贵州某隧道利用SSP地震散射剖面技术结果精度较高超出预期 

贵州某隧道用地震散射剖面技术探测采空区

在隧道超前地质预报过程中如何选择一种省时高效的测试手段，是当前隧道超前地质预报中一个值得关注的问题。那么SSP地震散射剖面技术就不得不被推到风口浪尖上来，小编以同度物探在众多施工案例中选择比较典型的贵州毕威高速水塘隧道为例详细解说一下，该隧道场地环境复杂，但是应用SSP地震散射剖面技术，基本查明场区既有采空区与隧道断面范围的空间区位关系，为该工程施工的安全高效推进提供了有力的技术支持。

1 工程概况及预报方法的选择

贵州省毕威高速水塘隧道为高瓦斯隧道，其中出口端地表边坡坡度大，横向起伏变化剧烈，在隧道施工范围内既有采空区多处，分布错综复杂。施工中多处遇到高瓦斯地层、采空区、洞身断层破碎带及涌突水等现象，区域地质条件复杂，施工难度大。因此，水塘隧道出口端超前地质预报工作的重点就集中在探明采空区与隧道的空间区位关系，进而对潜在的施工中瓦斯聚集突出、涌水、涌泥等问题提出推测结论。

由于本隧道施工过程中，隧道内瓦斯浓度较高，在洞内大规模进行电磁法（诸如瞬变电磁法、地质雷达法等）进行超前地质预报存在一定的安全隐患；加之受施工方案控制，二次衬砌至掌子面距离保持在50米以内，没有足够的空间与距离进行相关弹性波法（诸如TSP法、TST法等）的测试。况且，传统地震反射、折射、面波等勘探方法都不能适应该隧道地表地形变化大、地质结构横向不连续的场合。因此，本隧道出口端超前地质预报测试工作，不宜主要在隧道内开展。

SSP地震散射剖面技术是近年发展起来新的观测与资料处理方法，其以波动传播的逆散射成像技术为基础，当地震波入射到波阻抗变化的异常体时，异常体作为新的被动震源向周围介质散射能量。根据观测到的散射波的运动学与动力学记录确定异常体的位置、形状与力学性状。该技术是适合山区复杂地质条件的浅层地震剖面技术，它可同时确定岩土介质的波速分布和岩土界面的位置与形态，可展现垂直剖面内岩、土介质波速的分布、岩土界面深度与形态，结果图像直观、分辨率高。实际应用中，该技术曾在汶川地震灾区边坡勘察中已取得了很好的效果。

图2-1 SSP测试系统组成图

SSP地震散射剖面技术的观测布置是根据波速分析和二维视速度滤波的要求设计的，是一个空间观测系统。该方法在地表布置地震观测剖面，激发点（炮点）距一般取6-8m，接收点距2-4m。实际观测中使用12-24道地震仪，检波器埋入深度20-50cm（见图2-2），本次测试采用锤击激震。

图2-2 SSP地震散射剖面技术测试示意图

贵州某隧道用地震散射剖面技术探测采空区

 SSP技术的工程应用实例及结果分析

2.1 测试测线的布置

本次观测共布置测线7条，形成3个横剖面，2个纵剖面。各剖面位置见示意图3-1；

图3-1 水塘隧道出口边坡勘测布置示意图

各测线的位置与参数如下表3-1。

2.2 测试结果成像

数据后处理采用北京同度工程物探技术有限公司TD-SlopeCT软件系统。资料的后处理过程主要包括：地震记录数据录入、地震记录选取、地震数据预处理、观测系统高程修正等、波场方向滤波、围岩波速分析、地质体偏移成像、剖面三维拼接、综合地质解释等工作。详见下图3-3。

图3-3 SSP测试结果三维拼接成果图

2.3 测试地质解释及开挖验证

本次测试共完成5个剖面， 3个横向剖面，2个纵向剖面。其中P1-P2剖面、P6-P7剖面均是由两个测线组合而成。由于受场地条件限制，右线主轴线P5测线并未能涵盖本次右线探测范围。在5条测线成果偏移图中，连续的红线表示连续性较好的完整、变硬的岩体界面，蓝色表示相对变软的岩体界面，红蓝相间、断续变化的区域为变化较大的松散破碎带、采空区及采空区塌陷等；完整性较好的岩体偏移图中条带的连续较好。具体地质解释及开挖验证结果见下表3-2：

地质解释及开挖验证对比

测线p1-p2地质解释

该剖面存在三层低速带，沿纵向呈向斜产出，推测为煤层位置。ZK108+728～ZK108+748段，隧道掌子面范围穿越煤层，ZK108+748～ZK108+798段，隧道顶板至上方部位穿越煤层或采空破碎区。ZK108+798～ZK108+818隧道掌子面范围穿越煤层且穿越采空区或下伏采空区特征较为明显。ZK108+818～ZK108+828段总体地质情况相对较好，结合P6-P7测线结果，仅在ZK108+828附近存在自右线延伸采空区横切左线隧道，推断为采空区塌陷，该不良地质体距左线隧道顶板较近。

测线p1-p2开挖验证结果

煤层分布特征与勘察文件中关于场区煤层的构造类似，基本准确；ZK108+728～ZK108+748段，煤层数大于3层，预报基本准确；ZK108+758～ZK108+788段，拱顶部位开挖揭露为煤渣状，为采空塌陷区，预报基本准确；ZK108+797～ZK108+800段隧道范围内穿越采空区，预报准确；ZK108+827～ZK108+832段，隧道变形大，结构失稳形成冒顶，预报基本准确；

p3地质解释

P3测线未能发现明显地质异常。但地层浅层分布特征明显，表现为高程1980～1990处存在一结构面，推测为滑坡堆积体交界面。

p3开挖验证结果

未开挖至该处，未验证；

p4地质解释

YK108+798处隧道右斜上方（高程1940～1950，与隧道横向距离约6m）处，分布明显低速区，采空区的可能；该断面下方为一软弱破碎带（推测为煤层），与隧道底板距离较近（约5m）。

p4开挖验证结果

YK108+814～YK108+818，形成冒顶，涌水量大，预报基本准确；向下超前钻探结果显示，YK108+798处存在煤层，预报基本准确；

p5地质解释

YK108+818～YK108+858段，该段隧道顶板上方存在既有采空区、软弱层，其中YZK108+818～YK108+838段隧道穿越煤层软弱区。

p5开挖验证结果

YK108+818～YK108+858段，掌子面范围内发育煤层，大角度超前钻探验证拱顶上方存在采空区，预报基本准确；YK108+814～YK108+818，形成冒顶，涌水量大，预报基本准确；

p6-p7地质解释

ZK108+832处穿越采空区等软弱区域，YK108+873处隧道影响范围内，未发现明显地质异常体。

p6-p7开挖验证结果

ZK108+827～ZK108+832段，拱顶处见煤渣，结构失稳形成冒顶，预报基本准确；

通过利用SSP地震散射剖面技术在复杂地形地质环境下的实例应用，及其测试结果与实际开挖验证结果的对比可以看出，SSP地震散射剖面技术基本查明了水塘隧道出口端地质情况，基本探明了采空区与隧道的空间位置关系，对潜在的施工中瓦斯聚集突出、涌水、涌泥等问题提出了推测结论。测试结果精度较高，可以达到指导隧道施工的要求。