張卿 羅宗帆
中（zhōng）鐵二十局滬昆客專,貴州省安順（shùn）市黃果樹瀑（bào）布（bù）風景區灑把新（xīn）村，561000
摘要：為探索岩（yán）溶地區有效的超前預報技術方案，結合岩溶區的地震波場特征，嚐試使用基於散射和反射混合模型的TST隧道超前預報技術進行地質超前預（yù）報。主要（yào）研究成果如下（xià）：1）基本查明鬥磨隧道進口平導（dǎo）和大（dà）獨山隧道1#橫洞掌子麵前方150 m預報範圍內的地質情況；2）探明隧道掌子麵前方岩溶裂隙、溶洞的分布範圍、規模以及發育情況；3）預報的結果與實際情況基本一致（zhì）,為提（tí）前采取支護（hù）措（cuò）施提供準確的地質依據。
關鍵（jiàn）詞 : 岩溶；隧道地質超前預報；TST；速度掃描；方向（xiàng）濾波；偏移成像

Application of TST  Advance Geology Prediction Technology in Karst Area in Guizhou
Zhang Qing, Luo Zongfan    
 Hukun Passenger Special Line, China Railway 20th Bureau
Abstract TST advance geology prediction technology,which is based on the mixed model of scattering and reflecting,is adopted in the construction of tunnels in karst areas in Guizhou.Main study results are shown:1）The geological conditions 150 m ahead of the face of the parallel adit of the entrance section of Doumo tunnel and ahead of the face of No.1horizontal adit of Dadushan tunnel are obtained.2) The distribution,scale and development of the karst fissures and karst caves ahead of the tuunel face are predicted.3)The prediction results,which coincide with the actual geological conditions ,provide accurate geological basis to take support measures in advance.

Key words: karsts；advance geologyl prediction；TST；velocity scan；directional filter； migration imaging
一、引言
新建滬昆鐵（tiě）路是我國交通網中“五縱五橫”運輸大通（tōng）道的重要組成部分，是長三角、珠三角等沿海經濟發達地（dì）區（qū）向西南內陸地區進行經濟輻射的主要軸線，在區域綜合交通運輸體（tǐ）係中作用巨大。滬昆線西段主要位於（yú）雲貴高原（yuán）及（jí）其邊緣過（guò）渡地帶，區域範圍內地（dì）質構造（zào）複雜，構造線密集，斷層發育，有岩溶、煤層瓦斯和采空（kōng）區、液化砂石、軟質岩風化剝落等不良地質條件。
在隧道施工過程中超前地質預報技術對於查清（qīng）隧道不利（lì）地質條件、預報掌子（zǐ）麵前（qián）方的地質構造（zào）和含（hán）水性、保障施工安全具（jù）有重要作用,已成為隧道施工必要的技術（shù）環節[1][2]。基於地震反射理論的隧道超前地質預報技（jì）術預（yù）報長（zhǎng）度大，工作（zuò）效率高，得到了較廣泛的應用[3][4]，但也存在一定的技術缺陷。對於大型斷裂帶和岩性分界麵等地質（zhì）對象（xiàng），因其（qí）物性差異大故反射信號強，使（shǐ）用基於反射理論的地質超（chāo）前預報技術開展（zhǎn）工作[5]，難度相對較小。對於岩溶、圍岩裂隙（xì）等（děng）小型地質（zhì）構造的預報基於反射理（lǐ）論的地（dì）質超前（qián）預報技術則難（nán）以發揮（huī）作用，誤報率（lǜ）高。在我國（guó）西南的岩溶區，大部分岩溶是以構造裂隙岩溶為（wéi）主，沿斷裂與構造裂隙發育（yù）[6]。由於溶蝕、崩（bēng）塌、衝蝕（shí）作用，岩溶形態複雜，多有部分填充。管道岩溶也較（jiào）發育，其埋（mái）深大，形成地下暗河[7]。這（zhè）些岩溶形態複雜，體積小，表麵極不（bú）規則，展布規模小於地震波長（zhǎng），對地震波難於形成有效的反射，地震波（bō）主要以散射形式傳播。針對岩溶區地震場波的特征，利用散（sàn）射波進行地質超前預報勢在（zài）必行。散射波的傳播規律、波場特征與（yǔ）反射波不同[8] [9]，不（bú）能應用（yòng）地震反射資料處理技術處（chù）理，需要應用針對散射波的專有的處理技術。TST地質超前預報係統就是基於散射地（dì）震成像技術（shù）的地質超前預報係統[10] [11]。本文利用基於散射理論（lùn）的TST超前預報係統並綜合地質雷（léi）達等其（qí）他預報（bào）方法成功解決了岩溶地區地質超前預報的難題。
二、TST隧道（dào）地質超前預報技術
2.1散射掃描成像技術
超前預（yù）報時在隧道圍岩中使用人工震源激發地震波，地震波向四麵八方傳播，遇到岩性變化界麵、地質構（gòu）造、岩溶、地（dì）表麵等波阻抗變化界麵時發生反射、散射與折射。當地質界麵尺度遠大於地震波波長時，地震波傳播遵從層狀介質中的反（fǎn）射理論，反射波能（néng）量大，並沿著（zhe）反射角等於入射角的方向傳播。
當地質界（jiè）麵的尺度小於地震波長時（shí），地震回波的傳播遵（zūn）從（cóng）散射（shè）理（lǐ）論，散射波不再具有單（dān）一的方（fāng）向（xiàng），而是以散射點為中心向四麵八方傳播。與反射波相比，散射波的能量較弱，頻率偏高。在實際地質條件下（xià），既有像岩性界麵、斷層、地表麵等這樣的大尺度的反射界麵，也有像岩溶（róng）、采（cǎi）空區、孤石等這（zhè）樣的小尺度離散地質體。

采用反射與散射的混合模型（圖2）,根據反射波以及散射波的傳播規律，分別將散（sàn）射波和反射波進（jìn）行偏移歸位，得到隧道掌子（zǐ）麵前方的（de）真實（shí）地質情（qíng）況（kuàng），這就是TST散射掃描技術的基本思想（xiǎng）。關於TST地質超前（qián）預報係統數據處理的（de）具體技術措施，如方向濾波、圍岩速度（dù）分（fèn）析、掃描成像等（děng）以及在數據采集時的觀測係統要求趙永貴、蔣輝等已經（jīng）多次論述，此處不（bú）再介紹[9]。
2.2  TST數據處（chù）理（lǐ）結果的解釋原理
TST 的波速圖像與偏移圖像的地質解釋遵從如下原理：
1) 波（bō）速的（de）分布（bù）可用於掌（zhǎng）子麵前方岩體的力學性狀的（de）推斷,岩體波速高表示岩體結（jié）構完整（zhěng）致密,彈（dàn）性模量高;波速低代表岩體破碎,裂隙（xì）含水（shuǐ）;
2) 構造偏移圖像表示地質（zhì）結構的組合圖（tú）像和地層性質的變化。構造偏移圖像中反射條紋密集的地段，結構複雜、構（gòu）造發育，在波速圖像中對（duì）應位置為低波速帶；構造條紋少的地段（duàn），圍岩均勻致密，波速圖像中對應（yīng）高波速帶。
3) 對岩體含水性的預報要結合水文地質資料，如果隧道標高在地下水位之下，則可判定斷裂帶和破碎岩體富含地下水，如（rú）果隧道標高在地下水位之上，則斷裂帶和（hé）破碎岩體（tǐ）僅可能含少量（liàng）水或季節性含水。
4) 偏（piān）移（yí）圖用色彩分明的藍紅分別表（biǎo）示軟硬岩體界麵，紅（hóng）色線條代表正的波速異常,表示波速由低變高、岩體由軟變硬的界麵；藍色線條代表負的波速異常（cháng）,表示波速由（yóu）高變低、岩體由硬變軟的界麵;先藍後紅線條的組合代表存在一個斷裂帶。紅藍條紋密集出現區域代表地質現象中的斷裂帶（dài）或溶洞。斷（duàn）裂的展布範（fàn）圍大，體（tǐ）現在偏移圖像（xiàng）上是較大範圍的紅藍條紋延伸；溶洞的反射麵不規則，在偏（piān）移圖像上顯示為紅藍條紋的延伸長度短。
三、應用實例
3.1 鬥磨隧道進（jìn）口平導
鬥磨（mó）隧道位於（yú）貴州省關（guān）嶺自治縣境內，地處雲貴高原構造剝蝕中低山區，區（qū）內地形波（bō）狀起伏，隧址區內最高點位於隧道軸線南側的山頂，海拔高程2454.3m；最低點位（wèi）於（yú）隧道出口南側的河穀中，海（hǎi）拔高程1142m，相對高差1312.4m。隧道（dào）穿越區域以碳酸鹽、含煤地層分布為主要特征，具有（yǒu）剝蝕~溶蝕槽穀（gǔ）地貌特點。地表分布有大多裸露，溶槽、溶蝕地貌景觀。
隧址區基岩大（dà）多裸露，隧道進出口及緩坡地（dì）帶分布有少量（liàng）覆土，隧道區地表水以山間溝水為主，水量較小（xiǎo），雨（yǔ）季時溝內水量（liàng）明顯增加。地下（xià）水類型主要（yào）為第四係鬆散土層空隙（xì）水（shuǐ）、基岩裂隙水、岩溶水。不良地質現象主要為岩溶及岩溶水、煤層瓦斯及采空區、危岩落石等，特殊岩土為石膏，鬥磨隧道因高含量的瓦斯層，被列為滬昆全線的一級風險隧道，是鐵道部重點工程。本次預報鬥磨隧道進口平導（dǎo）D1K841+495掌子麵前方150m的（de）地質情況。
3.1.1 TST數據處理（lǐ）結果及地質解釋
通（tōng）過TST數據處理中地震（zhèn）數據（jù）導入、壞（huài）道剔出、帶通濾波、幹擾信號消除、觀測坐標編輯、二維方向濾波等步驟，經全局掃描和分段（duàn）掃描，得到預（yù）報地段圍岩的（de）速度分布。

使用前方回波地震數據和分析得到的（de）速度分布，進行深度偏移成像（xiàng），得到（dào）TST 構造深度偏移（yí）成像，它反映了（le）掌子麵前方的地質構造特征。
鬥磨隧道進口平導地質構造偏移成像 (Migration image of the entrance of Doumo Tunnel)
利用圖4、圖5並（bìng）結（jié）合地質資料（liào）分析得出鬥磨隧道進口平導（dǎo）D1K841+495掌子（zǐ）麵前方150m內地質（zhì）情況，可劃分為3段（如表1）。 
表1  鬥磨隧道進口平導TST地質超前預報結果(The prediction result of the entrance of Doumo Tunnel)
 裏程 長度（m） 波速（VP）km/s 探測結果推斷    
       D1K841+495～ D1K841+526 31 2.9 該段圍岩在構造偏移圖上呈現（xiàn）紅藍組合，圍岩穩定性（xìng）和完整性較（jiào）差，裂隙較（jiào）發育，岩體較破碎，分析（xī）存在溶洞（dòng）或（huò）破碎（suì）帶（dài）。圍（wéi）岩為IV級。    
D1K841+526～ D1K841+603 77 3.1 圍岩穩定性和完（wán）整性較好，裂隙稍發育。圍岩為III級。    
D1K841+603～ D1K841+645 42 2.9 該段圍岩在構造偏（piān）移圖上呈現紅藍（lán）組合，圍岩穩定性和完整性較差，裂隙（xì）較發育，岩體較破碎（suì），分析存在斷層或軟弱夾層。圍岩為IV級。  
根據以上預報結果，建議在施工的（de）過程中，
1) 對圍岩穩定性和完整性較差～差的地段，應加強支護。
2) 在D1K841+495～D1K841+526、D1K841+603～D1K841+645段采用地質雷達、紅外探水儀或加深炮眼方法對（duì）掌子麵前方地質災害體分布和地下水情況進行探測（cè）。
3) 有必要時，采用多功（gōng）能鑽機進行超前（qián）鑽探。
3.1.2 超前水平鑽探測結果與TST結果對比驗證
根據超前地質預報結果，施工方在掌子麵進（jìn）行了超前水平鑽探測，探測結果為：裏程D1K841+506～D1K841+517，此處存在較大（dà）溶洞，且有粘土、淤泥等填充物；裏程D1K841+517～D1K841+538，此處鑽杆推進速度忽快忽慢（màn），鑽孔處水（shuǐ）為黑色，且帶（dài）煤氣味，初步（bù）判斷此區段可能存在煤（méi）層。
通過TST預報結果與超前水平鑽探（tàn）測結果相互對比應證，說明我們所作的建議是合（hé）理的（de）,而在D1K841+495～D1K841+526段附近圍岩（yán）穩定性和完整性較差（chà），裂（liè）隙較（jiào）發育，岩體較破碎，分析存在溶洞或破碎帶,與超前（qián）水平鑽探測結果基本符合。
3.2 大獨山隧道1#橫洞
大（dà）獨山隧道全長11882m，進口裏程DK852+772，出口裏程DK864+654，為單洞（dòng）雙（shuāng）線隧道（dào），隧道可能溶岩長度為9063m，占全隧（suì）長度的76%。大獨山隧道位於地處黔西高原（yuán）向黔中丘陵過渡地帶，屬構造剝蝕、溶蝕中低山地貌（mào），總體來看，地（dì）勢北西高南東低（dī），具構造剝（bāo）蝕～溶蝕（shí）地貌特點。
大獨山隧道（dào）洞身斷（duàn）層破碎（suì）帶發育，區域斷層7處，物探解譯斷層11處，下穿1處暗河（位於隧道拱頂上約43m），部分段落隧道處於水平循環帶（dài）內，部分段落處於季節交替（tì）帶，洞內為人字坡。該隧道地（dì）質複雜，為I級風險隧道。
3.2.1 TST數據（jù）處理（lǐ）結果及地質解釋
按TST數（shù）據處理流程處理（lǐ）後得到大獨山隧道1#橫洞H1D1K0+808掌子麵前方150m內的地質體（tǐ）圍岩波（bō）速曲線圖、偏移圖像如圖6：
 
圖6 大獨山隧道1#橫洞速（sù）度（dù）曲線 (Velocity curve of the entrance of Dadushan Tunnel)
使用前方回波地震數據和分析得到的速度分布，進（jìn）行深度偏移成像，得到如圖7 所（suǒ）示的TST 構造深度偏移成像，它反映了掌子麵前（qián）方的地質構造特（tè）征。
 
注：圖中黑色小框為檢波器孔和爆（bào）破孔布置點（Black box is receiver and shot points）
圖7 大獨（dú）山隧道1#橫洞地質構造偏移成像(Migration image of the entrance of Dadushan Tunnel)
對（duì）比圖6、圖7，結（jié）合掌子麵開挖情況（kuàng）和地質資料綜合分析，得到表2的結論。

表2  大獨山隧道1#橫洞TST地質超前預報結果 (The prediction result of the entrance of Dadushan Tunnel)
 裏程（chéng） 長度（m） 波（bō）速（VP）km/s 探測結果推（tuī）斷    
H1D1K0+808～ H1D1K0+760 48 3.0 該段圍岩在構造偏移圖上呈現紅藍組合，圍岩穩（wěn）定性和完整性較差，岩溶裂隙較（jiào）發育（yù），岩體較破碎，有水，在隧道中軸線右側，疑存在充填型岩溶裂隙。圍岩為IV級。    
H1D1K0+760～ H1D1K0+658 102 3.1 圍岩穩定性和完整性（xìng）好，裂隙稍發育，圍岩整（zhěng）體為III級。  
根據以上預報（bào）結（jié）果，建議施工方在H1D1K0+808～H1D1K0+760段應加強支護並采用地質雷達、紅外探水儀或加深炮眼方法對掌子麵前方地質災（zāi）害體（tǐ）分布和地下水情況進行探測。
3.2.2 地質雷（léi）達探測結果與TST結果對比驗證
根據超前地（dì）質預（yù）報結果，施工方采用短進尺向前開挖（wā），發現向前開挖岩體逐（zhú）漸破碎並有（yǒu）裂隙水出現。開挖到H1D1K0+784，施（shī）工（gōng）方（fāng）在掌子麵進行了地質（zhì）雷達探測，探測結果為：
- 在掌子麵前（qián）方0～10m深度範圍內：電磁波反射信號較強（qiáng），頻率中等，同相軸較為連續，有斷續。判斷此區段內岩層較破碎，岩層含水，可能有（yǒu）夾層。
- 在掌子麵前方10～30m深度（dù）範圍內電磁波反射信號較強，頻率中等，同相軸較為連續，有斷續，初步判斷此區（qū）段內岩層裂隙發育，局部為破碎帶或填充物，岩層含水，可能有夾（jiá）層。
通過TST預報結果與實際開挖情況、地質（zhì）雷達探測結果相互對比應證，可以看出我們所（suǒ）做的預報結果與地質雷（léi）達（dá）結果（guǒ）基（jī）本符合（hé），說明TST預報結果是準確的，建議是合理的（de）。
四、結論與討（tǎo）論
在岩溶（róng）發育等地質構造（zào）複（fù）雜地區的進行超前預報工作（zuò）一直是超前預報（bào）領域的難題。利用TST超（chāo）前地質預報技術能（néng）夠對掌子麵前方地質（zhì）情況有效、準確（què）地預報。克服了僅基於反射（shè）理論的超前預報技術（如TSP等造成的誤報和漏報問題）。
在滬昆（kūn）客（kè）專貴州段的多次超前預報（bào）工作中，TST隧道超前地質預報查（chá）明了掌子麵前方（fāng）150 m預（yù）報範圍內的地質情況，對岩溶裂隙、溶洞的（de）分布範圍、規模以及發（fā）育情況的預報與實際情況基（jī）本一致,為提前采取支護措施提供了準（zhǔn）確的地質（zhì）依據,避免了工（gōng）程事故的發生。
TST方（fāng）法在岩溶（róng）地區的數據處理比較靈活，需要掌握好偏移圖像和速度掃描曲線的對應關係，在實踐中（zhōng）不斷積累經驗，就能（néng）得到比較理想的預報結果。在TST操作中有如下經驗：
1. 速度（dù）掃描過程分整體掃描和分段掃描（miáo）兩個步驟。整（zhěng）體掃描可以快捷地把握預報地段圍（wéi）岩波速的分布特點，包括（kuò）最優波速、次優波（bō）速、速度大（dà）致分段特點。
2. 整體掃描（miáo）的第1個目的（de）是（shì）尋找最優和次優波速。速度掃描中會出現幾個能量高的（de）極值點（diǎn），其中（zhōng）能量最高的（de）點對應的波速為最優波速，它表示有較長地段的圍岩適合該速度；能量次高的點對應的波速稱次優波速， 它代表有較短（duǎn）地（dì）段的圍岩（yán）適合該波速（一般選擇1～2個次優波（bō）速）。整體速度掃描中速度步長一般選擇200m/s。
3.  整體掃（sǎo）描的第2個目的（de）是確定圍岩波速分段，這是整體掃描（miáo）最主要的任務（wù）。波速分（fèn）段的原則是依據掃（sǎo）描中能量極值點的多少來決定；最優波速對應的分段長，次優波速對應（yīng）分段短。
4.  判斷掃描中（zhōng）最優和次優波速適合的地段是依據偏（piān）移圖（tú）像（xiàng）疊加的效（xiào）果。偏移圖像中速度適合的地段反射界麵連續性好、疊加能量大、紅藍（lán）線條相間（jiān）分布。如果速度選擇偏低，將出現過多的藍色條紋，反之將出現（xiàn）過多紅色條紋。
5.  按照上述（shù）原則，首先尋找最優波速適（shì）合的較長地段，然後（hòu）再逐次尋找次優波速適合的地段。整體掃描中分段的主要目的是確定（dìng）最優、次優（yōu）1、次優2等各波速分布（bù）的（de）前後次序，分段（duàn）的具體位置需要在分段掃描階（jiē）段來確定。 
建議（yì）逐漸建（jiàn）立（lì）典型地質條件的偏移圖像樣本庫，方便初學（xué）者利用前人的經（jīng）驗進行地質狀況判讀。