敞开式TBM硬岩隧道断层破碎带与蚀变带BMST集成式地震波超前探测

1 引言

敞开式TBM硬岩隧道施工中，断层破碎带与蚀变带是最具威胁的两类不良地质体。断层破碎带伴随围岩完整性丧失、波速大幅降低，易引发塌方与突涌水；蚀变带因黏土矿物富集导致围岩软化，常造成TBM刀盘扭矩异常、护盾卡滞。天山胜利隧道、高黎贡山隧道等重大工程经验表明，超前地质预报是TBM安全穿越不良地质段落的关键技术保障。

国内外学者针对TBM工况下的超前预报开展了系列研究。赵永贵等开发了TST（Tunnel Seismic Tomography）隧道地震预报技术，采用空间观测系统布设于隧道两侧围岩。Kopp将BEAM技术引入TBM施工，以护盾作为屏蔽电极实现激发极化探测。李术才等依托863计划将激发极化法用于隧道地下水定量探测。李苍松等首次提出以TBM刀盘破震动作为震源的HSP（Horizontal Sonic/Seismic Profiling）被动源探测技术。然而，上方多采用便携式设备、需人工布设，难以实现随掘连续探测与自动化操作。

BMST（Boring Machine Seismic Tomography）系统是北京同度工程物探技术有限公司基于TST技术开发的掘进机集成式地震波超前预报系统，在掘进机组装过程中装配于护盾部位，可做到边掘进边预报。该系统已在四川西香高速盐源隧道“蜀昌一号”TBM上得到应用验证，取得了良好的预报效果。本文针对敞开式TBM硬岩隧道断层破碎带与蚀变带探测需求，系统研究BMST技术原理、观测方法及工程适用性，为硬岩隧道不良地质超前预报提供技术参考。

2 BMST系统技术原理

2.1 基于散射地震理论的观测系统

BMST以散射地震理论为基础，采用三维观测方式。系统由4个冲击震源和32个检波器组成三维采集阵列，集成安装于TBM护盾部位。震源主动激发产生横波，向掌子面前方围岩辐射，遇波阻抗变化界面（断层破碎带、蚀变带等）产生散射波，被检波器阵列接收。

与基于反射地震理论的传统方法不同，散射地震理论不要求界面为光滑镜面反射面，适用于断层破碎带、蚀变带这类具有复杂内部结构和随机非均匀性的地质体。当震源激发的地震波遇到尺度与波长可比或更小的非均匀体时，产生全方向的散射波场，携带了目标体的位置、规模、波速和衰减等信息。

2.2 关键技术

波场分离技术：基于地震波的不同传播特征（视速度、极化方向、走时等），将有效反射/散射波与干扰波分离。干扰主要包括面波、侧向反射波、TBM机壳振动噪声等。波场分离是提高信噪比和成像质量的前提。

速度扫描技术：通过扫描不同波速模型下的走时拟合程度，获取掌子面前方围岩的纵波和横波速度分布。断层破碎带表现为波速显著降低（较完整围岩降低20%～40%），蚀变带则表现为波速降低与衰减系数增大并存，速度扫描结果为地质解释提供定量依据。

合成孔径偏移成像技术：将多道接收的散射波场进行相干叠加和偏移归位，将能量聚焦于散射源的真实空间位置。该技术能够对掌子面前方地质构造进行准确定位成像，分辨率可达1m。

2.3 主被动联合探测模式

BMST将主动震源预报与被动震源预报相结合。除4个冲击震源主动激发外，系统同时利用TBM破岩扰动产生的地震波进行被动源成像。破岩震动信号经互相关与干涉重构处理后，可提取掌子面前方波阻抗界面信息。主被动联合模式的优势在于：主动源提供高信噪比、可控的观测数据，被动源则利用掘进过程连续采集，两者互补，尤其可改善掘进机近前方的探测效果。

2.4 递进式预报策略

BMST采用递进式预报方式：每次新采集的数据增加到已有数据集中，联合新老数据更新预报结果。这一策略的核心价值在于：

（1）随着掘进推进，震源与接收点不断前移，观测孔径逐步增大，偏移成像的分辨率和信噪比持续提高；

（2）多次叠加有效压制随机噪声和规则干扰（面波、侧向反射、机壳振动等）；

（3）新数据补充近场信息，消除掘进机前端探测盲区，改善近场预报效果。

3 断层破碎带与蚀变带的散射波场特征

3.1 断层破碎带

断层破碎带是由断层错动形成的角砾岩、碎裂岩及伴生密集裂隙带。其散射波场特征表现为：

波速：纵波和横波速度较完整围岩显著降低（降低幅度一般20%～40%），速度降低程度与破碎程度和裂隙充填物相关；

散射强度：由于内部结构高度非均匀，散射波能量强，在偏移图像中呈条带状或面状异常；

衰减：品质因子Q值低，高频成分衰减快，接收信号主频降低。

3.2 蚀变带

蚀变带由热液或风化作用形成，矿物成分改变（如黏土化、绿泥石化等），围岩强度降低。其散射波场特征与断层破碎带存在差异：

波速：降低幅度相对较小（10%～25%），但不同蚀变类型差异明显；

衰减：黏土矿物含量增加导致衰减显著增强，这是蚀变带区别于纯构造破碎带的重要标志；

波阻抗差异：蚀变带与围岩的波阻抗差异可能不如断层破碎带显著，但仍可产生可识别的散射信号。

在BMST偏移图像和波速图中，结合波速降低程度和衰减特征，可对两类目标进行区分识别。

4 工程应用验证

4.1 应用案例概况

BMST系统已在四川西香高速盐源隧道“蜀昌一号”TBM上得到应用验证。盐源隧道全长14.15km，地质条件复杂，采用敞开式TBM施工平行导洞。BMST系统在TBM组装阶段集成于护盾部位，实现了随掘连续预报。

4.2 预报效果

现场应用表明，BMST系统单次数据采集约15min，不额外占用掘进时间。预报成果包括三维波速图、三维偏移图和三维构造图，可实时展示给TBM司机辅助掘进决策。经超前钻探、渣样分析等手段验证，系统预报准确率为86%，定性准确率91%。

4.3 典型案例

在盐源隧道某段落，BMST预报盾尾右侧2点钟方向存在地质异常。预报后约2小时，该位置出现涌水（水浑浊但无压力），护盾压力从80跃升至200，并以每小时10的速度持续攀升。推断为汇聚的基岩裂隙水沿斜交构造带汇入洞内。超前钻探出水量较少，与预报结论吻合。TBM随即采取低速掘进策略，避免了长期停机导致卡机。该案例验证了BMST系统对断层破碎带伴生裂隙水构造的探测能力。

5 讨论

5.1 方法优势

BMST系统在敞开式TBM断层破碎带与蚀变带探测中具备以下优势：

随掘连续观测：系统集成于TBM，边掘进边采集，不占用额外掘进时间，符合TBM快速施工需求。

自动化操作：程控全自动化数据采集、处理和成像，在单一平台实现硬件控制和软件计算，减少人工干预。

高分辨率成像：预报距离80m、分辨率1m，可满足断层破碎带和蚀变带的精细探测需求。

抗干扰能力强：波场分离技术有效滤除TBM工况下特有的强机械振动和电磁干扰。

5.2 局限性与改进方向

敞开式TBM适配问题：敞开式TBM无完整护盾，传感器安装空间受限，耦合条件不如护盾式TBM理想，需针对具体机型进行安装方案优化。

蚀变带识别精度：蚀变带与围岩波阻抗差异较小，散射信号相对较弱，需结合衰减参数等多属性分析提高识别可靠性。

数据处理自动化程度：虽然系统实现了自动化采集和成像，但复杂地质条件下的解释仍需人工干预，未来可引入机器学习辅助智能识别。

5.3 与同类技术比较

与HSP法相比，BMST在硬件集成度和自动化程度上更具优势，且具备主动震源激发能力。与BMRD掘进机雷达相比，BMST探测距离更远（80m vs 30～50m），对地质构造和围岩类别变化的探测更具针对性，而BMRD对孤立地质体和含水构造的分辨更精细。

6 结论

（1）BMST系统基于散射地震理论，采用三维观测、主被动联合探测和递进式预报策略，适用于敞开式TBM硬岩隧道断层破碎带与蚀变带的超前探测，预报距离80m、分辨率1m。

（2）递进式观测方式可有效滤除面波、侧向反射、机壳振动等干扰，消除掘进机前端探测盲区，提高近场预报效果。

（3）工程应用表明，BMST系统预报准确率达86%、定性准确率91%，可在不占用掘进时间的前提下提供断层破碎带及伴生构造的可靠预报信息，为掘进参数调整和施工风险防控提供依据。

（4）建议后续研究聚焦敞开式TBM安装适配优化、蚀变带多属性识别方法以及智能化解译技术，进一步提升系统在复杂地质条件下的预报能力。