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一、技術背景
隧道工程施工中經常會遇到多種復雜的地質條件，極易誘發突水突泥、塌方、TBM卡機等嚴重災害和事故，導致工程建設過程中往往遭遇突水突泥、巖爆、塌方等重大災害，常常會導致施工工期延誤、TBM損毀、嚴重的經濟損失乃至重大人員傷亡。地質條件復雜多構造的區域，隧道開挖主要受斷層帶影響，甚至有些隧道經過高瓦斯區域會受到瓦斯包的影響。由此可見，隧道前方賦存的斷層破碎帶、含水溶洞、暗河等地質嚴重制約和威脅了施工安全。因此，提前探明隧道前方賦存的斷層、溶洞、暗河等不良地質情況，對于隧道施工安全和災害防控極為重要。受地表勘探條件和技術水平所限，很難全面獲知隧道沿線的地質情況，給隧道施工安全帶來了較大隱患。隧道超前地質預報正好彌補了以上不足，隧道探測可以提供工作面前方不良地質體的坐標、形態以及含水性等，可以提前獲知隧道可能發生涌水、突泥、崩塌等災害的相關信息，確保施工安全，提高工程建設的效率、減少工程建設周期、避免工程建設災害損失、節約資金成本等具有明顯的社會價值和經濟效益。 隧道超前探測系統對不良地質的預報可以提前防范災害的發生，保證施工人員及施工設備的安全，同時對工程質量及進度有著積極影響，帶來可觀的經濟效益。這些影響在深埋長達隧道和TBM施工中尤為明顯，因此在地質條件復雜的情況下必須將地質超前預報計劃在內。隧道超前探測方法包括鉆探、電法和傳統地震法（TSP）等。鉆探法雖然能夠直接查清掘進面前方的地層巖性、構造等，但是設備笨重，一次有效探測受限較多，頻繁操作費時費力，影響正常掘進。電法主要基于電阻率等巖石電磁屬性分析圍巖的視電阻率，由于發射電場為空間球形，會受到隧道側面地質條件、雜散電流及運行設備等干擾，造成較多的虛報或誤報，最關鍵的是每次探測的距離有限。傳統地震法則是利用炸藥作為震源獲得隧道掌子面前方地質異常體位置信息，但是在現場施工過程中，需停止一切生產活動。 針對隧道開挖過程中超前探測存在的上述問題，安徽萬泰地球物理技術有限公司開發出隧道隨掘成像與安全動態監測系統，可以利用TBM掘進或者施工產生的震動信號進行反演探測,避免了使用炸藥等主動震源，不影響正常的施工進度；且隨著掌子面不斷的向前推進，可以對臺站進行向前同步移動，使得探測距離更長。能夠較好的實現隧道巖爆、突水突泥的安全動態監測以及隧道掌子面前方構造、瓦斯包等地質異常體的超前地質預報。 隧道在開挖過程中，會產生非常多的地震波信號，包含了豐富的構造、瓦斯包等信息。基于地震波運動學原理，通過建立不良地質體（斷層破碎帶、含水溶洞、暗河等）與隧道掘進過程中地震波信號之間的地球物理特征響應規律，分析、研究單點震源（炮掘）或者連續震源（TBM 開挖）作用于巖體產生的散射波信號。隧道在掘進過程中，會產生沿著洞軸軸線方向傳播的 P 波，當遇見地質異常體時，由于地震波阻抗存在差異，會形成地震回波（散射波）。因此，可以將單點震源（炮掘）或者連續震源（TBM 開挖）所產生的地震回波信號作為隧道隨掘超前探測的震源激發信號，通過布設陣列式地震檢波器，并實時記錄隨采地震波形，分析地震波的旅行時間、振幅、相位和頻率，基于相關干涉理論，進行反演探測。 萬泰隧道隨掘成像與安全動態監測系統使用了國內先進的散射波疊加成像算法，在數據處理方面關于散射波信號的提取除了常規的各個接收道與震源道進行互相關處理之外，更重要的是利用了連續信號的無限時長，且根據統計規律以及有效信號的可重復性，通過多次疊加原理大大地提高了原始地震資料的信噪比及反演結果準確度。利用深度域繞射掃描偏移疊加成像技術，進行隧道掌子面前方三維地質成像，如圖2-1所示。 
圖2-1 隨掘超前探測地質預報三維視圖 隧道隨掘成像與安全動態監測系統硬件主要括高精度地震檢波器（圖3-1）和數據采集儀（圖3-2）：高精度地震檢波器負責記錄高質量波形信號，數據采集儀將波形信號通過A/D轉換為數字信號。本項目使用的采集儀，具有高精度、低本底噪聲和大動態范圍等特點，并具有防水、防塵和耐酸咸腐蝕等優點。高精度地震檢波器具有高靈敏度、頻帶范圍寬等優點。強大的硬件性能保證了信號采集的準確性和有效性，大大降低了環境對信號采集的影響。通過布設在隧道內的高精度地震檢波器接收掘進過程中圍巖產生微破裂所釋放的能量波，將機械振動信號轉化為電壓信號經過通訊電纜傳輸至數據采集儀，通過數據采集儀的精細化處理，得到準確可靠的探測數據。  圖3-1 高精度地震檢波器圖 
圖3-2 數據采集儀 3.2  隧道隨掘成像與安全動態監測系統軟件 萬泰地球物理隧道隨掘成像與安全動態監測系統軟件，集數據處理、數據分析與成像為一體的產品，具有技術先進、定位精度高、系統布置快速靈活、操作簡單、技術支持及時有效等優點。通過將數據采集儀處理后的探測數據導入到軟件系統中，對波形進行截取、濾波、陷波和噪聲過濾等操作，選取有效數據對隧道掌子面前方進行反演，通過觀察反演后的結果，確定前方異常體類型、空間分布等信息，為隧道安全快速掘進提供服務。 
圖3-3 人機交互處理界面  圖3-4 反演結果2D展示圖 現場采用直線式的檢波器布設方式，檢波器間距宜為6m左右，檢波器不宜少于8個，依次編號做好標記S1-S8，首個檢波器距離工作面間距宜為20m，隨著隧道掌子面的推進，每掘進20m左右，最后面的傳感器拆下并安裝到最前斷面位置，監測斷面交替前移。每個檢波器均應能接收到震動信號，應根據現場巖石的完整性設置采樣頻率。檢波器應安裝于隧道鉆孔內，鉆孔深度應保持一致，以保證檢波器的順利安裝及高質量數據的采集，在檢波器孔附近用掛牌標注檢波器孔號。采集儀應布置于檢波器鋪設線狀中心點，便于后期的交替前移，檢波器電纜沿接收點鋪設并與采集端連接，如圖3-5所示。 
圖3-5 地震傳感器安裝示意圖 本系統實施流程如圖3-6所示。 
圖3-6 隧道隨掘成像與安全動態監測系統實施流程 |
