在隧道施工中，塌方易造成工期延误、人生伤害和财产损失，是隧道运营的一个重要安全隐患(朱自强等，2007；汪成兵和朱合华，2008).隧道埋深越小，越容易发生塌方，围岩强度越低，塌方程度越严重(汪成兵和朱合华，2008)，所以隧道V型浅埋段的超前预报工作显得尤为重要.然而该工作一直以来是一个难题，因为深埋隧道中主要考虑的是岩性变化、断层构造、水、岩溶等危险地质问题，而隧道浅埋段除上述问题之外，还要考虑覆盖层边界、松散程度等问题.

在隧道浅埋段预报中，首先需了解隧道围岩、地形、地貌等重要地质信息.在应用过程中，我们往往将纵、横波速度作为围岩工程性质判定的唯一标准，认为预报波速越高，掌子面前方围岩工程性质越好，反之则越差.大部分人甚至直接将预报结论中的纵、横波速度直接套用各种规范来划分围岩等级，忽略了掌子面岩性、洞外地形、地貌等重要地质信息，忽视了TSP其他参数的意义，导致预报准确率不高.

本文主要介绍在拉日铁路某隧道V型浅埋段TSP超前地质预报的应用，通过综合分析后得出较为准确的预报结论，为隧道开挖工作提供了重要的参考依据.

1 隧道V型浅埋段地质及弹性波特征

在实际地下介质中，震源激发的地震波入射到介质中主要以散射、绕射和反射等形式传播(尹军杰等，2005)；散射波的传播符合惠更斯原理，反射波、绕射波、回转波等都是散射波的特例(张玉亮，2009).而在Tsp超前预报中我们重点研究的是反射波，反射波是由缓倾角，大尺寸非均匀性引起的走时和振幅变化，是散射波在定向排列的干涉叠加结果(张玉亮，2009).

当地震波在同一地层中传播时，其能量损失主要是由于波前扩散和吸收造成(张玉亮，2009)，岩石中弹性波能量衰减值随着压力的增大而减小，随着饱和度的增大而增大，随着岩石的致密程度的增加而减小(黄凯等，1997).由于覆盖层较松散、且埋深较小，所以其对波的吸收远大于基岩.

当地震波通过地下不同地层界面时，一部分发生反射，另一部分发生透射，根据能量守恒定律，入射波总能量等于反射波能量和透射波能量之和(张玉亮，2009)，两个地层之间波阻抗差值越大，则界面发生反射波能量越强.由此可知在基岩与覆盖层接触面和地表与空气接触面二者之间，前者反射能量强度小于后者.

根据隧道洞身和V型浅埋段地质特征关系，将其简单分为如下三种类型：

A类：覆盖层较薄，隧道通身在基岩中，如图 1；

B类：覆盖层较厚，隧道某段洞身部分在覆盖层中，如图 2；

C类：覆盖层较厚，隧道某段洞身通身在覆盖层中，如图 3.

下面分别讨论以上三种V型浅埋段模型下TSP激发的地震波能量的衰减，以及反射、吸收等方面的弹性波特征.

1.1 A类隧道V型浅埋段

从图 1可以看出，浅埋段覆盖层较薄，隧道通身在基岩中通过.该情况下，地震波能量衰减主要是基岩地层的吸收造成，由于覆盖层较薄，地震波穿过时能量损失相对较小；相对于基岩面和覆盖层分界面来说地表与空气界面的波阻抗差值更大，所以反射能量最强的界面应该是地表和空气的界面，该界面以负反射为主.

图 1

Fig. 1

图 1 A类隧道V型浅埋段Fig. 1 V-shaped shallow-buried section of the A class tunnel

从图 2可以看出，覆盖层较厚，隧道某段洞身部分在覆盖层中.该情况下，地震波传播到强反射界面1时部分发生反射，部分透射到覆盖层中，由于覆盖层较厚且较松散，对透射波的吸收强烈，所以图中强反射界面1的反射波能量强于反射界面2及地表界面.

图 2

Fig. 2

图 2 B类隧道V型浅埋段Fig. 2 V-shaped shallow-buried section of the B class tunnel

从图 3可以看出，覆盖层较厚，隧道某段洞身通身在覆盖层中.在该情况下，地震波传播到强反射界面1时一部分发生反射，另一部分透射到覆盖层中，透射波在隧道洞身及下方覆盖层中传播的距离要小于其在隧道上方覆盖层中传播距离，因此强反射界面2在隧道上方的部分能量较弱；但是由于地震波到达强反射界面2须通过覆盖层，所以图中强反射界面1的反射波能量强于反射界面2.

图 3

Fig. 3

图 3 C类隧道V型浅埋段Fig. 3 V-shaped shallow-buried section of the C class tunnel

拉日铁路某隧道全长710 m，最大埋深162 m，浅埋段最小埋深37 m，洞身通过地层主要为第四系风积细砂(稍湿-潮湿，松散，Ⅱ级普通土，Ⅵ级围岩)、粗角砾土(潮湿，稍密，Ⅲ级硬土，Ⅵ级围岩)、块石土(饱和，中密，Ⅳ级软石，Ⅴ级围岩)、燕山期闪长岩(岩体节理发育，强风化层，Ⅳ级软石，Ⅳ～Ⅴ级围岩、弱风化层，Ⅵ级坚石，Ⅲ～Ⅳ级围岩).进、出口端山体顶部及坡面发育危岩、落石、风积沙，出口端较为严重.

TSP超前预报系统布置段：接收器位置(DK16+202)埋深为77 m，掌子面位置(DK16+260)埋深为49 m，从DK16+202向DK16+260埋深逐步减小；该段地表为风积砂，基岩为闪长岩，节理较发育，岩体较完整.在DK16+258位置隧道拱顶发生塌方，塌方体以风积砂夹块石为主(如图 4).

图 4

Fig. 4

图 4 掌子面塌方照片Fig. 4 Photos of Tunnel face collapse

掌子面前方为V型浅埋段位置，埋深先减小，后增大，从DK16+260到DK16+290埋深由49 m减小到37 m，从DK16+290到DK16+330埋深由37 m逐渐增大到48 m.具体地形及设计地质情况见图 5.

图 5

Fig. 5

图 5 隧道设计纵断面Fig. 5 Vertical section of tunnel design

2.2 TSP数据处理

将采集得到的TSP数据通过TSPwin PLUS的反演，具体反演流程如图 6.

图 6

Fig. 6

图 6 TSP数据处理流程图Fig. 6 Flowchart of TSP data processing

在上述处理过程中，通过对带通滤波、直达波速度、V_p/V_s值、Q因子等参数的多次修改反演后得出了解释性较好的结果.最后对该结果进行能量筛选，保留能量较强的主要反射界面后得出了最终TSP超前地质预报成果图，下面对该成果图进行详细的分析与解释.

2.3 TSP成果分析 2.3.1 定性分析

对TSP预报成果进行能量筛选，保留能量≥0.001的反射界面，得到如下图 7结果.

图 7

Fig. 7

图 7 隧道前方反射界面分布图Fig. 7 Distribution figure of the reflecting interfaces in front of the tunnel

该成果图中显示反射能量主要集中在图 7中强能量反射界面1～3位置.其中能量最强的是强反射界面1，里程为DK16+258；次之为强反射界面2，里程为DK16+273；能量较弱的是强反射界面3，里程为DK16+308； 除了以上3处外，在隧道洞身及下方未发现其他强能量反射界面.强能量反射界面1位置：反射界面密集，以负反射为主，且北倾，推断该界面为基岩与覆盖层的分界面(该位置已出现塌方，图 4可以看到基岩与覆盖层的界面)，是V型谷的前边界；强能量反射界面2位置：反射界面较多，以正反射为主，南倾，规模及长度较小，推断该界面为覆盖层与基岩的分界面；强能量反射界面3位置：反射界面少，以正反射为主，北倾，推断该界面为覆盖层与基岩的分界面，虽然是北倾，但是以正反射为主，所以推断是V型谷的后边界.

通过以上分析，并对照本文第二节中提到的三种隧道V型浅埋段地质模型，推测出了覆盖层界面(图 7中虚线)，该成果符合B类隧道V型模型，即图 2所示地质特征，覆盖层较厚，隧道某段洞身部分在覆盖层中. 2.3.2 定量分析及解释

下面根据成果中其他参数的变化情况(如图 8)，并结合B模型地质特征，来分析解释隧道前方围岩地质情况.

图 8

Fig. 8

图 8 TSP反演成果图Fig. 8 The inversion results figure of TSP

从成果图来看：虽然DK16+260～DK16+308段纵波速度在4760～5090 m/s之间，波速相对较高，对异常表现不突出，但其他参数对异常表现较明显，下面就波速、泊松比、杨氏弹性模量、反射界面等信息进行详细的分析与解释：

预报观测系统布置段：DK16+202～DK16+256(54 m)，V_p=5070 m/s，V_s=2920 m/s.

段落1： DK16+258～DK16+273(15 m)，波速：V_p=5020 m/s，V_s=2820 m/s；泊松比：0.27～0.28，动态杨氏模量：53～55 GPa.相对测试段：纵、横波速度降低，说明围岩变破碎，或有岩性变化；泊松比明显升高，说明该段地层孔隙度较大，较松散；动态杨氏模量明显降低，围岩强度明显变差；且在DK16+258位置反射界面密集(强能量反射界面1)，说明地层间的波阻抗差异较大；加之已开挖段在DK16+258位置拱顶已出现塌方现象，塌方体为风积砂夹块石.所以综合推断该段洞身上断面为风积砂夹块石，下断面为闪长岩，且上下地层界线逐渐缓慢加深，围岩工程性质较掌子面变差，易塌方.

段落2： DK16+273～DK16+277(4 m)，波速V_p=4760 m/s，V_s=2660 m/s；泊松比为0.28，动态杨氏模量为46 GPa.相对前段：纵波、横波速度降低幅度较大，该段地层发生变化，地层破碎；泊松比变化不大，说明地层依然孔隙度较大，较松散；动态杨氏模量突然大幅度降低，说明该段地层强度变差；反射界面较多(强能量反射界面2)，且界面南倾，说明该段依然存在岩性分界线.综合推断该段上断面风积砂夹块石的范围变大，下断面闪长岩范围减小，在DK16+277之前上下地层界线下移幅度较大，围岩工程性质较上段变差，易塌方.

段落3： DK16+277～DK16+287(10 m)，波速V_p=5090m/s，V_s=2890 m/s；泊松比为0.27，动态杨氏模量为57 GPa.相对前段：纵、横波速度升高，说明地层略变好；泊松比减小，说明地层孔隙度较大，较松散；动态杨氏模量增大，说明地层强度变好；反射界面较少，说明该段没有明显岩性界面，或岩性界面较水平.综合推断该段上断面风积砂夹块石和下断面闪长岩范围变化较小，且在DK16+277之后上下地层界线稍上移，然后下移，围岩工程性质与上段相当，易塌方.

段落4： DK16+287～DK16+295(8m)，波速V_p=5070 m/s，V_s=2680 m/s；泊松比为0.28～0.31，动态杨氏模量为50 GPa.相对前段：纵波、横波速度略降低，说明地层变破碎、松散；泊松比明显增大，说明该段地层明显变松散；动态杨氏模量降低，说明强度变差；反射界面较多，说明地层有变化.综合推断该段全断面以风积砂夹块石为主，地层松散，围岩工程性质变差，是本次预报中最差的一段，极易塌方.

段落5： DK16+295～DK16+308(13m)，波速V_p=5020 m/s，V_s=2840 m/s；泊松比为0.27，动态杨氏模量为55 GPa.相对前段：纵波速度略降低、横波速度升高，说明该段地层逐渐变好；泊松比减小，说明该段地层孔隙度变小，松散程度降低；杨氏模量增大，说明该段地层强度增大，反射界面较少，且在DK16+300～DK16+308有能量反射界面3，说明地层之间波阻抗较大.综合推断洞身逐步以闪长岩为主，松散地层范围逐步变小，围岩工程性质变好，易塌方.

2.3.3 成果验证

我们首先通过强能量界面的筛选分析，确定了该隧道浅埋段的类型，然后通过反演成果中的纵波速度，横波速度，泊松比，动态杨氏模量等重要参数的变化情况来推断前方围岩地质情况，进而得出较为准确预报结论，将上述推断结论绘制成简单的地层纵断面图(图 9).

图 9

Fig. 9

图 9 推断隧道前方地层纵断面图Fig. 9 The inferred stratigraphic profile figure in front of the tunnel

经过3个月的施工开挖后揭示，DK16+260～DK16+283段掌子面上断面为风积砂夹块石，下断面为闪长岩，分界面整体下移，在DK16+277位置界面出现上移；DK16+283～DK16+295段全断面为风积砂夹块石；K16+295～DK16+305段掌子面上断面为风积砂夹块石，下断面为闪长岩，分界面整体上移，在DK16+305以后全断面为闪长岩.将施工开挖揭示的地层绘制成地层纵断面图(图 10).

图 10

Fig. 10

图 10 隧道开挖揭示地层纵断面Fig. 10 The inferred stratigraphic profile figure of the actual excavation

将图 9和图 10进行对照得出：

(1)反射界面分布图(图 7)中的3个强能量反射界面中1和2在实际开挖中得到了较好的验证.

(2)Tsp超前地质预报推断地层分界面整体变化趋势与开挖验证相符，分界面上下位置与开挖验证略有出入.

(3)推断在DK16+308的位置掌子面全断面进入闪长岩，实际开挖揭示在DK16+305的位置掌子面全断面进入闪长岩，误差3 m.

3 结 论 3.1     经过以上的研究分析，总结出隧道V型浅埋段的Tsp预报分析方法.具体步骤如下：

(1)首先要收集大量该隧道浅埋段地质资料和埋深等信息，如覆盖层的成分及大致厚度、基岩的岩性、隧道的埋深等.

(2)其次需采集质量较好的Tsp数据，并对数据进行多次反演分析，在众多反演成果中选择最符合实际情况的反演成果.

(3)然后对Tsp成果进行能量筛选，找出强能量反射界面，根据强能量反射界面的分布及弹性波特征来定性判断浅埋段的地质类型.

(4)最后在确定浅埋段地质类型的基础上，详细分析Tsp成果中其他参数(如纵波、横波、泊松比、动态杨氏模量等)的变化关系来推测前方覆盖层和基岩接触面的变化情况.