波速越（yuè）高，掌子麵前方圍岩工程性質越好，反之則越差.大部分人甚至直接將預報結論中的縱、橫波速度直接套用各（gè）種規（guī）範來劃分圍岩等級，忽略了掌子麵（miàn）岩性、洞（dòng）外地形（xíng）、地貌等重要地質信息，忽視了TSP其他參數的意義，導致預報準確率不高.

本文主要介紹在拉（lā）日鐵路某隧道V型淺埋段TSP超前地（dì）質預報（bào）的應用，通過綜合分析後得出較為準確的預報結（jié）論，為（wéi）隧道開挖工作提供了重要的參（cān）考依據.

1 隧道V型淺埋段地質及彈性波特征

在實際（jì）地（dì）下介質中，震源激發的地震波入射到介質中主要以散射、繞射和反射等形式傳播;散射波的傳播（bō）符合惠更斯原理，反射波、繞射波（bō）、回轉波等都是散射波的特例.而在Tsp超前預報中我們重點研究的是反射波，反射波是由緩（huǎn）傾角，大尺寸非均勻性引起的走時和振幅變化，是散射波（bō）在定（dìng）向排列的幹涉疊加結（jié）果

.當地震波在同一地層中傳播時（shí），其能量損失主要是由於波前擴散和吸收造成，岩石中彈性波能量衰減值隨著壓（yā）力的增（zēng）大而減小，隨著（zhe）飽（bǎo）和度的增大而增大，隨著岩石（shí）的致密程度的增加而減小.由於覆（fù）蓋層較鬆散、且埋深較小，所以其對波的吸收遠大於基（jī）岩.

當地（dì）震波通過地下不同地層界麵時，一（yī）部分發生反射，另一部分發生透射，根據能量守（shǒu）恒定律，入射波總能量等於反射波能（néng）量和透射波能（néng）量之和，兩個（gè）地層之（zhī）間波阻（zǔ）抗差（chà）值越大（dà），則界麵發生（shēng）反射波能量越（yuè）強.由此可知（zhī）在基岩（yán）與覆蓋（gài）層接（jiē）觸麵和地表與空氣接觸麵二者之間，前者反射能量強度小於後者.

根據隧道（dào）洞身和V型淺埋段地質特征關係，將其簡單分為如下三種類型：

A類：覆蓋層較薄，隧道通身在基岩中，如圖1；

B類：覆（fù）蓋層較厚，隧道某段洞身（shēn）部分在覆蓋層中，如圖 2；

C類：覆蓋層較厚（hòu），隧道某段洞身通身在覆蓋層中，如圖 3.

下麵分別（bié）討論以上三種V型淺埋段模型下TSP激發的地震波（bō）能（néng）量的衰減（jiǎn），以及反射、吸（xī）收等方麵（miàn）的彈（dàn）性波特征.

1.1 A類隧（suì）道V型淺埋段

從圖 1可以看出，淺（qiǎn）埋（mái）段覆蓋層較薄，隧道通身在基岩中通（tōng）過.該情況下，地（dì）震波能量衰（shuāi）減主要是基岩地層（céng）的吸收造成，由於覆蓋層較薄，地震波穿過時能量損失相對較小；相對於基岩麵和覆蓋層分界麵來說地表（biǎo）與空氣界麵（miàn）的波阻抗差值更大，所以反射能量最強的界麵應該是地表和空氣的（de）界麵，該界麵以負反射為主.

1.2 B類隧道V型淺埋段

從圖 2可以看出，覆蓋層（céng）較厚，隧道某段洞（dòng）身部分在覆蓋層中.該情況下，地震（zhèn）波傳播到強反射（shè）界麵1時部分發生反射，部分透射到（dào）覆蓋層中，由於覆蓋層較厚且較鬆散，對透射（shè）波的吸收強烈，所以圖中強反射界麵1的反射波能量強（qiáng）於反射界麵2及地表界麵.

1.3 C類隧道V型淺埋段

從圖（tú） 3可以（yǐ）看出，覆蓋層較厚，隧道某段洞身通身在覆蓋層中（zhōng）.在該情況下，地震波傳播到強反射界麵1時一部分發生反射，另一部分透射到覆蓋（gài）層中（zhōng），透射波在隧（suì）道洞身及下方覆（fù）蓋層中傳播的距離（lí）要小於（yú）其（qí）在隧道上方覆蓋層中傳播距離，因此強反射界麵（miàn）2在隧道上方的（de）部分能（néng）量較弱；但是由於（yú）地震波到達（dá）強反射界麵2須通過覆蓋層，所（suǒ）以圖中強反射界麵1的反射波能量（liàng）強於反射界麵2.

2 工程實例（lì）2.1 工程概況

拉日鐵路某隧（suì）道全長710 m，最大埋深162 m，淺埋段最（zuì）小（xiǎo）埋深37 m，洞身通過（guò）地層主（zhǔ）要為第四係風（fēng）積細砂(稍（shāo）濕-潮濕，鬆散，Ⅱ級普通（tōng）土（tǔ），Ⅵ級圍岩（yán）)、粗角礫土(潮濕，稍密，Ⅲ級硬土，Ⅵ級圍岩（yán）)、塊（kuài）石土(飽（bǎo）和，中（zhōng）密，Ⅳ級軟石，Ⅴ級（jí）圍岩)、燕山（shān）期閃長岩(岩體節理發育，強風化層，Ⅳ級軟石，Ⅳ～Ⅴ級圍岩、弱風化層，Ⅵ級堅石，Ⅲ～Ⅳ級（jí）圍岩).進、出口端山體頂部及坡麵發育（yù）危岩、落石、風積沙，出（chū）口端較為嚴重.

TSP超前預報係統布置段：接收器位置(DK16+202)埋深為77 m，掌子麵位置(DK16+260)埋深（shēn）為49 m，從DK16+202向DK16+260埋深逐步減（jiǎn）小；該段地表（biǎo）為風積砂，基岩為閃長岩，節理較發育，岩（yán）體較完整.在DK16+258位置隧道拱（gǒng）頂發生塌方，塌方體以風積砂夾塊石為主(如圖 4).

掌子麵前方為V型淺埋段（duàn）位（wèi）置，埋深先減小，後增大，從DK16+260到DK16+290埋（mái）深由（yóu）49 m減小到37 m，從DK16+290到DK16+330埋深（shēn）由37 m逐漸增大到48 m.具體地形及設計（jì）地質情況見圖 5.

2.2 TSP數（shù）據處理

將采（cǎi）集得到的TSP數據通過TSPwin PLUS的反演（yǎn），具體反演流（liú）程如圖 6.

在上述處理過程中，通過對（duì）帶通濾波（bō）、直達波速度、Vp/Vs值、Q因子等（děng）參數的多次修改反演後得出了解釋性較好的結果.最後對該結果進行能量（liàng）篩選，保（bǎo）留能量較強的主要反射界麵後得出了最終TSP超前地質預報成果圖，下麵對該成果圖進行詳細的分（fèn）析與解釋.

2.3 TSP成果分析2.3.1 定性分析

對TSP預報成果進（jìn）行能量（liàng）篩選（xuǎn），保留能量≥0.001的反射界麵，得到如下圖 7結果.

該成果（guǒ）圖中顯示反射能量主要集中在圖 7中（zhōng）強能（néng）量反（fǎn）射界麵1～3位置.其中能量最強的是（shì）強反（fǎn）射界麵1，裏程為DK16+258；次（cì）之為強反射界麵2，裏程為（wéi）DK16+273；能量較弱的是強反射界麵3，裏程為DK16+308； 除了以上3處外，在隧道洞（dòng）身及下方未發現（xiàn）其他（tā）強（qiáng）能量反射界麵.強（qiáng）能量（liàng）反射界麵1位置：反射界麵密集，以負反射為主，且（qiě）北傾，推斷該界麵為基岩（yán）與覆蓋層的分界麵(該位置已出現塌方，圖（tú） 4可以看到基岩與覆蓋（gài）層的界麵)，是V型穀的前（qián）邊界（jiè）；強能（néng）量反射界麵2位置：反射界麵較多，以正反射為主，南傾，規模及長度較小，推斷該界麵為覆蓋（gài）層與（yǔ）基岩（yán）的分界麵；強能量反射界麵3位置：反射界麵少，以正反（fǎn）射為主，北傾，推斷該界麵為覆蓋層與基（jī）岩的分界麵（miàn），雖然是北傾，但是以正反（fǎn）射為主，所以推斷是V型穀的後邊界.

通過以（yǐ）上分析，並對照本文第二節中提（tí）到的三（sān）種隧（suì）道V型淺埋段地質模型，推測出了覆蓋層界麵(圖 7中虛線)，該（gāi）成果（guǒ）符合B類隧道V型模型，即圖 2所示地質特征（zhēng），覆蓋層較厚，隧道某段洞身部分在覆蓋層中.2.3.2 定量（liàng）分析及解釋

下麵根據成果中其他參數的變化情況(如圖 8)，並結合B模型地質特征，來分析解釋隧道前方圍岩地質（zhì）情況.

從成果圖（tú）來看：雖然（rán）DK16+260～DK16+308段縱波速度在4760～5090 m/s之間，波速（sù）相對較高（gāo），對異常表現（xiàn）不突出，但（dàn）其他參數對異常表現較明顯，下麵（miàn）就波速、泊鬆比、楊氏彈性模量、反射界麵等信息（xī）進行詳（xiáng）細的分析與解釋：

預報（bào）觀（guān）測係統布置段：DK16+202～DK16+256(54 m)，Vp=5070 m/s，Vs=2920 m/s.

段落1： DK16+258～DK16+273(15 m)，波速：Vp=5020 m/s，Vs=2820 m/s；泊鬆（sōng）比：0.27～0.28，動態楊氏模（mó）量：53～55 GPa.相對測試段（duàn）：縱、橫波速度降低，說明圍岩變破碎，或有岩性變化；泊鬆比明顯升高，說明該段地層孔隙（xì）度較大，較鬆散；動態楊氏模量明顯降低（dī），圍岩強度明顯變差；且在DK16+258位置反射界麵密集(強（qiáng）能量反射界麵1)，說明地層間（jiān）的波阻抗差異較大；加之已開挖段在DK16+258位置拱頂已（yǐ）出現塌方現象，塌方體為風積砂夾塊石.所以綜合推斷該段洞身上（shàng）斷麵為（wéi）風積砂夾塊石（shí），下斷麵為閃長岩，且上下地層界（jiè）線逐漸緩慢加深，圍岩工程性質較（jiào）掌子麵變差，易塌方.

段落2： DK16+273～DK16+277(4 m)，波速Vp=4760 m/s，Vs=2660 m/s；泊鬆（sōng）比為0.28，動態楊氏模量為46 GPa.相對前段：縱波、橫（héng）波速度降低幅度較大，該段地層發生變化，地層破碎；泊鬆比變化不大，說明地層依然孔隙度較大，較（jiào）鬆散；動態楊氏模量（liàng）突然大幅度降低，說明該段地層強（qiáng）度變差；反射界麵較多(強能量反射界麵2)，且界麵南傾，說明該段依然存在（zài）岩性分界線.綜合推（tuī）斷該段上斷麵風積砂夾塊石的（de）範圍變大，下斷麵閃長岩範圍減小，在DK16+277之前上下地層界線下移幅度較大，圍岩工程（chéng）性質較上段變差，易塌方.

段落3： DK16+277～DK16+287(10 m)，波速Vp=5090m/s，Vs=2890 m/s；泊鬆比為0.27，動態楊氏模量為57 GPa.相對前段：縱、橫波速度升高，說明地層略變好；泊鬆比減小，說明地層孔隙度較大，較鬆散；動（dòng）態楊氏（shì）模量（liàng）增大，說明地（dì）層強度變好（hǎo）；反射界麵（miàn）較少，說明該段沒有明顯岩性界麵，或岩性界麵較水平.綜（zōng）合推斷該段上斷麵風（fēng）積砂夾塊石和下斷麵閃長岩範（fàn）圍變化較小，且在DK16+277之後上下地層（céng）界線稍上移，然後下移，圍岩工程性質與上段相當，易塌方.

段落4： DK16+287～DK16+295(8m)，波速（sù）Vp=5070 m/s，Vs=2680 m/s；泊鬆（sōng）比（bǐ）為（wéi）0.28～0.31，動態楊氏模（mó）量為50 GPa.相對前段：縱波、橫波速度略降低，說明地層（céng）變破碎、鬆散；泊鬆比明顯增大，說明該段地層明顯變鬆散；動態楊氏模量降低，說明強度變差；反射界麵較多，說明地層有變（biàn）化.綜合推斷該（gāi）段全斷麵以風積砂夾塊石為主（zhǔ），地層鬆散，圍岩工（gōng）程性（xìng）質變差，是本次預報中最差的一段，極易塌方.

段落5： DK16+295～DK16+308(13m)，波速Vp=5020 m/s，Vs=2840 m/s；泊鬆（sōng）比（bǐ）為（wéi）0.27，動態楊氏模量為55 GPa.相對（duì）前段：縱波速度略（luè）降（jiàng）低、橫波速度升高（gāo），說明該段地層逐漸變好；泊鬆比減小，說明該段地層孔隙度變小，鬆散程（chéng）度降低；楊氏模量（liàng）增大，說明該（gāi）段地層強度增大，反射界麵較少，且在DK16+300～DK16+308有（yǒu）能量反射界麵3，說明（míng）地層之間波阻抗較大.綜（zōng）合推斷洞身逐步（bù）以閃長岩（yán）為主，鬆散地層範圍逐步變小，圍（wéi）岩工程性質變好，易塌方.

2.3.3 成果驗證

我們首先通過強能量界麵（miàn）的篩（shāi）選分析，確定了（le）該隧道淺埋段的類型，然後通過反演成果（guǒ）中的縱波速度，橫波速度，泊（bó）鬆比，動（dòng）態楊氏模量（liàng）等重要參數的變（biàn）化情況來推斷前方圍岩地質情況，進而得出較（jiào）為準確預報結論，將上述推斷結論繪製成簡單的地（dì）層縱斷麵圖(圖 9).

經過3個月的施工開挖後揭示，DK16+260～DK16+283段掌子麵上斷麵為風積砂夾塊石，下斷麵為閃長岩，分界（jiè）麵整體下移，在DK16+277位置界麵（miàn）出現上移；DK16+283～DK16+295段全斷麵為風積砂夾（jiá）塊石；K16+295～DK16+305段掌子麵上斷麵為風積砂（shā）夾塊石，下斷麵為閃長岩，分界麵整體上移，在DK16+305以後全斷（duàn）麵為閃長岩.將（jiāng）施工開（kāi）挖揭（jiē）示的地層繪製成地層縱斷麵圖(圖 10).

將圖 9和（hé）圖 10進行對照得出：

(1)反射界麵分（fèn）布圖(圖 7)中的3個（gè）強能量反（fǎn）射（shè）界麵中1和2在（zài）實際開挖中得到了較好的驗證.

(2)Tsp超前地質（zhì）預報（bào）推斷地層分界麵整體變化趨勢與開挖驗證相符，分（fèn）界麵（miàn）上下位置與開挖驗證略（luè）有出入（rù）.

(3)推斷在DK16+308的（de）位置（zhì）掌子麵全斷麵進入閃長岩，實際開挖揭示在DK16+305的位置掌（zhǎng）子麵全斷麵進入閃長岩（yán），誤差（chà）3 m.

3 結（jié） 論3.1     經過以上的研究分析，總結出隧道V型淺埋段的Tsp預報（bào）分析方法.具體步驟如下：

(1)首先要收集大量該隧道淺埋段地質資料和埋深等信息，如覆蓋層的（de）成分及大致厚度、基岩的岩性、隧道的埋深等.

(2)其（qí）次需采集（jí）質量較好的Tsp數據，並對數據進行多次反（fǎn）演分析（xī），在眾多反演成果中選（xuǎn）擇（zé）最符合（hé）實際情況的反演成果.

(3)然後（hòu）對Tsp成果進行能量篩選，找出強能量反射界麵，根據強能量反射界麵的分布及彈性波特征來定性判（pàn）斷淺埋段（duàn）的地質類型.

(4)最後（hòu）在確定淺埋段地（dì）質類型的基礎上，詳細分析Tsp成果中其他參數(如（rú）縱波、橫波（bō）、泊鬆比、動（dòng）態楊氏模量等)的變化（huà）關係來（lái）推測前方覆蓋層和基岩接觸麵的變化情況.

3.2     隧（suì）道淺埋（mái）段的預報是一個長（zhǎng）期困擾大家的難題，本次預報工作由於（yú）在較完（wán）整閃長岩中，炮孔和接收（shōu）孔的質量均較高，數據質量較好，分析人員（yuán）也有把握大膽推測，且預報結果較為準確.

3.3     迄今為止，隧道V型淺埋段的準確預報仍然是物探界的難題，希望以後能有更好的方法來加以解決.

致 謝 在完成本文的過程（chéng）中，得到了中鐵一院甘肅鐵道綜合工程勘察院物探研究所總工程師韓永琦和副（fù）總工程師李來（lái）喜的大力（lì）支持和幫助，在此表示感（gǎn）謝.最後衷心感謝（xiè）審稿專家及編輯對本文的幫助.